近日，中国科学技术大学肖正国教授研究团队在提高钙钛矿发光二极管（LED）寿命方面取得了重要进展。他们提出了一种被称作“弱空间限域”的新方法，制备出了晶体颗粒更大、更耐高温的全无机钙钛矿薄膜，成功将LED亮度提高到116万尼特以上，使用寿命超过18万小时。6月11日，相关研究成果发表在《自然》期刊上。
不同空间限域的钙钛矿示意图
钙钛矿是一种性能优越的新型材料，具有高发光效率、成本低廉和制作灵活的优点，在太阳能电池、LED和探测器中应用前景广泛。然而，由于传统的钙钛矿材料中，电子和空穴（负责发光的电荷）难以有效碰撞发光，因此科研人员之前多采用“强空间限域”的方法——例如制作非常小的纳米颗粒或极薄的材料层，来提高发光效率。但这种方法的缺点是LED很难达到高亮度，而且使用寿命短，通常只能持续工作数小时，很难应用在实际生活中的产品中。
肖正国（左）与彭琛琛（右）讨论实验结果
为了解决这一难题，肖正国团队提出了一种完全不同的策略——“弱空间限域”。他们在钙钛矿材料里添加了特定的化合物，即次磷酸和氯化铵，通过高温退火工艺，制备出晶体颗粒更大、缺陷更少的新型钙钛矿薄膜。这种新材料内部更加有序，避免了传统方法制备出的小晶体所带来的缺陷问题，极大地提升了LED的稳定性和亮度。
研究表明，在效率方面，这种新型钙钛矿LED的发光效率超过22%，与商业化显示产品的发光效率持平。与目前市场上的主流商用OLED或LED屏幕相比，新型钙钛矿LED的极限亮度达到了116万尼特。人们日常使用的显示屏幕最高亮度通常在数千尼特以内，所以按照正常亮度100尼特计算，新型钙钛矿LED理论上能使用超过18万小时，已经达到商业化LED产品的广泛标准。
威格柔性太阳能电池产线
研究人员介绍，这项突破性技术不仅成功克服了以往钙钛矿LED在效率和稳定性上难以兼得的技术瓶颈，更有望在未来广泛应用于高端显示屏、超高亮度照明等领域，推动LED技术进入一个崭新的时代。
威格手套箱能够在钙钛矿研究中发挥重要作用，其专业的惰性气氛保护设备可保护钙钛矿材料，降低损耗并减少杂质，有效防止钙钛矿原材料的性能降低和污染问题，为研究员们产提供安全稳定的操作环境。团队合影该研究由中国科学技术大学物理学院博士研究生彭琛琛、姚海涛、Othman Ali、特任副研究员陈文静和复旦大学微电子学院杨迎国研究员共同完成，肖正国教授为通讯作者。