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。

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。”

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。

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。

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。”

从白炽灯到LED

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。

Dou 解释说：“我们想找到低成本、更高效地产生光的方法。”

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。

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。

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。

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。

引领混合LED研究

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。

“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。”

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。

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。

实验室里的谜团

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。

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。

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。

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。

这种差异从何而来？

发现隐藏机制

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。

“结果证明这是条错误线索，”他说。

接着，他决定研究溶液中隐藏的化学过程。

“没人知道溶液阶段发生了什么，”他指出。

研究人员不断调整溶液配制、LED制造过程，并比较效率。

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。

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。

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。

Baek 说：“这花了大量时间和精力，但最终回报值得。”

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。

Dou 说：“我们正努力继续提升钙钛矿LED的效率和运行寿命。”

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。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41586-026-11120-3