效率高达12%!华南理工大学开发出高性能白光钙钛矿LED

近期,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的叶轩立教授团队在国际顶级期刊《Joule》上发表了题为“Utilization of Trapped Optical Modes for White Perovskite Light-Emitting Diodes with Efficiency over 12%”的研究论文。

白光发光二极管(LED)是照明和显示应用中的重要组成部分,而这两个应用消耗了大量的电力能源,因此,实现高效的白光LED对于节能减排具有重要意义。经过了近几年的发展,金属卤化钙钛矿LED展现出了巨大的潜力,有望成为下一代的发光技术。

其中,红光和绿光钙钛矿LED的外量子效率从不足1%迅速提高到超过20%,而蓝光钙钛矿LED的效率也超过了12%,但钙钛矿白光器件的发展仍十分缓慢。

此外,基于光学模拟分析,在传统的钙钛矿LED器件中,超过80%的光子被限制于器件中无法出射,使得钙钛矿LED的光取出效率一般小于20%,成为制约其进一步发展的另外一个关键问题。

针对上述科学问题,该团队提出了一种简单有效的方法,来同时解决钙钛矿LED中的光取出效率受限以及白光器件性能低下的问题,即通过合理设计多层半透明电极(LiF/Al/Ag/LiF),来将蓝光钙钛矿层与红光钙钛矿纳米晶层进行近场耦合,实现光取出效率的大幅提高,从而构建出高性能的白光钙钛矿LED器件。

通常,由于钙钛矿发光层的折射率与有机界面层的折射率差异较大,在特定角度下会引起全反射,从而在钙钛矿LED器件中诱导产生了光波导模式,使得发光层发出的部分光子在器件内部反复振荡而不能逃逸出器件外部。而在全反射过程中所产生的倏逝波会继续诱导表面等离子极化激元(SPP)模式的产生。

另外,衬底模式以及寄生吸收的存在,都将降低光子传播至器件外部(空气端)的概率。幸运的是,由全反射和SPP所产生的倏逝场的能量可以在近场范围内穿透到下一层介质,这提供了一个机会来利用它们,从而来抑制钙钛矿LED中光波导模式和SPP模式,即可通过光子隧道效应,倏逝波吸收和SPP吸收三种近场耦合效应来实现(如下图所示)。


基于近场光学耦合的白光钙钛矿LED器件设计理念和三种近场作用的示意图
(光子隧道效应,倏逝波吸收和SPP吸收),
以及双色和三色白光的电致发光光谱和其持续工作下的CIE

为此,该团队设计出“ITO/NiOx/PVK/蓝光钙钛矿/TPBi/LiF/Al/Ag/LiF/红光钙钛矿纳米晶”多层器件结构,其中红光层的存在可成功通过上述三种近场耦合效应来提取受限于光波导模式和SPP模式的蓝光光子,最终实现超过50%的光提取效率提升,并同时利用颜色互补的蓝光和红光,实现白光发射。

基于此策略,该团队成功制备出分别具有高达12%和5%外量子效率的高性能双色和三色白光钙钛矿LED,是目前该领域的最新记录,具有里程碑意义。

此外,除了在钙钛矿LED上的应用,这一策略还可以推广到其他类型的白光LED(如:有机LED,无机LED和量子点LED等),以提高它们的光取出能力,促进整个白光LED领域的进一步发展。(来源:华南理工大学)

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