鈣鈦礦半導(dǎo)體LED實現(xiàn)接近100%的內(nèi)部發(fā)光效率 未來應(yīng)用前景看好

據(jù)外媒報道，研究人員新研發(fā)的基于鈣鈦礦半導(dǎo)體的LED刷新了新的效率記錄，可與最佳有機(jī)LED（OLED）媲美。

與廣泛用于高端消費電子產(chǎn)品的OLED相比，由劍橋大學(xué)的研究人員開發(fā)的基于鈣鈦礦的LED制造成本更低，并且可以調(diào)整為通過可見光和具有較高顏色純度的近紅外光譜發(fā)光。

研究人員對上述LED中的鈣鈦礦層進(jìn)行的研究設(shè)計，實現(xiàn)了接近100%的內(nèi)部發(fā)光效率，開辟了其在顯示器、照明和通信以及下一代太陽能電池等的未來應(yīng)用前景。

這些鈣鈦礦材料與那些用于制造高效太陽能電池的材料相同，有朝一日可以取代商用硅太陽能電池。雖然當(dāng)前已經(jīng)開發(fā)出了基于鈣鈦礦的LED，但它們在將電能轉(zhuǎn)化為光的過程中并不如傳統(tǒng)的OLED那樣有效。

早在四年前由劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室的Richard Friend教授帶領(lǐng)的小組開發(fā)的混合鈣鈦礦LED雖然很有前景，但是晶體結(jié)構(gòu)中的微小缺陷引起的鈣鈦礦層損失卻限制了它們的發(fā)光效率。而在日前，來自同一小組的劍橋研究人員及其協(xié)作者已經(jīng)表明，通過與聚合物一起形成的鈣鈦礦復(fù)合層，可以實現(xiàn)更高的發(fā)光效率，接近薄膜OLED的理論效率極限。他們的研究結(jié)果發(fā)表于自然子刊《Nature Photonics》雜志上。

該論文協(xié)作者之一的劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室的Dawei Di博士表示：“這種鈣鈦礦 - 聚合物結(jié)構(gòu)有效地消除了非發(fā)光性損失，這是第一次在基于鈣鈦礦的設(shè)備中實現(xiàn)這種性能。通過這種混合結(jié)構(gòu)，我們基本上可以防止電子和正電荷通過鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中的缺陷重新結(jié)合?！?/p>

用于該LED器件的鈣鈦礦 - 聚合物共混物，被稱為體異質(zhì)結(jié)構(gòu)，是由二維和三維鈣鈦礦成分和絕緣聚合物制成。當(dāng)超快激光照射在該類聚合物結(jié)構(gòu)上時，多對攜帶能量的電荷對以萬億分之一秒的速度從2-D區(qū)域移動到3-D區(qū)域：比LED中使用的早期層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)快得多。隨后，3-D區(qū)域中的分離電荷重新組合并發(fā)射出非常強(qiáng)烈的光。

Di表示：“由于從2-D區(qū)域向3-D區(qū)域的能量遷移發(fā)生得如此之快，而且3-D區(qū)域中的電荷與聚合物的缺陷隔離，這些機(jī)制可以缺陷的產(chǎn)生，從而有效防止能量損失?！?/p>

該論文的第一作者Baodan Zhao表示：“在與顯示器應(yīng)用相關(guān)的電流密度下，這些器件的最佳外部量子效率高于20%，創(chuàng)造了鈣鈦礦LED的新記錄，同時也與目前市場上最好的OLED的效率值相似?！?/p>

雖然這種基于鈣鈦礦的LED在效率方面能媲美OLED，但如果要在消費電子產(chǎn)品中廣泛采用，它們?nèi)孕枰玫姆€(wěn)定性。首次開發(fā)的鈣鈦礦LED只有幾秒的壽命。而通過目前的研究開發(fā)的LED具有接近50小時的半衰期，對于在短短四年內(nèi)實現(xiàn)的改進(jìn)是一個巨大的進(jìn)展，但仍未達(dá)到商業(yè)應(yīng)用所需的壽命，因此還將需要廣泛的工業(yè)發(fā)展規(guī)劃。Di指出：“了解該LED的退化機(jī)制是未來不斷改進(jìn)的一大關(guān)鍵?！?/p>