理工大学设计出不需要荧光粉涂层实现白光发射的WLED

目前，电力照明功耗已占全球功耗的15%，从而导致高效能、低成本的照明技术开发极其重要。而白色发光二极管（WLEDs）恰凭借其自身高寿命、高效率的优势一跃成为当前照明和显示行业的焦点，其制造方式主要是借助RGB LED阵列或者荧光粉涂层的蓝色LED实现，因此导致现有的WLED技术比较依赖于蓝色LED的外延晶片（如GaN外延晶片），在一定程度上增加了制造流程的成本。

为了进一步降低WLED的制造成本，南京理工大学的曾海波教授团队和华盛顿大学的David Ginger教授团队合作，研究人员基于溶液处理的单层异相卤化物钙钛矿设计并制备了一种WLED，该LED不仅不需要荧光粉涂层实现白光发射，而且具备较大的宽带发射层和极高的峰值亮度，并且随着该制备方法的继续研究，其效率和亮度还能进一步得到提高。

卤化物钙钛矿由于具有较高的光致发光量子产率(PLQY)、优异的光电性能和低成本的溶液处理等优点，而被众多科研人员所青睐，试图将其作为WLED的发光材料。

通过大量的研究和优化，目前钙钛矿型绿色LED和红色LED的外部量子效率（EQE）已经超过了20%，但在蓝色LED的开发中却一直未有所突破，从而阻碍了钙钛矿型WLED的实现。

此外，钙钛矿材料具有很强的载流子-声子和激子-声子耦合，其中载流子和激子在晶格畸变中“自陷“效应，导致在整个可见光光谱范围都具有良好的宽带发射效应，因此也可以将其直接应用于WLED的发光材料中。

虽然目前钙钛矿材料中自陷态激子的白色光致发光(PL)的发展很快，但由于该材料的电荷传输特性较差，在一定程度上降低了其白色电致发光(EL)的效率，也使得钙钛矿型WLED的实现遭遇了瓶颈。

为了解决这一问题，曾海波等人将同时具有α相和δ相碘化铯铅（α-CsPbI3和δ-CsPbI3）材料作为钙钛矿型WLED有效注入和复合载流子的发射层，如图1（a）所示。这种混合相材料可以将α-CsPbI3的高电荷传输特性和δ-CsPbI3宽带白色自陷发射特性相结合，从而弥补钙钛矿材料中电荷传输特性较差的问题。

图1 （a）钙钛矿型WLED结构示意图；（b）工作状态下的WLED实物图。

图源：Nature Photonics, 2020: 1-7.Fig1（a）、（b）

在实际工作时，α-CsPbI3负责电荷的注入和传输，随后由δ-CsPbI3负责改进白色EL，并最终在α/δ-异相界面处实现两相的电荷注入平衡，从而赋予钙钛矿型WLED较高的效率和亮度，其亮度可达12,200cd·m−2，EQE可达6.5%，如图1（b）所示。

此外通过调整退火工艺，如图2所示，在398K以下α-CsPbI3会向δ-CsPbI3产生缓慢相变，此时可以根据目标α/δ的相位比选择合适的温度以停止相变过程，从而对钙钛矿型WLED的色温实现自由调控的特性。

图2 CsPbI3样品在加热/冷却条件下的相变和α/δ比的变化示意图

图源：Nature Photonics, 2020: 1-7.Fig2（a）

这项工作为基于溶液处理的卤化物钙钛矿型WLED提供了一种全新的思路和方法，并可通过提高控制α相和δ相域的大小和连通性的方式实现WLED稳定性及其他性能的改善，从而满足低成本、宽带发射的商业化WLED要求。

原文标题：异相钙钛矿型白光LED

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责任编辑：haq