測得高效率鈣鈦礦LED器件之三大技術關鍵

LED器件發光效率之戰,誰是贏家?

發光二極體 (LED)是取代傳統光源的主要替代方案,其中鈣鈦礦發光器件是引發新一代發光器件效率大戰的主要角色!
想要擠身進入發光器件領域核心,也不是那麼容易;然而,金屬鹵化物鈣鈦礦擁有以下超凡特點:螢光亮子效率(Photo-Luminescence Quantum Yield, PLQY)高、色純度高、顏色可調諧、以及可運用簡單的容易處理,製備成本低等特性,能在顯示幕幕和固態照明領域,呈現色彩更加鮮豔的效果,使得鈣鈦礦LED能正式挑戰有機發光二極體 (organic LEDs, OLEDs)、無機量子點發光二極體 (inorganic quantum dot LED, QLE)發光器件龍頭地位。

然而,相較已邁入商業化的OLED和QLED,由於鈣鈦礦LED穩定性差,其EQE效率遠低於OLED和QLED(最高EQE效率超過25%)。綠光鈣鈦礦LED目前報導最高外量子效率(EQE)為14.36%(由中科院半導體所 游經碧教授團隊提出:Efficient green light-emitting diodes based on quasi-two-dimensional composition and phase engineered perovskite with surface passivation.);紅光鈣鈦礦LED目前最高EQE為11.7 %(由南京工業大學先進材料研究院 黃維院士和王建浦教授團隊提出:Perovskite light-emitting diodes based on solution-processed self-organized multiple quantum wells.),鈣鈦礦LED在效率和穩定性還有很大的提升空間。

鈣鈦礦LED 效率曙光再現:EQE超過20 %

■     華僑大學魏展畫教授
與新加坡南洋理工大學熊啟華教授、加拿大多倫多大學Edward H. Sargent教授團隊,提出鈣鈦礦LED外部量子效率超過20%,為鈣鈦礦LED贏得一戰!(論文名為:Perovskite light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 20 percent.)

▲上圖:鈣鈦礦准核-殼結構成膜機制示意和發光特性(圖片摘自論文)

該團隊運用以下新策略:
• 精確調控MABr2劑量:實現鈣鈦礦層的組分分佈調控,獲得表面平整、光電性能優異的CsPbBr3@MABr殼核結構的鈣鈦礦薄膜。
• 在鈣鈦礦層和在電子傳輸層( electron- transfer layer, ETL)之間插入PMMA (poly(methyl methacrylate))絕緣層,進一步改善器件電荷注入平衡,最終獲得EQE效率20.3 %。
• 在100 cd m-2亮度下的半衰期T50 (定義為亮度降低到L0/2,所需時間約為10分鐘)。其穩定性在100 cd m-2亮度下的 T50 大約100h,已成功打破了世界紀錄。

▲上圖:在鈣鈦礦和ETL間插入薄的PMMA層增強鈣鈦礦LED器件的性能(圖片摘自論文)

■     西北工業大學柔性電子研究院黃維院士
與南京工業大學王建浦教授團隊,發表近紅外鈣鈦礦LED外量子效率20.7 %,在此為鈣鈦礦LED取得亮眼成績!(論文名為:Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures.)

▲上圖:亞微米結構形成示意圖(圖片摘自論文)

該團隊在鈣鈦礦發光層製備上提出新製備方法:
• 在鈣鈦礦前軀體加入一種胺基酸添加劑,使其基於自發形成亞微米結構( submicrometre-scalestructures)的鈣鈦礦LED。
• 此鈣鈦礦發光層是由分散的鈣鈦礦晶粒和嵌入在晶粒之間的低折射率有機絕緣層組成,可誘導鈣鈦礦結晶,形成低缺陷密度的高品質晶體,能有效提升器件的出光效率。
• 此鈣鈦礦LED器件具有良好的電荷遷移率(與有機發光體相比)和高校電荷注入;器件在18 mA cm-2電流密度下,最高EQE達到20.7 %。當輻照度達到390 W sr−1 m−2且在100 mA cm-2電流密度下,持續20小時效率才降低一半。

▲上圖:鈣鈦礦LED器件光電特性(圖片摘自論文)

您可能低估了鈣鈦礦LED 器件EQE效率!!!

鈣鈦礦LED器件的開發過程中,遇到最大的困難就是穩定性,以及研究人員可能不瞭解其製備的器件可達到的最高效率。

以下圖鈣鈦礦LED為例,當注入定電流到器件,隨時間測量其亮度的變化,在短短4秒內,亮度衰減超過20 %



因此,如何藉由效率量測系統,有效且準確地測量出鈣鈦礦LED器件最高轉換效率,絕對攸關鈣鈦礦LED器件發展的關鍵。

研究團隊指出鈣鈦礦LED效率測試的四大挑戰:
1. 低亮度、衰減快:<50,000cd/m2
2. 發光半寬(FWHM)窄:PVSK LED~50 nm
3. 非Lambertian分佈:cd/m2轉換EQE換算可能造成誤差大
4. 發光波長超過是函數波段,無法以光通量與輝度評價

從指標研究團隊的經驗,提出測得高效率鈣鈦礦LED器件之三大技術關鍵:
1. 測試速度決定器件效率:

光焱科技EnliTech LQ-100發光效率測試系統,擁有積分球系統的智慧曝光測試,鈣鈦礦LED器件EQE測量結果可提高超過20 %以上。



上圖:條件A呈現LQ-100智慧曝光時間控制(1毫秒~1秒/單點)
條件B為模擬邊輝度計測量時間(1秒/單點)
結論:以LQ-100系統的智慧曝光測試,鈣鈦礦LED的EQE量測結果可提高超過20 %。
2. 低亮度快速、準確測量能力
當低亮度(<50 cd/m2)的測試不準確,會造成低電壓時的EQE曲線亂跳;一來無法準確判斷器件的起始電壓,二則無法準確評價器件最高EQE效率。
因此,光焱科技LQ-100 具單光子偵測能力,可達0.1 cd/m2 輝度偵測(曝光時間<0.5 sec 內),確保器件啟動電壓的測量準確性(要求<0.1cd/m2),並可得完美的EQE曲線。
3. 需具備LED器件老化測試記錄功能
固定電流或電壓,測量器件亮度與發光效率等參數對時間的變化,亦為鈣鈦礦LED研發重點。

-->指標論文採用LQ-100測出鈣鈦礦LED最高EQE,前往瞭解更多LQ-100 發光效率量測系統之應用。


論文原文:
Perovskite light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 20 percent, Kebin Lin, Jun Xing, Li Na Quan, F. Pelayo García de Arquer, Xiwen Gong, Jianxun Lu, Liqiang Xie, Weijie Zhao, Di Zhang, Chuanzhong Yan, Wenqiang Li, Xinyi Liu, Yan Lu, Jeffrey Kirman, Edward H. Sargent, Qihua Xiong & Zhanhua Wei
Nature volume 562, pages245–248 (2018)

Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures, Yu Cao, Nana Wang, He Tian, Jingshu Guo, Yingqiang Wei, Hong Chen, Yanfeng Miao1, Wei Zou, Kang Pan,  Yarong He, Hui Cao, You Ke, Mengmeng Xu, Ying Wang, Ming Yang, Kai Du, Zewu Fu, Decheng Kong, Daoxin Dai, Yizheng Jin, Gongqiang Li, Hai Li, Qiming Peng, Jianpu Wang & Wei Huang
Nature volume 562, pages249–253 (2018)