魏展画:钙钛矿发光二极管外量子效率超过20%

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  近日，华侨大学魏展画教授联合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教授在钙钛矿发光二极管的研究中取得重大突破。研究人员利用钙钛矿的组分分布调控策略得到平整致密且光电性能优异的钙钛矿薄膜，并通过加入阻挡层改善电子空穴的注入平衡，得到的钙钛矿发光二极管的外量子效率（EQE）超过20%，刷新了钙钛矿发光二极管的世界最高纪录，同时，稳定性也得到极大地提升，远超国际同行。相关研究成果以题为"Perovskite Light-Emitting Diodes with External Quantum Efficiency Exceeding 20%"发表在国际顶级学术期刊Nature（Dol ：10.1038/s41586-018-0575-3）上。

    钙钛矿半导体材料在太阳能电池领域已经取得了巨大的成功，有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池的光电转换效率（PCE）已经从最初的3.8%到现在23.3%的认证效率。由于钙钛矿材料制备成本低，可溶液法制备，荧光量子效率高，色纯度高且颜色可调等特性，钙钛矿材料在平面显示和固体照明领域极具潜力。自2014年Richard H. Friend和Zhi-Kuang Tan等人首次报导的能在室温下工作的钙钛矿发光二极管，以MAPbI3-X和MAPbBr3(MA = CH3NH3+)作为发光层的近红外光和绿光的钙钛矿LED测得EQE分别为0.76%，0.1%。此后，钙钛矿LED便吸引了越来越多的研究者投入研究，并取得了不断的突破。然而，目前报导的绿光和红光钙钛矿LED的最高外量子效率（EQE）分别为14.36%和11.7%，且钙钛矿LED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）（EQE:25%以上）等。钙钛矿LED在效率和稳定性上还有很大的提升空间。

在该研究中，研究人员利用CsPbBr3和MABr (MA = CH3NH3+)在极性溶剂DMSO的溶解度差异较大这一特点，通过在CsPbBr3钙钛矿前驱液中加入MABr添加剂，并精确调控添加剂MABr的量，成功实现钙钛矿层的组分分布调控，得到了表面平整致密，且光电性能优异的具有CsPbBr3@MABr壳核结构的钙钛矿薄膜，器件EQE超过17%。研究人员通过对比纯电子和纯空穴器件，发现器件中电子和空穴注入不平衡，过量的电子注入制约了器件性能的进一步提升，对此，研究人员通过在发光层和电子传输层之间引入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)绝缘材料，阻挡了过量电子的注入，改善了器件中电子和空穴的注入平衡，进一步提高了器件的效率，最终得到了EQE超过20%，稳定性超过100h（T50＞100h）的钙钛矿LED器件，远超国际同行。

   研究人员利用CsPbBr3和MABr在极性溶剂DMSO的溶解度差异，成功用一步法旋涂得到具有CsPbBr3@MABr核壳结构的高荧光量子效率（PLQY）的钙钛矿薄膜。研究指出MABr的加入有助于CsPbBr3的形核和长大，并有效钝化CsPbBr3表面缺陷，降低无辐射复合，且CsPbBr3上的MABr能起到平衡电荷注入的效果。研究人员通过在发光层和电子传输层之间插入PMMA绝缘材料，进一步提高了器件中的电子空穴注入平衡，最终得到的钙钛矿发光二级管EQE达到20.3%，稳定性超过100小时，使钙钛矿LED的发展达到了一个新的高度。

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零的突破！华侨大学科研成果首次登上《Nature》杂志

北京时间10月11日，国际顶级学术刊物《Nature》在线发表了华侨大学材料科学与工程学院魏展画教授为第一通讯作者、博士生林克斌为第一作者，华侨大学为第一完成单位的研究论文《Perovskite Light-Emitting Diodes with External Quantum Efficiency Exceeding 20 percent》。这标志着华侨大学在基础研究方面取得了重要的进展，在《Nature》上发表研究论文实现了零的突破。

    《Nature》杂志是国际上最具影响力的学术期刊之一，始终如一地报道和评论全球科技领域里最重要的突破，代表了各个科技领域内的最高研究水平，其最新影响因子是41.57。

    此次论文的刊发标志着魏展画教授团队在钙钛矿电致发光领域取得了重大研究进展。论文中，他们提出了一种全新的薄膜制备策略并优化了LED器件结构，制备出了高亮度、高量子转换效率和较好稳定性的钙钛矿LED器件。其中，该钙钛矿LED器件的外量子效率高达20.3%，刷新了世界纪录。

    近几年来，钙钛矿材料在发光领域的潜在应用开始引起人们的广泛关注，但是，受限于钙钛矿薄膜较差的成膜特性以及相对较低的荧光量子效率，其在发光、显示以及激光领域的应用发展一直比较缓慢。

图（A）单层、叠层和半核壳式结构钙钛矿薄膜示意图，（B）紫外灯下三种钙钛矿薄膜的荧光发光照片，（C）钙钛矿LED器件实物图。

    为了克服上述困难并提高器件电光转换效率，魏教授团队提出了一种全新的薄膜制备策略：组分空间分布管理，通过构建CsPbBr3@CH3NH3Br半核壳结构，大幅减少了晶体内的非辐射复合缺陷，提高了钙钛矿薄膜的发光效率；另一方面，通过在发光层和电子传输层间插入PMMA阻挡层，有效地改善了器件内的电子和空穴的注入速度匹配情况。通过上述优化，得到的钙钛矿LED器件的外量子转换效率高、稳定性较好。该研究成果已申请了国家和国际PCT专利。

    据魏展画教授介绍，钙钛矿LED作为平面自发光器件，具有质量轻、厚度薄、视角广、响应速度快、可用于柔性显示、使用温度范围广、构造和制备工艺简单等优点，在屏幕显示（手机、电视、PC、VR和车载设备等）和绿色健康灯光照明（无蓝光伤害）等方面具有广泛的应用前景。

    据了解，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教授为该论文的共同通讯作者。该研究项目还得到了华侨大学中央高校基本科研经费项目（600005-Z16J0038）、福建省一流学科建设引导专项经费（600007-40001303）和国家自然科学基金项目（U1705256）的支持。

    魏展画教授，2011年7月毕业于厦门大学化学系，取得学士学位；2015年8月毕业于香港科技大学化学系，取得博士学位，其导师为杨世和教授；2015年9月至2016年7月间在新加坡南洋理工大学数理科学学院从事博士后研究，师从熊启华教授；此后，加入华侨大学材料科学与工程学院。其课题组的主要研究方向包括钙钛矿电致发光器件和钙钛矿太阳能电池等，此前他已在《Energy & Environmental Science》《Angewandte Chemie》等期刊上发表研究论文10余篇。