【引言】

金属卤化钙钛矿由于其自身优异的光电特性，被广泛应用到发光二极管（LED）领域。仅仅用了6年时间，红光和绿光钙钛矿LED的外量子效率（EQE）就从不到1%提高到超过20%，而蓝光钙钛矿LED的EQE也超过了12%。但相比于其他光色，白光钙钛矿LED的发展严重滞后，现阶段最高的EQE报道值为6.5%，依然有很大的提升空间。

另一方面，由于钙钛矿自身较大的折射率，往往导致其理论的光取出效率低下（< 20%），而其他光子以表面等离极化激元（SPP）模式（20%−30%），光波导模式（20%−30%），衬底模式（10%−30%）和寄生吸收（< 10%）被限制或消耗在器件内部，无法出射到远场。

在上述光学模式中，衬底模式在商业化器件中基本得到了解决，但SPP模式以及光波导模式在实际中难以被抽取利用（或需要引入微透镜和微阵列等结构，大幅提高了加工难度和成本），成为了制约LED效率的主要光学模式。因此，如何实现高效白光钙钛矿LED，以及如何有效提高器件的光取出效率成为了制约钙钛矿LED进一步发展的两大难题。

【成果简介】

近日，华南理工大学在Joule上发表了题为“Utilization of Trapped Optical Modes for White PerovskiteLight-Emitting Diodes with Efficiency over 12%”的论文（陈梓铭博士为共同第一作者兼共同通讯作者，黎振超博士研究生为共同第一作者，叶轩立教授为共同通讯作者），该研究同时解决了钙钛矿LED白光发射和光取出效率低下两大难题。

研究指出，通过减少蓝光钙钛矿LED的金属顶电极厚度，并在其上沉积一层红光钙钛矿纳米晶层，就可以实现红蓝两层钙钛矿之间的近场光学耦合。首先，由于钙钛矿较大的折射率，所产生的蓝光光子容易由于全反射而限制在器件内部，形成光波导模式。而全反射过程中所产生的倏逝波会进一步诱导金属表面SPP模式的形成。但由于全反射中的倏逝波以及SPP都属于倏逝场，其能量都能在近场范围内渗透到下一层介质，这为利用它们创造了条件。

红光层的存在可以通过光子隧道效应和倏逝波吸收来抽取受限蓝光光子，从而抑制光波导模式；另外，红光层也可以通过SPP吸收来抑制SPP模式。被红光层抽取后的蓝光光子会进一步下转换为红光光子而出射，大大提高了器件的光取出效率（超过50%），并实现了白光发射。

基于此器件结构的双色白光钙钛矿LED效率超过12%，三色白光效率超过5%，为现阶段效率最高的白光钙钛矿LED，填补了白光领域的缺口。

【图文导读】

图1 钙钛矿LED中光波导模式和SPP模式，以及他们的利用方式

(A) 左图为典型的倒装钙钛矿LED结构中的阴极部分，右二图为Kretschmann和Otto两种结构所产生的SPP

(B) 白光钙钛矿LED的器件结构和三种近场耦合效应（光子隧道效应，倏逝波吸收和SPP吸收）

图2 三种钙钛矿LED的器件结构和各自的光学模式占比模拟

(A)蓝光钙钛矿LED；

(B) WPeLED1（本工作的设计，红光钙钛矿纳米晶层在金属电极一侧）

(C) WPeLED2（商业化的LED结构，红光钙钛矿纳米晶层在衬底一侧）

图3 两种白光钙钛矿LED器件结构中的蓝光光子随时间的传播情况

(A) WPeLED1（本工作的设计，红光钙钛矿纳米晶层在金属电极一侧）

(B) WPeLED2（商业化的LED结构，红光钙钛矿纳米晶层在衬底一侧）

图4 天蓝光和双色白光钙钛矿LED的性能表征

(A) 天蓝光和白光钙钛矿LED的效率分布

(B) 最高效的天蓝光和白光钙钛矿LED的EQE−电流密度曲线；

(C) 最高效的天蓝光和白光钙钛矿LED的电流密度−电压和亮度−电压曲线

(D) 白光钙钛矿LED在不同电压下的EL光谱

(E) 白光钙钛矿LED在不同电压下的CIE坐标

(F) 标准白光（0.33,0.33）钙钛矿LED的图片和CIE

(G) 天蓝光和白光钙钛矿LED的寿命

(H) 不同上层LiF厚度的白光钙钛矿LED的EQE

图5 白光钙钛矿LED的光谱稳定性和光学分析

(A) 在恒定电流密度下（1.25 mA cm-2）双色白光钙钛矿LED的EL光谱

(B) 在恒定电流密度下（1.25 mA cm-2）双色白光钙钛矿LED的CIE

(C) 各光学模式及近场效应对红光钙钛矿纳米晶光场的贡献

图6 纯蓝光和三色白光钙钛矿LED的性能表征

(A) 纯蓝光和三色白光钙钛矿LED的器件结构

(B) 纯蓝光和三色白光钙钛矿LED的效率分布

(C) 最高效的纯蓝光和三色白光钙钛矿LED的电流密度−电压和亮度−电压曲线

(D) 最高效的纯蓝光和三色白光钙钛矿LED的EQE−电流密度曲线

(E) 三色白光钙钛矿LED在不同电压下的EL光谱

(F) 三色白光钙钛矿LED在不同电压下的CIE坐标

(G) 准标准三色白光（0.34,0.32）钙钛矿LED的CIE

【小结】

本工作通过合理的半透明白光钙钛矿LED的设计，成功地利用了光子隧道效应，倏逝波吸收和SPP吸收三种方式对红蓝钙钛矿层进行了近场光学耦合，实现了对蓝光器件中受限光学模式的抽取及利用。

基于该策略，本工作实现了现阶段效率最高的白光钙钛矿LED（双色白光EQE > 12%，三色白光EQE > 5%），填补了白光钙钛矿发光领域的空缺。

最后，该器件设计思路可兼容到其他类型的白光LED器件设计上（如有机和无机LED，量子点LED等），有利于整个白光LED领域的发展。