Adv. Mater. 综述：四大方面介绍钙钛矿发光领域的研究进展

【引言】

金属卤化物钙钛矿是近几年来发展起来的一类具有良好磁、电和光学性能的重要材料，并在太阳能电池、发光二极管（LED）、激光器、光催化等方面得到广泛应用。尤其在太阳能电池领域，短短几年内，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率从最初的3.8%达到23.3%，与商业化的晶硅太阳能电池相当，在2013年被Science评为“十大科学进展之一”。
与钙钛矿太阳能电池相比较，发光二极管的研究进展较缓慢，在过去3年中，钙钛矿型LED的外部量子效率（EQE）从0.0125%提高到10%以上，在近红外和绿光区域EQE最高分可达12% 和14%，器件颜色纯、亮度高、迁移率高。目前钙钛矿LED发展存在的挑战主要是：需要进一步提高器件效率，以期超过有机发光二极管（OLED）和无机量子点LED（QLED）；器件稳定性问题亟待解决。

【成果简介】

近日，加拿大多伦多大学教授Edward H. Sargent（通讯作者）等人从金属卤化物钙钛矿的类别（杂化钙钛矿、低维钙钛矿、钙钛矿纳米晶）、钙钛矿发光的光物理过程、改善钙钛矿发光的策略、钙钛矿LED面临的挑战四个方面综述了当前钙钛矿发光领域的研究进展，建立了材料特性、光物理和光谱特性与器件性能之间的联系，并对基于钙钛矿LED的制备技术进行了展望。相关成果以题为“Perovskites for Light Emission”发表在Adv. Mater. 上。

【图文导读】

图一 能带和激子工程中钙钛矿结构的调控

(a) 通过卤素交换和维度工程调控钙钛矿带隙示意图；
(b) 三维钙钛矿晶体结构；
(c) 钙钛矿纳米晶的配体设计；
(d) MAPbI3的高分辨透射电子显微图像。

图二 钙钛矿中的光物理

(a) 激子结合能和PL发射波长均随层数的增加而减小。；
(b) 光激发后发生的光物理过程，其中俄歇复合和其他非辐射复合与光致发光竞争。

图三 低维钙钛矿中的能量传输设计

(a) 低维钙钛矿PEA ₂(MA)_n−1 PbnI_3n+1的PL和瞬态吸收光谱；
(b) 低维钙钛矿的能量传递机制；
(c-e) 以低维钙钛矿为活性层的发光二极管性能；
(f-h) 低维钙钛矿中能量传输的调控设计。

图四 用于发光的杂化钙钛矿

(a) 钙钛矿基体中引入发光材料，不影响光电激发和辐射复合；
(b) 钙钛矿中引入PbS胶体量子点，PLQY和电荷传输同时得到优化，创造电致发光效率记录；
(c) Cs₄PbBr₆微晶中嵌入钙钛矿量子点，最终在520 nm处获得了90%的PLQY。

图五 钙钛矿LED结构和性能

(a, c, f) 钙钛矿LED结构示意图；
(d, g) 器件截面SEM；
(b, e, h) 器件性能。

图六 电子、空穴注入层及其相应红、绿、蓝钙钛矿LED的性能

(a) 钙钛矿LED工作原理示意图；
(b, c) 不同带隙的钙钛矿可选用的电子、空穴传输层；
(d) 钙钛矿型LED器件外量子效率图。

图七 钙钛矿LED器件的恶化途径

钙钛矿活性层直接降解的途径包括产生超氧物导致分解、水分诱导分解以及相分离自发分解；电子、空穴注入层通过与迁移离子电化学反应发生降解。掺杂物的迁移以及氧气和水分对钙钛矿的渗透是稳定性的主要限制因素，凸显了化学惰性封装的重要性。

【展望】

金属卤化物钙钛矿结构的多样性及其优异的光电性质，引起了研究人员的广泛关注，非常适合作为下一代发光材料。钙钛矿成分设计、表面和结构工程使钙钛矿发光二极管的效率迅速提高，当前报道的高外量子效率主要集中于近红外和绿光钙钛矿LED，然而高效的蓝光钙钛矿LED仍然是一个挑战。与QLED和OLED等技术相比，目前钙钛矿LED的工作稳定性很低。低维钙钛矿因其优越的稳定性和高度的可调谐性，为克服这些限制提供了一条很有前途的途径。

文献链接: Perovskites for Light Emission（Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201801996）

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