Adv. Mater. 綜述：四大方面介紹鈣鈦礦發光領域的研究進展

【引言】

金屬鹵化物鈣鈦礦是近幾年來發展起來的一類具有良好磁、電和光學性能的重要材料，并在太陽能電池、發光二極管（LED）、激光器、光催化等方面得到廣泛應用。尤其在太陽能電池領域，短短幾年內，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率從最初的3.8%達到23.3%，與商業化的晶硅太陽能電池相當，在2013年被Science評為“十大科學進展之一”。
與鈣鈦礦太陽能電池相比較，發光二極管的研究進展較緩慢，在過去3年中，鈣鈦礦型LED的外部量子效率（EQE）從0.0125%提高到10%以上，在近紅外和綠光區域EQE最高分可達12% 和14%，器件顏色純、亮度高、遷移率高。目前鈣鈦礦LED發展存在的挑戰主要是：需要進一步提高器件效率，以期超過有機發光二極管（OLED）和無機量子點LED（QLED）；器件穩定性問題亟待解決。

【成果簡介】

近日，加拿大多倫多大學教授Edward H. Sargent（通訊作者）等人從金屬鹵化物鈣鈦礦的類別（雜化鈣鈦礦、低維鈣鈦礦、鈣鈦礦納米晶）、鈣鈦礦發光的光物理過程、改善鈣鈦礦發光的策略、鈣鈦礦LED面臨的挑戰四個方面綜述了當前鈣鈦礦發光領域的研究進展，建立了材料特性、光物理和光譜特性與器件性能之間的聯系，并對基于鈣鈦礦LED的制備技術進行了展望。相關成果以題為“Perovskites for Light Emission”發表在Adv. Mater. 上。

【圖文導讀】

圖一 能帶和激子工程中鈣鈦礦結構的調控

(a) 通過鹵素交換和維度工程調控鈣鈦礦帶隙示意圖；
(b) 三維鈣鈦礦晶體結構；
(c) 鈣鈦礦納米晶的配體設計；
(d) MAPbI3的高分辨透射電子顯微圖像。

圖二 鈣鈦礦中的光物理

(a) 激子結合能和PL發射波長均隨層數的增加而減小。；
(b) 光激發后發生的光物理過程，其中俄歇復合和其他非輻射復合與光致發光競爭。

圖三 低維鈣鈦礦中的能量傳輸設計

(a) 低維鈣鈦礦PEA ₂(MA)_n?1 PbnI_3n+1的PL和瞬態吸收光譜；
(b) 低維鈣鈦礦的能量傳遞機制；
(c-e) 以低維鈣鈦礦為活性層的發光二極管性能；
(f-h) 低維鈣鈦礦中能量傳輸的調控設計。

圖四 用于發光的雜化鈣鈦礦

(a) 鈣鈦礦基體中引入發光材料，不影響光電激發和輻射復合；
(b) 鈣鈦礦中引入PbS膠體量子點，PLQY和電荷傳輸同時得到優化，創造電致發光效率記錄；
(c) Cs₄PbBr₆微晶中嵌入鈣鈦礦量子點，最終在520 nm處獲得了90%的PLQY。

圖五 鈣鈦礦LED結構和性能

(a, c, f) 鈣鈦礦LED結構示意圖；
(d, g) 器件截面SEM；
(b, e, h) 器件性能。

圖六 電子、空穴注入層及其相應紅、綠、藍鈣鈦礦LED的性能

(a) 鈣鈦礦LED工作原理示意圖；
(b, c) 不同帶隙的鈣鈦礦可選用的電子、空穴傳輸層；
(d) 鈣鈦礦型LED器件外量子效率圖。

圖七 鈣鈦礦LED器件的惡化途徑

鈣鈦礦活性層直接降解的途徑包括產生超氧物導致分解、水分誘導分解以及相分離自發分解；電子、空穴注入層通過與遷移離子電化學反應發生降解。摻雜物的遷移以及氧氣和水分對鈣鈦礦的滲透是穩定性的主要限制因素，凸顯了化學惰性封裝的重要性。

【展望】

金屬鹵化物鈣鈦礦結構的多樣性及其優異的光電性質，引起了研究人員的廣泛關注，非常適合作為下一代發光材料。鈣鈦礦成分設計、表面和結構工程使鈣鈦礦發光二極管的效率迅速提高，當前報道的高外量子效率主要集中于近紅外和綠光鈣鈦礦LED，然而高效的藍光鈣鈦礦LED仍然是一個挑戰。與QLED和OLED等技術相比，目前鈣鈦礦LED的工作穩定性很低。低維鈣鈦礦因其優越的穩定性和高度的可調諧性，為克服這些限制提供了一條很有前途的途徑。

文獻鏈接: Perovskites for Light Emission（Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201801996）

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