再創(chuàng)世界紀(jì)錄！南工大團(tuán)隊(duì)突破鈣鈦礦LED效率瓶頸，外量子效率達(dá)45.5%
來(lái)源： 紫牛新聞
2025-11-13 18:51:00
日前，記者從南京工業(yè)大學(xué)獲悉，該校柔性電子全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃維院士、王建浦教授和王娜娜教授團(tuán)隊(duì)在鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)成功構(gòu)建了全鈣鈦礦疊層LED器件，并創(chuàng)新性地提出利用層間光子循環(huán)來(lái)提升鈣鈦礦LED的光提取效率，使得疊層鈣鈦礦LED的外量子效率突破45%，再次刷新該領(lǐng)域世界紀(jì)錄。這一突破為開(kāi)發(fā)高性能鈣鈦礦LED開(kāi)辟了全新的途徑。11月11日，相關(guān)成果以“High performance tandem perovskite LEDs through interlayer photon recycling”為題發(fā)表在世界頂尖學(xué)術(shù)期刊Nature（《自然》）上。
發(fā)光二極管作為直接將電能轉(zhuǎn)化為光能的核心器件，在照明、顯示等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著市場(chǎng)對(duì)高品質(zhì)、低成本、柔性化顯示照明產(chǎn)品的需求激增，傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的工藝限制日益凸顯，鈣鈦礦材料憑借溶液加工性好、發(fā)光色純度高、制備成本低等優(yōu)勢(shì)，成為全球前沿科技競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)略高地。
“鈣鈦礦LED的發(fā)光效率已逐步接近商業(yè)化有機(jī)LED水平，并且在亮度和色純度方面更有優(yōu)勢(shì)，但疊層結(jié)構(gòu)的發(fā)展一直面臨瓶頸?！闭撐耐ㄓ嵶髡咄跄饶冉淌诮榻B，商業(yè)化有機(jī)LED普遍采用疊層結(jié)構(gòu)，通過(guò)串聯(lián)發(fā)光單元實(shí)現(xiàn)亮度疊加，但鈣鈦礦材料對(duì)薄膜缺陷高度敏感，制備頂發(fā)光單元時(shí)極易破壞底層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致疊層鈣鈦礦LED外量子效率普遍低于10%，甚至遠(yuǎn)低于單結(jié)器件。
針對(duì)這一世界性難題，團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年攻關(guān)，設(shè)計(jì)出TCTA/MoOx/HATCN/SnO2 連接層結(jié)構(gòu)。“這個(gè)特殊的連接層既實(shí)現(xiàn)了高效電荷注入與平衡，又像‘防護(hù)盾’一樣保護(hù)了底層鈣鈦礦發(fā)光層，解決了疊層制備中的結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題?！闭撐牡谝蛔髡呖掠呀忉尩馈?/p>
更具突破性的是團(tuán)隊(duì)提出的層間光子循環(huán)策略?！扳}鈦礦材料發(fā)射的光子容易被自身吸收再發(fā)射，我們利用這一特性，通過(guò)調(diào)控發(fā)光層的微納結(jié)構(gòu)，讓一個(gè)發(fā)光單元產(chǎn)生的光子能被另一層有效再吸收、再發(fā)射?！蓖踅ㄆ纸淌谶M(jìn)一步說(shuō)明，這種層間輻射耦合導(dǎo)致的光子循環(huán)效應(yīng)能將原本處于波導(dǎo)損耗模式的光充分利用，顯著提升光提取效率。
團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一機(jī)制：由發(fā)光峰742nm的底層和802nm的頂層鈣鈦礦組成的疊層器件中，底層發(fā)射的高能光子被頂層吸收后重新發(fā)射，使頂層發(fā)光效率高于單結(jié)器件；瞬態(tài)熒光光譜分析也證實(shí)，頂層材料能吸收底層的長(zhǎng)壽命光子并產(chǎn)生額外輻射復(fù)合。三維時(shí)域有限差分法模擬顯示，這種循環(huán)效應(yīng)可有效減少波導(dǎo)損耗和寄生損耗，實(shí)現(xiàn)“1+1>2”的效率突破。
該器件不僅外量子效率高達(dá)45.5%，在100mA cm?2高電流密度下仍保持 34.5% 的高效率，還具備高亮度與長(zhǎng)工作壽命優(yōu)勢(shì)，其發(fā)光性能顯著超越單結(jié)器件的理論疊加極限。與傳統(tǒng)疊層有機(jī)LED相比，疊層鈣鈦礦LED具有低工作電壓、高亮度、高色純度的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
“這一成果是團(tuán)隊(duì)多年積累的結(jié)晶?！秉S維院士表示，自2012年團(tuán)隊(duì)率先開(kāi)展相關(guān)研究以來(lái)，先后在室溫鈣鈦礦LED制備、多量子阱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面取得系列突破，此次突破標(biāo)志著鈣鈦礦LED 向產(chǎn)業(yè)化邁出重要一步。
據(jù)悉，該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家基礎(chǔ)科學(xué)中心、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金和江蘇省攀登項(xiàng)目等長(zhǎng)期支持。南京工業(yè)大學(xué)為論文第一作者和通訊作者單位。
通訊員 朱琳
揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞?dòng)浾?楊甜子
校對(duì) 陶善工