目前已成功报道具有高效外量子产率EQE的红光(>20%)、绿光(>20%)和蓝光(>12%)钙钛矿发光二极管（PeLED），但如何将不同光色的钙钛矿集成为白光钙钛矿LED（WPeLED）依然是领域内的一大挑战。据最新报道，WPeLED的EQE为6.5%，其效率和其他光色相比依然有很大的缺口。此外，PeLED超过20%的EQE已接近无光提取结构的理论极限。由于钙钛矿较大的折射率，往往导致其理论的光取出效率（LEE）低下（< 20%），而其他光子以形成于全反射时界面产生的倏逝波的SPP模式（20%−30%），形成于钙钛矿和传输层材料之间大的折射率差而导致全反射的光波导模式（20%−30%），通过在包封过程中形成环氧树脂光学透镜的衬底模式（10%−30%）和寄生吸收（< 10%）被限制或消耗在器件内部，无法出射到远场。 因此，如何实现高效WPeLED、以及如何有效提高器件的光提取效率成为了制约PeLED进一步发展的两大难题。近日，华南理工大学Ziming Chen和Hin-LapYip教授团队报道了一种简单有效的近场光学耦合方法，通过合理设计的多层半透明电极（LiF/Al/Ag/LiF），将蓝色PeLED与红色钙钛矿纳米晶（PeNC）下变频器件层耦合，构建了一种具有增强型LEE的高性能WPeLED（>12％）。该研究同时解决了PeLED白光发射和光提取效率低下的两大难题并以 “Utilization of Trapped Optical Modes for White Perovskite Light-Emitting Diodes with Efficiency over 12%” 为题发表在Joule上。图1. 基于近场光学耦合的WPeLED器件设计、结构和三种近场耦合效应如图1所示，由于倏逝波和SPP都属于倏逝场，其能量都可以穿透到下一层的介质，这为光提取创造了机会。作者首先把蓝光PeLED的顶电极厚度减薄，变成半透明电极LiF/Al/Ag/LiF（1 nm/1 nm/9 nm/10 nm），然后在其上沉积一层厚的红光PeNC层。这一红光层将诱导光子隧道效应，倏逝波吸收和SPP吸收3个近场耦合效应的发生。基于这三个近场耦合效应，蓝光PeLED里受到抑制的光波导模式和表面等离激元模式最终都会转移到红光层并进而转换成红光光子出射，从而实现了受限模式的再利用，并通过红蓝光子一起实现白光发射。图2. 蓝光和白光PeLED的性能表征实验表明，由于红色PeNC层允许提取蓝色PeLED中捕获的光波导模式和表面等离激元模式，并将其转换为红色发射，从而使LEE改善了50％以上。同时，蓝色光子和向下转换的红色光子的互补发射光谱实现了色坐标位于（0.33,0.33）的标准白光WPeLED。作者实现了EQE超12％和亮度超2,000 cd m-2的WPeLED，这是目前WPeLED的最高效率。作者认为，除了将其用于PeLED中之外，该策略还可以扩展到如无机、量子点和混合LED等其他类型的白光LED，以改善其在芯片中的光提取，从而广泛地应用于节能照明设备的LED领域。图3. 三种PeLED器件结构和各自光学模式的占比模拟为了比较本文设计的白光器件（WPeLED1）和商业化器件结构（红光层沉积于衬底一侧，WPeLED2）的区别，作者用FDTD对器件进行了光学模拟。研究结果发现，WPeLED1约一半的受限于SPP模式和光波导模式的光子被提取到了红光层进而被加以利用，同时不太影响蓝光光子的正常出射。而对于WPeLED2，虽然红光层可以部分利用衬底模式，但同时也大量消耗了正常出射的蓝光光子。因此，基于WPeLED1的器件设计，所得白光器件的效率能够比蓝光器件更高，但WPeLED2却比其蓝光器件的效率更低，这也是现阶段商业化白光LED面临的问题之一。本工作通过近场光学耦合，实现了对蓝光器件中受限光学模式的有效提取及利用，获得了现阶段效率最高的白光PeLED（双色白光EQE > 12%，三色白光EQE > 5%），具有里程碑式意义。该器件设计思路可兼容到其他类型的白光LED的器件设计上，有利于整个LED领域的发展。文献信息：“Utilization of Trapped Optical Modes for White Perovskite Light-Emitting Diodes with Efficiency over 12%” (https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.12.008).