再創(chuàng)世界紀錄！南工大團隊突破鈣鈦礦LED效率瓶頸，外量子效率達45.5%
來源： 紫牛新聞
2025-11-13 18:51:00
日前，記者從南京工業(yè)大學獲悉，該校柔性電子全國重點實驗室黃維院士、王建浦教授和王娜娜教授團隊在鈣鈦礦發(fā)光二極管（LED）領(lǐng)域取得重大進展。研究團隊成功構(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)域世界紀錄。這一突破為開發(fā)高性能鈣鈦礦LED開辟了全新的途徑。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)域應用廣泛。隨著市場對高品質(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，成為全球前沿科技競爭的戰(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LED水平，并且在亮度和色純度方面更有優(yōu)勢，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LED普遍采用疊層結(jié)構(gòu)，通過串聯(lián)發(fā)光單元實現(xiàn)亮度疊加，但鈣鈦礦材料對薄膜缺陷高度敏感，制備頂發(fā)光單元時極易破壞底層結(jié)構(gòu)，導致疊層鈣鈦礦LED外量子效率普遍低于10%，甚至遠低于單結(jié)器件。
針對這一世界性難題，團隊歷經(jīng)多年攻關(guān)，設計出TCTA/MoOx/HATCN/SnO2 連接層結(jié)構(gòu)。“這個特殊的連接層既實現(xiàn)了高效電荷注入與平衡，又像‘防護盾’一樣保護了底層鈣鈦礦發(fā)光層，解決了疊層制備中的結(jié)構(gòu)破壞問題。”論文第一作者柯友解釋道。
更具突破性的是團隊提出的層間光子循環(huán)策略。“鈣鈦礦材料發(fā)射的光子容易被自身吸收再發(fā)射，我們利用這一特性，通過調(diào)控發(fā)光層的微納結(jié)構(gòu)，讓一個發(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一步說明，這種層間輻射耦合導致的光子循環(huán)效應能將原本處于波導損耗模式的光充分利用，顯著提升光提取效率。
團隊通過實驗驗證了這一機制：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，頂層材料能吸收底層的長壽命光子并產(chǎn)生額外輻射復合。三維時域有限差分法模擬顯示，這種循環(huán)效應可有效減少波導損耗和寄生損耗，實現(xiàn)“1+1>2”的效率突破。
該器件不僅外量子效率高達45.5%，在100mA cm?2高電流密度下仍保持 34.5% 的高效率，還具備高亮度與長工作壽命優(yōu)勢，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、高色純度的獨特優(yōu)勢。
“這一成果是團隊多年積累的結(jié)晶?！秉S維院士表示，自2012年團隊率先開展相關(guān)研究以來，先后在室溫鈣鈦礦LED制備、多量子阱結(jié)構(gòu)設計等方面取得系列突破，此次突破標志著鈣鈦礦LED 向產(chǎn)業(yè)化邁出重要一步。
據(jù)悉，該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家基礎(chǔ)科學中心、國家杰出青年科學基金和江蘇省攀登項目等長期支持。南京工業(yè)大學為論文第一作者和通訊作者單位。
通訊員 朱琳
揚子晚報/紫牛新聞記者 楊甜子
校對 陶善工