牛!南工大再发Nature:黄维/王建浦钙钛矿LED里程碑式突破!
晴天 纳米人 2018-10-11

突破效率极限,打破世界纪录,中国科学家在钙钛矿LED领域实现里程碑突破!2018年10月11日凌晨,Nature以背靠背的形式在线发布了2篇来自中国科学家的重要成果,并发表了一篇长文评论。


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一篇来自华侨大学(第一单位)魏展画教授、新加坡南洋理工大学熊启华教授和加拿大多伦多大学Edward H. Sargent教授的科研团队。他们报道了一种LED外量子效率(EQE)超过20%的钙钛矿LED,工作寿命(T50)超过100h!

 

另一篇来自南京工业大学黄维(目前单位西北工业大学)和王建浦团队。他们同样报道了一种外量子效率(EQE)超过20%的钙钛矿LED,能量转化效率高达12%。

 

下面,我们介绍一下来自南京工业大学的这篇文章。

 

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第一作者:Yu Cao, Nana Wang, He Tian, Jingshu Guo

通讯作者:黄维、王建浦

通讯单位:南京工业大学、南京邮电大学、西北工业大学

 

研究亮点:

基于自发形成的亚微米结构,实现了外部量子效率高达20.7%的钙钛矿LED。

 

一提到钙钛矿,很多人就会首先想到如日中天的钙钛矿太阳能电池。却不知,作为当前最热门的明星材料,钙钛矿不仅能拿来发电,还能拿来发光!钙钛矿因制备成本低、可溶液法制备、荧光量子效率(PLQY)高、色纯度高且颜色可调等特性,在平面显示和固体照明领域也极具潜力。

 

2014年英国剑桥大学Richard H. Friend等人以MAPbI3-X和MAPbBr3(MA = CH3NH3+)作为发光层,首次报导了能在室温下工作的近红外光和绿光的钙钛矿发光二极管,测得外量子效率(EQE)分别为0.76%和0.1%。

 

此后,钙钛矿发光二极管便吸引了越来越多的关注。然而,目前报导的绿光和近红外光钙钛矿LED的最高外量子效率分别为14%和12%,且钙钛矿发光二极管器件稳定性差,远低于已经商业化的有机发光二极管(OLEDs)和无机量子点发光二极管(QLEDs)等。

 

因此,要想实现规模化商业应用,钙钛矿LED在效率和稳定性上还有很大的提升空间。

 

有鉴于此,南京工业大学黄维院士(目前单位西北工工业大学)和王建浦团队。他们同样报道了一种外量子效率(EQE)超过20%的钙钛矿LED。


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图1. 钙钛矿LED器件制造及亚微米结构形成

 

器件制造

以摩尔比为0.7/2.4/1的5VAV、FAI和PbI2作为前驱体,溶解于DMF中,质量浓度为7%。首先成膜,然后在100℃退火16min,最后沉积到顶部电荷传输层。整个器件构成为(ITO)/PEIE-ZnO (30 nm)/钙钛矿 (50 nm)/ TFB(40 nm)/ MoO(7 nm)/Au (60 nm)。


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图2. 钙钛矿薄膜


亚微米结构形成机理

研究人员利用HAADF-STEM观察到,在8nm厚的有机层中存在自发形成的亚微米级钙钛矿结构。研究表明,这种亚微米结构形成于退火阶段。超薄有机绝缘层来源于5AVA脱水反应,有效避免了LED由于钙钛矿低覆盖度造成的电流泄露。


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图3. AFM表征

 

优异的光学和光电性能

优异的光学性能表明,这种亚微米结构的晶态钙钛矿在高效LED中存在重要应用前景。得益于3D钙钛矿优异的电荷迁移率和高效的电荷注入性能,电流密度和辐射率得到快速提升。最终,在电流密度为18 mA cm-2条件下,实现了外部量子效率高达20.7%的钙钛矿LED器件。另外,得益于地工作电压,在在电流密度为100 mA cm-2条件下,实现了12%的能量转化效率。


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图4. 光学性质等测试


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图5. 光电性能

 

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作者简介:王建浦教授南京工业大学先进材料研究院教授,博士生导师,2009年在剑桥大学卡文迪许实验室获博士学位。

先后在工业界与学术界顶尖的有机光电实验室针对有机电子器件中的若干重要问题进行了研究。在理解器件寿命与光强关系的基础上通过像素设计,解决了有机发光二极管(OLED)显示面板的寿命问题;通过磁场效应与器件物理研究,发现有机半导体中激子自旋统计的控制方法以及揭示光伏器件效率损耗通道;通过器件结构和制备工艺创新,实现了低成本低功耗的有机存储器件。

近年来在该领域发表包括Nature、 Applied Physics Letters 等在内的SCI 论文20 余篇,其中第一(或通讯)作者10 篇包括Nature Communications 1 篇获授权美国专利6 项,向工业界转让专利申请权1项。发明美国专利(US7443093,第一发明人)使得OLED 显示面板寿命至少提高一倍,解决了其走向市场的一个瓶颈问题,已经被市场上OLED 显示屏广泛采用。

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黄维,中国科学院院士,俄罗斯科学院外籍院士,中国有机电子学与柔性电子学的主要奠基者  ,西北工业大学博士生导师、教授,中国国家杰出青年科学基金获得者,中国“千人计划”国家特聘专家,中国教育部“长江学者”特聘教授,中国国家“973计划”项目首席科学家。

1992年1月,黄维博士毕业于北京大学并留校任教;1993年12月,赴新加坡做博士后研究;2006年6月,担任南京邮电大学副校长;2012年7月,担任南京工业大学校长;2017年6月,担任西北工业大学党委常委、常务副校长。


黄维院是国际上最早从事聚合物发光二极管显示研究并长期活跃在有机光电子学的知名学者之一。从九十年代初开始致力于跨物理、化学、材料、电子、信息和生命等多个学科、交叉融合发展起来的有机光电子学这一国际前沿学科的研究,在构建有机光电子学科的理论体系框架、实现有机半导体的高性能化与多功能化、推进科技成果转化与产业化方面做了大量富有开拓性、创新性和系统性的研究工作,是中国有机光电子学科的奠基人与开拓者。在有机光电子学、柔性电子学等领域取得了大量系统性、创新性的研究成果。黄维的主要研究领域为纳米材料与技术和有机电子与器件等。黄维院士在哲学社会科学领域亦有跨界尝试,他关注高等教育、管理科学、人才科学、创新管理、经济发展等方向,在社会服务中躬耕践行。


参考文献:

Yu Cao, Nana Wang, He Tian, Jingshu Guo, Jianpu Wang, Wei Huang etal. Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formedsubmicrometre-scale structures. Nature 2018, 562, 249–253.

https://www.nature.com/articles/s41586-018-0576-2

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