化学“微调”让钙钛矿LED效率跃升至37%
化学家开发出一种方法，可显著提升钙钛矿发光二极管（LED）的性能。《自然》杂志刊登了这项混合LED研究进展，这类器件有望用于生物医学传感、低光成像和自动人脸识别等一系列场景。此前，钙钛矿LED的大多数研究取得的量子效率——也就是把电转化为光的能力——都在20%到30%之间。 \-eDNwJ:#@
xmp^`^v*
论文资深作者、埃默里大学化学教授 Letian Dou 说：“我们的发现让效率更接近40%。这是一次大跨越。”
wz1fl#WU
g*a|QBj%
论文第一作者 Sung-Doo Baek 说：“我们揭示了制造这些器件所用溶液中此前一直被忽视的隐藏机制。”他在 Dou 实验室做博士后时完成了这项工作。 Z7: TPY$b
*\4u :1Cu
[attachment=136197] gT8% ?U:
PeLED器件结构示意图 W{js9$oJ
这一认识让研究人员得以改进合成过程——提高一种能提升钙钛矿LED效率的化合物产率，同时抑制一种会损害效率的化合物生成。 f; Uf=.#F
$Il:Yw_
共同第一作者、Dou 实验室博士生 Yu-Ting Yang 说：“做这个项目时，我深刻体会到密切关注细节有多重要，最让我惊讶的是，哪怕一个看起来微不足道、你以为并不重要的细节，也可能产生如此大的影响。” S(MVL!Lm
( Ymj
从白炽灯到LED ^}\!Sn
tJgo% P1
Dou 此前在普渡大学，去年加入埃默里大学任教，担任 Paul and Phyllis Fireman 化学教授。他是利用化学设计半导体、改进光电器件和能源生产领域的领军人物。他拥有20项专利，其中5项涉及LED。 Z<M?_<3
Zwm2T3@e
Dou 解释说：“我们想找到低成本、更高效地产生光的方法。” BH+@!H3 hf
`Ir{ax&H.e
从2010年代开始，由氮化镓等无机半导体制成的LED开始在家庭中大量取代白炽灯泡。白炽灯泡通过加热金属灯丝发光，会浪费90%的能量。LED则让电流通过半导体材料激发电子，直接把能量转化为光。 b8$(j2B~
n k@e#
因此，无机LED只需8到10瓦，就能产生与60瓦白炽灯泡相同的光量。 s J~Wz Q
G
zw
$M
虽然无机LED高效、稳定、寿命长，但它们很难组装成大尺寸显示屏，也很难缩小到极小的像素。此外，它们质地刚性，更难融入柔性设备和其他一些应用。 .*acw
h|Os T
由有机分子制成的LED更薄、更柔韧、更易设计，也以在显示屏中呈现更鲜艳的色彩而闻名。但目前它们的生产成本更高，效率和耐久性也不如无机LED。 8/oO}SLF
yL.Z{wd
引领混合LED研究 z &@O\>Q
r)Dln5F
Dou 实验室的一个重点是由金属卤化物钙钛矿制成的混合LED——这种材料结合了有机和无机分子。他的实验室正致力于开发轻质、柔性、低成本、高耐用且能在近红外区高效工作的混合LED。近红外光刚好超出人眼可见范围。 i{. %4tA4
DuV@^qSbG.
“近红外LED有很多重要应用，”Dou 说。“比如手机的人脸识别功能。红外光可以避免一束蓝光直射眼睛。夜视摄像头也用它来监测婴儿睡眠。” $< QOMf Y>
oBqWIXM
红外光的另一个关键领域是生物医学。它更长的波长可以对组织进行清晰、无创的成像，应用范围从追踪免疫反应到检测异常组织细胞。 }US^GEs(
0'Y'K6hG`
在这篇论文中，Dou 实验室希望提升钙钛矿LED的效率，让它们更接近商业应用潜力。 ']cRSj.
"pLWJvj6-
实验室里的谜团 [<H'JsJl
$V?h68[c
制造钙钛矿LED时，金属卤化物盐和各种添加剂会被加热，溶解到溶剂中。 vD@ =V#T
C!%\cy%Xj
溶液在氮气手套箱内旋涂到基底上，形成超薄层。手套箱是一个密封、四壁透明的箱子，里面充满纯化氮气。它能保护材料免受氧气和水分影响。研究人员把手伸进连接在箱体上的手套中操作材料。 x.ZW%P1
&]xOjv/?
接下来，超薄薄膜被加热，使溶剂蒸发，让化学物质形成钙钛矿晶体结构。 /rQ[Ik$|
t7 ].33%\
在为实验和测试制造钙钛矿LED的过程中，Baek 注意到一件怪事。制造钙钛矿LED的基本配方包含一种2018年发现的添加剂，它能让LED的基线效率达到20%到25%。但 Dou 实验室做出来的一批却不知为何显示出约30%的效率。 -YD+x PD
(s?Rbd
这种差异从何而来？ Rz\:)<G
hI Q 2s
发现隐藏机制 ']]5xH*U
We51s^ (
首先，Baek 检查氮气手套箱，看是否有氧气泄漏进来。虽然氧气通常被认为对钙钛矿材料有害，但少数研究提示它有时可能有益。Baek 想知道这里是不是这种情况。 52H'aH O1
qzbpLV|
“结果证明这是条错误线索，”他说。 c@&-c [k^W
%40uw3
接着，他决定研究溶液中隐藏的化学过程。 %n7Y5|U h
k.MAX8
“没人知道溶液阶段发生了什么，”他指出。 byrK``f
~8#Ku,vEy
研究人员不断调整溶液配制、LED制造过程，并比较效率。 dY6A)[dAH'
pA| Z%aL
经过数月反复实验，他们发现溶液加热时间长短不同会导致效率变化。加热20分钟恰好是最佳点。 `mt. =d
,-[ e{=Cz
团队还进行了对比分析，以确定溶液阶段化学物质如何转变。他们发现，最佳加热条件有利于一种线性化合物形成，这种化合物能提升LED效率，同时抑制一种会损害效率的环状化合物生成。
Q+ tUxa+
czH`a=mjH
他们合成并纯化了这种线性化合物，还开发出一种靶向反应路径控制方法，以选择性地利用它的作用。结果将钙钛矿LED的效率进一步提升到37%的峰值。 CR KuN
qC;1ND
Baek 说：“这花了大量时间和精力，但最终回报值得。” NrTK+6 z
)4@La&
这项工作为一种新的化学驱动添加剂设计策略奠定了基础，有助于推动进一步改进。 "B 9aJo
72;4
Dou 说：“我们正努力继续提升钙钛矿LED的效率和运行寿命。” ud}B#{6
ESQgN+llj
他说：“我们也想通过展示这项技术在生物医学研究中的相关性，推动它走向应用”。并补充说他的实验室希望在埃默里大学医学院内部建立合作。 @2HNYW)
相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-026-11120-3
|