华南理工《Joule》：里程碑！效率超12％的高亮度白光钙钛矿LED
编辑推荐：实现白光发射以及有效提高器件的光提取效率（LEE）是金属卤化物钙钛矿型发光二极管（PeLED）领域的两个主要挑战。本文中，通过合理设计的多层半透明电极（LiF/Al/Ag/LiF）实现了超过12%的外部量子效率和大约2000cd m-2的亮度的白光LED，在WPeLED领域树立了里程碑。
基于光学模型，光提取效率（LEE）通常低于20％，以及难以实现白光发射是金属卤化物钙钛矿型发光二极管（PeLED）领域的两个主要挑战。来自华南理工大学的叶轩立教授课题组通过合理设计的多层半透明电极(LiF/Al/Ag/LiF)，将蓝色PeLED与一层红色钙钛矿纳米晶体(PeNC)下转换器耦合，构建具有显著增强LEE的高性能白光PeLED。红光PeNC层允许提取蓝光PeLED中捕获的波导模式和表面等离激元极化模式，并将其转换为红光发射，从而使LEE改善了50％以上。同时，蓝光光子和下转换的红光光子的互补发射光谱有助于改善白光PeLED，使其具有超过12％的外部量子效率和大约2,000 cd m-2的亮度，这代表了这个领域最新技术结果。相关论文以题为“Utilization of Trapped Optical Modes for White Perovskite Light-Emitting Diodes with Efficiency over 12%”发表在Joule。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435120306073
白光发光二极管（LED）是照明和显示应用中的重要元件，它们在我们的日常生活中消耗了大量的能量。因此，高效的白光LED对于节能和减少碳排放很重要。金属卤化物钙钛矿LED（PeLED）具有成为下一代照明技术的巨大潜力，红光和绿光LED的外部量子效率（EQE）从不到1％提高到20％以上，蓝光LED提高到了12％以上。然而，随着效率接近理论极限，基于光学模型，PeLED的光提取效率（LEE）通常低于20％，成为限制其进一步发展的主要问题之一。另外，将不同颜色的PeLED集成到白光PeLED（WPeLED）中也是该领域的另一个巨大挑战。
到目前为止，基于串联结构的全钙钛矿白光LED和稀土离子掺杂钙钛矿白光LED的发光效率分别只有0.2%和1.2%。因此，迫切需要开发新的策略来改善PeLED的LEE，同时实现白光发射，如果同时解决这两个挑战，将具有极大的优势。在PeLED中，发射层中产生的光会在设备内引发一系列光学模式，包括波导模式，表面等离振子极化（SPP）模式，衬底模式和外耦合模式。
通常，只有外耦合模式（<20％）对LEE起作用，而SPP模式（20％–30％），波导模式（20％–30％），衬底模式（10％–30％）和寄生吸收（<10％）在器件内消耗。在商用LED中，通过在封装期间在基板侧形成环氧光学透镜来有效地抑制基板模式，并且对于白光发射，通常将荧光粉分散在环氧透镜中以转换来自蓝光芯片的光子。还开发了其他策略，例如通过光刻形成功能性阵列或光栅，以改善波导和SPP模式的提取。但是，由于设备结构和制造工艺不同，这些发达的方法可能不一定适用于PeLED。因此，开发了新方法，例如引入表面纹理，光子晶体和钙钛矿纳米光子线阵列，以改善PeLED的波导模式提取。尽管如此，开发一种更简单且具有成本效益的方法以同时有效地提取波导和SPP模式以进一步改善LEE和PeLED的性能仍然至关重要。
图1. 波导模式，SPP模式及其在PeLED中的用途。（A）分别由倏逝波1和2诱发的两种类型的SPPs (Kretschmann和dotto类型)示意图。kx1和kx2分别代表TPBi/金属电极和TPBi/钙钛矿界面在x方向上的倏逝波的波矢量，而kSPP1和kSPP2代表在空气/金属电极和TPBi/金属电极上的SPP的波矢量。（B）本文开发的最佳WPeLED的截面扫描透射电子显微镜（STEM）图像，以及显示WPeLED的金属电极侧呈现的三种不同光学效应的示意图。
图2.天蓝色PeLED和WPeLED的设备属性。（A）25个天蓝色PeLED和WPeLED的统计EQE。（B）最佳WPeLED及其天蓝色对应物的电流密度-EQE曲线。（C）最佳WPeLED及其天蓝色对应物的J-V曲线和亮度-电压曲线。在各种施加电压下，WPeLED的CIE坐标中的（D）EL光谱以及（E）x（CIEx）和y（CIEy）值。（F）WPeLED的CIE坐标和点A（0.29，0.34），B（0.33,0.33）和C（0.37，0.32）代表3种具有不同厚度的红色PeNC层的设备。插图是WPeLED的照片（B点）。（G）WPeLED及其天蓝色对应设备的设备寿命。（H）15个WPeLED的统计EQE与上层LiF层的厚度之间的关系。
图3. PeLED的设备架构和PeLED中不同光学模式的功率分数。（A）天蓝色PeLED。（B）WPeLED 1。（C）WPeLED 2。
总之，通过利用在TIR和SPP条件下产生的渐逝场，作者开发了一种用于高效WPeLED的简单器件结构。利用光子隧穿，倏逝波吸收和SPP吸收的近场效应，将波导和SPP模式中捕获的蓝光光子提取到红光钙钛矿荧光层，然后将其转换为红光光子。此外，这种倏逝场的纳米级控制还使LEE和EQE从蓝色到白色的器件提高了50％以上，并且还增强了器件的稳定性。12.2％的高EQE和2,000 cd m-2的高亮度都代表了迄今为止最有效的WPeLED，在WPeLED领域树立了里程碑。（文：无计）