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钙钛矿半导体LED实现接近100%的内部发光效率 未来应用前景看好

2018年11月07日 15:05 次阅读

据外媒报道,研究人员新研发的基于钙钛矿半导体的LED刷新了新的效率记录,可与最佳有机LED(OLED)媲美。

钙钛矿半导体LED实现接近100%的内部发光效率 未来应用前景看好

与广泛用于高端消费电子产品的OLED相比,由剑桥大学的研究人员开发的基于钙钛矿的LED制造成本更低,并且可以调整为通过可见光和具有较高颜色纯度的近红外光谱发光。

研究人员对上述LED中的钙钛矿层进行的研究设计,实现了接近100%的内部发光效率,开辟了其在显示器、照明和通信以及下一代太阳能电池等的未来应用前景。

这些钙钛矿材料与那些用于制造高效太阳能电池的材料相同,有朝一日可以取代商用硅太阳能电池。虽然当前已经开发出了基于钙钛矿的LED,但它们在将电能转化为光的过程中并不如传统的OLED那样有效。

早在四年前由剑桥大学卡文迪什实验室的Richard Friend教授带领的小组开发的混合钙钛矿LED虽然很有前景,但是晶体结构中的微小缺陷引起的钙钛矿层损失却限制了它们的发光效率。而在日前,来自同一小组的剑桥研究人员及其协作者已经表明,通过与聚合物一起形成的钙钛矿复合层,可以实现更高的发光效率,接近薄膜OLED的理论效率极限。他们的研究结果发表于自然子刊《Nature Photonics》杂志上。

该论文协作者之一的剑桥大学卡文迪什实验室的Dawei Di博士表示:“这种钙钛矿 - 聚合物结构有效地消除了非发光性损失,这是第一次在基于钙钛矿的设备中实现这种性能。通过这种混合结构,我们基本上可以防止电子和正电荷通过钙钛矿结构中的缺陷重新结合。”

用于该LED器件的钙钛矿 - 聚合物共混物,被称为体异质结构,是由二维和三维钙钛矿成分和绝缘聚合物制成。当超快激光照射在该类聚合物结构上时,多对携带能量的电荷对以万亿分之一秒的速度从2-D区域移动到3-D区域:比LED中使用的早期层状钙钛矿结构快得多。随后,3-D区域中的分离电荷重新组合并发射出非常强烈的光。

Di表示:“由于从2-D区域向3-D区域的能量迁移发生得如此之快,而且3-D区域中的电荷与聚合物的缺陷隔离,这些机制可以缺陷的产生,从而有效防止能量损失。”

该论文的第一作者Baodan Zhao表示:“在与显示器应用相关的电流密度下,这些器件的最佳外部量子效率高于20%,创造了钙钛矿LED的新记录,同时也与目前市场上最好的OLED的效率值相似。”

虽然这种基于钙钛矿的LED在效率方面能媲美OLED,但如果要在消费电子产品中广泛采用,它们仍需要更好的稳定性。首次开发的钙钛矿LED只有几秒的寿命。而通过目前的研究开发的LED具有接近50小时的半衰期,对于在短短四年内实现的改进是一个巨大的进展,但仍未达到商业应用所需的寿命,因此还将需要广泛的工业发展规划。Di指出:“了解该LED的退化机制是未来不断改进的一大关键。”

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