研究背景
在發(fā)光二極管（LEDs）中，構(gòu)建平衡的電子和空穴注入的小注入勢(shì)壘是廣泛公認(rèn)的關(guān)鍵。然而，在基于金屬鹵化物鈣鈦礦的高效LED中，通常會(huì)觀察到一個(gè)看似較大的空穴注入勢(shì)壘。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，瑞典林雪平大學(xué)高峰團(tuán)隊(duì)在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Surfactant-induced hole concentration enhancement for highly efficient perovskite light-emitting diodes”的最新論文。本文通過(guò)一種由表面活性劑引起的效應(yīng)來(lái)解釋這種高效率，其中空穴濃度在鈣鈦礦表面得到增強(qiáng)，從而能夠與注入的電子充分進(jìn)行雙分子復(fù)合。這一效應(yīng)來(lái)源于添加劑工程，并通過(guò)一系列光學(xué)和電學(xué)測(cè)量得到驗(yàn)證。 此外，能夠增加空穴濃度的表面活性劑添加劑還顯著提高了光致發(fā)光效率，這對(duì)于鈣鈦礦LED的高效運(yùn)行至關(guān)重要。我們的研究結(jié)果不僅為高效鈣鈦礦LED的制造提供了合理的設(shè)計(jì)規(guī)則，還為其他鈣鈦礦光電器件的設(shè)計(jì)提供了新的見解。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次提出了通過(guò)表面活性劑添加劑誘導(dǎo)空穴濃度增加來(lái)解釋鈣鈦礦LED（PeLED）中大空穴注入勢(shì)壘的現(xiàn)象，得到了較低的開啟電壓和高外部量子效率（EQE）。（2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)在鈣鈦礦表面增加空穴濃度，解決了大空穴注入勢(shì)壘仍能實(shí)現(xiàn)低開啟電壓和高效能的難題。研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑添加劑通過(guò)增強(qiáng)空穴濃度，顯著改善了器件的光致發(fā)光效率，達(dá)到了28.3%的最大EQE。（3）實(shí)驗(yàn)還通過(guò)一系列光學(xué)和電學(xué)測(cè)量表明，空穴濃度的增加不僅降低了開啟電壓，還優(yōu)化了電子傳輸材料的效能，進(jìn)而提高了LED的整體性能。（4）研究結(jié)果進(jìn)一步表明，空穴濃度的增強(qiáng)機(jī)制對(duì)其他LED技術(shù)同樣適用，尤其是那些依賴載流子濃度增強(qiáng)（如摻雜）的技術(shù)，為未來(lái)的鈣鈦礦和其他光電器件設(shè)計(jì)提供了新的方向。
圖文解讀
圖1: 鈣鈦礦發(fā)光二極管perovskite light-emitting diodes，PeLED器件性能。圖2: 通過(guò)添加劑工程，提高了鈣鈦礦膜中的空穴濃度。圖3: 提高鈣鈦礦發(fā)光產(chǎn)率的添加劑誘導(dǎo)空穴濃度。圖4: 空穴濃度增強(qiáng)與功率相關(guān)的光致發(fā)光PL強(qiáng)度和溫度相關(guān)的外量子效率external quantum efficiency，EQE。
結(jié)論展望
本文通過(guò)空穴濃度增強(qiáng)的機(jī)制，即使在存在較大空穴注入勢(shì)壘的情況下，依然能夠?qū)崿F(xiàn)低開啟電壓和高外部量子效率（EQE）。這一發(fā)現(xiàn)表明，優(yōu)化空穴濃度可以顯著提升器件的光致發(fā)光效率，并改善電子和空穴的復(fù)合效率，從而提高LED的整體性能。這一機(jī)制不僅適用于鈣鈦礦LED，也為其他光電器件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。其次，添加劑工程在提高空穴濃度方面展現(xiàn)了其強(qiáng)大的潛力，尤其是表面活性劑添加劑的使用，能夠有效調(diào)控表面空穴濃度，優(yōu)化器件的工作性能。此外，研究還表明，電子傳輸層的改進(jìn)與空穴濃度的優(yōu)化密切相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)高效PeLED時(shí)，除了優(yōu)化空穴注入，還需要重視電子注入材料的選擇。總之，本研究為高效PeLED的設(shè)計(jì)提供了新的理論基礎(chǔ)，并為其他鈣鈦礦光電器件的開發(fā)開辟了新的研究方向。 Qin, J., Zhang, J., Liu, X. et al. Surfactant-induced hole concentration enhancement for highly efficient perovskite light-emitting diodes. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02123-y
