纳米级工程的进步使我们更接近于释放钙钛矿发光二极管在未来照明和显示应用中的全部潜力。
在撰写这篇社论时，距离我们首次发布室温钙钛矿发光二极管（PeLED）的演示已经过去了整整十年1.2014 年，我们的审稿人给我们留下了一个问题，“PeLED 未来是否有可能得到实质性改进？”，因为没有明确的途径将效率从已证明的 0.1% 的外部量子效率 （EQE） 提高到与其他新兴发光技术竞争的水平。十年后，我们越来越接近这个问题的答案。
钙钛矿材料的持续发展，如缺陷钝化多晶薄膜、配体工程纳米晶体和异维结构，将PeLED的EQE推高到20%以上，在短短十年内提高了数百倍。再加上溶液处理光电器件的进步，这一快速进展强调了钙钛矿LED如何作为传统照明和显示方法的令人兴奋的替代品而大放异彩，提供更高的能源效率以及广色域、高色彩纯度照明和显示的能力。
图片来源：贾斯汀·莱恩 （Justin Lane） 在 Unsplash 上拍摄的照片
目前，钙钛矿材料的主要商业化途径是光致发光型器件中的颜色转换层和电致发光型LED中的发光器。无论哪种情况，主要的研发障碍都与材料效率有关，特别是在蓝光发射方面，以及与商业有机LED（OLED）相比，材料的稳定性。最近的一篇综述侧重于通过研究管理光提取的设计策略和方法来提高 PeLED 的光输出耦合效率2.赵宝丹等人从材料和光学结构设计的角度讨论了本征和外在光学性质。在本期《自然纳米技术》中，我们介绍了学术界为提高PeLED性能而采取的研究方向的典型例子。我们继续见证纳米级的理解，无论是在界面结构设计还是光学微腔结构中，如何影响器件的性能。
为了使用钝化策略减轻陷阱诱导的吸收和损失，Hongjin Li等人在他们的文章中采用酸介导的合成来稳定超小钙钛矿量子点，例如纳米表面重建。施加的酸增强了缺陷形成能量，形成的纳米表面抑制了缺陷主导的离子迁移和光致发光降解。在 650 nm 以下实现了 28.5% 的高峰值 EQE，这是纯红色钙钛矿 LED 的记录，同时具有良好的亮度和光谱稳定性。概念验证有源矩阵 PeLED 显示器进一步展示了通过解决方案工艺集成 PeLED 和薄膜晶体管电路的实际潜力。此外，这种纳米表面重建可以扩展到具有超小钙钛矿量子点的蓝光LED，表现出改进的蓝光发射。
对于绿色发射，Hyeon-Dong Lee等人在他们的文章中，使用混合串联PeLED的光学模拟发现了一种定义的微腔结构。通过微调电荷传输层的厚度，它们在混合串联谷的中心实现了电荷平衡器件结构，从而实现了 37.0% 的显着 EQE 和高颜色纯度。这种类型的串联器件涉及将溶液处理的胶体纳米晶体PeLED与真空沉积的OLED分层。与钙钛矿/硅串联太阳能电池类似，串联器件结构的结合也被认为是PeLED商业化路线图的下一个潜在步骤。利用成熟的OLED制造工艺，制造了一种高效的柔性显示器，这在本期的封面图片中有所介绍。
但是，商业化的道路也铺平了其他障碍，包括开发具有成本效益的大规模制造工艺，高质量材料的可重复合成，防止环境退化的封装，特别是替代有毒元素。虽然镯基PeLED具有优异的光电性能，但与铅暴露相关的环境和健康危害对其商业化构成了挑战。Sn在钙钛矿结构中显示出作为Pb替代品的潜力;然而，由于钙钛矿微晶内的缺陷和晶界处存在严重的非辐射复合，Sn PeLED的EQE明显落后于Pb的EQE。
为了获得高质量的Sn钙钛矿材料，采用传统的外延生长方法，通过多个步骤精确控制晶体组装。在他们的文章中，Hao Min等人采用了一种更方便的旋涂工艺，从而简化了高质量Sn PeLED钙钛矿薄膜的制备。利用添加剂策略来修改前驱体溶液，可以在旋涂过程中逐步结晶，从而实现钙钛矿薄膜的原位外延生长。薄膜的纳米结构由二维钙钛矿层和三维钙钛矿层组成，高度有序，界面明确，使非辐射复合最小化。峰值 EQE 达到 11.6%，是 Sn 钙钛矿 LED 中效率最高的产品之一。
纳米级工程有助于突破钙钛矿LED技术的界限，从而控制界面和量子约束效应，从而提高器件的整体性能。我们很高兴能够在十年前开始的 PeLED 商业化之旅中发表重大进展并发表批评意见。
Perovskites light a path forward. Nat. Nanotechnol. 19, 579 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01688-0
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