黄维院士、王建浦教授：卤素分布均匀化实现高性能蓝色钙钛矿发光二极管

金属卤化物钙钛矿发光二极管（LED）具有可低温溶液制备、高效率、高亮度等优点，在照明与显示领域具有很大的应用潜力。目前，近红外和绿光钙钛矿已经实现了高亮度下的高效率器件，然而蓝光和红光器件的亮度还较低，限制了钙钛矿LED在全色显示领域的应用。通常有两种方法可以实现蓝光钙钛矿，一种是基于低维钙钛矿材料的量子限域效应，但是这类材料的导电性差，在高激发强度下的效率滚降严重，不利于实现高亮度器件；另一种是基于氯溴混合的三维钙钛矿，但是混合卤素钙钛矿的相分离问题制约了器件效率和稳定性的提升。因此，如何实现高亮度、发光稳定的蓝光钙钛矿LED仍是亟待解决的难题。

鉴于此，西北工业大学黄维院士和南京工业大学王建浦教授、王娜娜教授团队与剑桥大学Richard H. Friend教授和Rachel A. Oliver教授课题组合作，利用高分辨的阴极发光显微技术揭示混合卤素钙钛矿的相分离始于制备的初始薄膜存在的纳米尺度的相分离（图1）。并且，通过用质谱分析前驱体溶液，发现初始薄膜的纳米尺度相分离是由前驱体溶液中卤素分布不均匀引起的。通过引入一种阳离子表面活性剂（四苯基溴化膦，TPPB），并结合非离子表面活性剂Tween，可以显著提高混合卤素在钙钛矿前驱体溶液中的分布均匀性（图2），从而获得卤素分布均匀的钙钛矿薄膜，最终有效抑制了混合卤素钙钛矿薄膜的相分离

图1  阴极发光显微镜图

图2  卤素均匀化过程示意图

通过与吉林大学张立军教授（共同通讯作者）课题组合作，采用第一性原理计算核实，溴氯均匀混合钙钛矿薄膜具有更大的分解能（图3），使薄膜在电场等作用下可保持较好的稳定性。

图3  钙钛矿热稳定性计算

基于此薄膜，制备了高亮度、光谱稳定的蓝光钙钛矿LEDs（图4）。器件发光峰位于482 nm，半峰宽仅为15 nm，对应的CIE色坐标为（0.091，0.165），在5 V低电压条件下，亮度达到9300 cd m^-2，为目前已报道颜色相近钙钛矿LEDs的最高值。并且器件的效率滚降不明显，外量子效率（EQE）在8000 cd m^-2的高亮度下仍可达到3.4%，此效率也是目前蓝光钙钛矿LEDs在高亮度下的最高纪录。此外，器件在不同工作电压以及连续工作条件下发光光谱不变，具有很好的光谱稳定性。该方法也可以实现任意溴氯比例的稳定钙钛矿薄膜，制备的天蓝光和深蓝光钙钛矿LEDs亮度分别可以达到37000 cd m^-2和1300 cd m^-2。

图4  钙钛矿LED器件性能

此工作提出的卤素分布均匀化不仅有助于实现高亮度、稳定的钙钛矿LED，对实现基于混合卤素钙钛矿的高性能串联太阳能电池也具有重要意义。

黄维，中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太工程组织联合会主席。有机电子、塑料电子、印刷电子、生物电子及柔性电子学家。他是国际上最早从事高分子发光二极管显示研究并长期活跃在有机电子学、柔性电子学领域的世界一流学者，是中国有机电子学科、塑料电子学科和柔性电子学科的奠基人与开拓者。在柔性电子学领域，以通讯或第一作者身份在世界顶尖期刊Nature，Nature Materials等发表研究论文860余篇，国际同行引用逾90000次，是材料科学与化学领域全球高被引学者。

王建浦，南京工业大学先进材料研究院教授，教育部长江学者特聘教授。主要研究方向为有机及钙钛矿光电子器件与物理，为国际上钙钛矿发光二极管（LED）研究的开拓者之一。研究成果发表在Nature，Nature Photonics，Nature Communications，Physical Review Letters，Advanced Materials，Research等国际期刊上，总他引2000余次，获授权美国专利7项。

王娜娜，南京工业大学先进材料研究院教授。主要从事钙钛矿发光材料与器件的研究。在Nature、Nature Photonics和Advanced Materials等国际顶级期刊发表论文40余篇，论文SCI他引1000余次，获授权发明专利15项。目前主持国家自然科学基金优秀青年基金、面上项目等。

张立军，吉林大学集成光电子学国家重点实验室教授，入选国家海外高层次青年人才引进计划、基金委优青。长期聚焦半导体光电材料，基于半导体理论计算，应用自主研发的材料设计方法与软件，开展新材料设计与物性调控研究。自2014年回国入职以来，作为第一/通讯（含共同）作者在Nat. Rev. Mater. (1), Nat. Photonics (1), Nat. Commun. (5), Nano Lett. (4), Adv. Mater./Adv. Funct. Mater. (4), J. Am. Chem. Soc. (5)等SCI期刊上发表论文70余篇。获中国材料研究学会“计算材料学青年奖”、吉林省青年科技奖特等奖。担任科技部重点研发计划课题负责人，Nano Research期刊“Young Star Editor”、Nano Select期刊副主编。