中國(guó)科大在鈣鈦礦薄膜制備及發(fā)光器件研究中取得重要進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)院肖正國(guó)教授課題組與南京工業(yè)大學(xué)王建浦教授、王娜娜教授課題組合作，在鈣鈦礦薄膜制備及發(fā)光器件研究中取得重要進(jìn)展。鈣鈦礦材料因其優(yōu)異的光電特性在太陽(yáng)能電池、led、光電探測(cè)器等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。鈣鈦礦薄膜的成膜質(zhì)量和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)光電器件的性能起著至關(guān)重要的作用。該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)在鈣鈦礦表面形成的納米結(jié)構(gòu)，增加了光子在薄膜表面的散射，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦led器件效率極限的突破。相關(guān)成果以“overcoming the outcoupling limit of perovskite light-emitting diodes with artificially formed nanostructures”為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》上。

鈣鈦礦led具有發(fā)光波長(zhǎng)可調(diào)、發(fā)光半峰寬窄、易于制備等優(yōu)點(diǎn)，鈣鈦礦led的器件效率目前主要受限于光取出效率。因此，增加器件的光取出效率是一個(gè)非常重要的研究方向。在有機(jī)led以及量子點(diǎn)led中，一般需要額外的光提取層來(lái)增加光子的取出，如使用復(fù)眼透鏡陣列、仿生蛾眼納米結(jié)構(gòu)和低折射率耦合層等。然而，這些方法使得器件的制備過(guò)程更加復(fù)雜，增加了制造成本。

肖正國(guó)課題組報(bào)道了一種可以在鈣鈦礦薄膜表面自發(fā)形成紋理結(jié)構(gòu)的方法，通過(guò)增加薄膜表面光子散射提高鈣鈦礦led的光取出效率。在薄膜制備過(guò)程中，通過(guò)控制反溶劑在薄膜表面的停留時(shí)間，可以控制鈣鈦礦的結(jié)晶過(guò)程，從而得到有紋理結(jié)構(gòu)的表面。對(duì)于平均厚度為1.5 μm的薄膜，其表面粗糙度可以實(shí)現(xiàn)15.3 nm到241 nm的連續(xù)可控，霧度也相應(yīng)地從6%增加到90%以上。得益于薄膜表面的光子散射的增加，具有紋理結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦led的光取出效率，從平面鈣鈦礦led的11.7%增加到26.5%，對(duì)應(yīng)的鈣鈦礦led的器件效率也從10%顯著提高到20.5%。以上工作為鈣鈦礦光電器件提供了一種制備光提取納米結(jié)構(gòu)的新方法。具有微納結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦薄膜類(lèi)似于晶硅太陽(yáng)能電池中的絨面形貌，有望提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的光吸收效率和性能。

圖示：不同鈣鈦礦薄膜表面光子取出的示意圖（a）。不同反溶劑制備的鈣鈦礦led的光取出效率（b）以及器件效率（c）。

我校物理學(xué)院肖正國(guó)教授與南京工業(yè)大學(xué)王建浦教授、王娜娜教授為該論文的共同通訊作者。物理學(xué)院博士后陳文靜、碩士生陳甲、黃總銘以及南京工業(yè)大學(xué)博士生顧良慧為該論文的第一作者。本項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金、以及合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院的資助。

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（物理學(xué)院、科研部）