效率高達 12%!華南理工大學開發出高性能白光鈣鈦礦 LED

近期,華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室的葉軒立教授團隊在國際頂級期刊《Joule》上發表了題為「Utilization of Trapped Optical Modes for White Perovskite Light-Emitting Diodes with Efficiency over 12%」的研究論文。

白光發光二極管(LED)是照明和顯示應用中的重要組成部分,而這兩個應用消耗了大量的電力能源,因此,實現高效的白光 LED 對於節能減排具有重要意義。經過了近幾年的發展,金屬鹵化鈣鈦礦 LED 展現出了巨大的潛力,有望成為下一代的發光技術。

其中,紅光和綠光鈣鈦礦 LED 的外量子效率從不足 1% 迅速提高到超過 20%,而藍光鈣鈦礦 LED 的效率也超過了 12%,但鈣鈦礦白光器件的發展仍十分緩慢。

此外,基於光學模擬分析,在傳統的鈣鈦礦 LED 器件中,超過 80% 的光子被限制於器件中無法出射,使得鈣鈦礦 LED 的光取出效率一般小於 20%,成為製約其進一步發展的另外一個關鍵問題。

針對上述科學問題,該團隊提出了一種簡單有效的方法,來同時解決鈣鈦礦 LED 中的光取出效率受限以及白光器件性能低下的問題,即透過合理設計多層半透明電極(LiF/ Al/Ag/LiF),來將藍光鈣鈦礦層與紅光鈣鈦礦納米晶層進行近場耦合,實現光取出效率的大幅提高,從而構建出高性能的白光鈣鈦礦LED器件。

通常,由於鈣鈦礦發光層的折射率與有機界面層的折射率差異較大,在特定角度下會引起全反射,從而在鈣鈦礦 LED 器件中誘導產生了光波導模式,使得發光層發出的部分光子在器件內部反復振盪而不能逃逸出器件外部。而在全反射過程中所產生的倏逝波會繼續誘導表面等離子極化激元(SPP)模式的產生。

另外,襯底模式以及寄生吸收的存在,都將降低光子傳播至器件外部(空氣端)的概率。幸運的是,由全反射和 SPP 所產生的倏逝場的能量可以在近場範圍內穿透到下一層介質,這提供了一個機會來利用它們,從而來抑制鈣鈦礦 LED 中光波導模式和 SPP 模式,即可透過光子隧道效應,倏逝波吸收和 SPP 吸收三種近場耦合效應來實現(如下圖所示)。

基於近場光學耦合的白光鈣鈦礦 LED 器件設計理念和三種近場作用的示意圖(光子隧道效應,倏逝波吸收和 SPP 吸收),以及雙色和三色白光的電致發光光譜和其持續工作下的 CIE。

為此,該團隊設計出「ITO/NiOx/PVK/藍光鈣鈦礦/TPBi/LiF/Al/Ag/LiF/紅光鈣鈦礦納米晶」多層器件結構,其中紅光層的存在可成功通過上述三種近場耦合效應來提取受限於光波導模式和 SPP 模式的藍光光子,最終實現超過 50% 的光提取效率提升,並同時利用顏色互補的藍光和紅光,實現白光​​發射。

基於此策略,該團隊成功製備出分別具有高達 12% 和 5% 外量子效率的高性能雙色和三色白光鈣鈦礦 LED,是目前該領域的最新記錄,具有里程碑意義。

此外,除了在鈣鈦礦 LED 上的應用,這一策略還可以推廣到其他類型的白光 LED(如:有機 LED,無機 LED 和量子點 LED 等),以提高它們的光取出能力,促進整個白光 LED 領域的進一步發展。

(來源:華南理工大學;首圖來源:pixabay

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