综述：大面积钙钛矿LED：从实验室规模的像素到可扩展的面板

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综述：大面积钙钛矿LED：从实验室规模的像素到可扩展的面板

时间：2026年2月3日

来源：Materials Today

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钙钛矿发光二极管（PeLEDs）实验室效率达30%以上，但扩展至厘米级面板面临薄膜不均、电极电流扩散和封装瓶颈。解决方案包括顶发射光学、串联结构、低温工艺，需突破规模化制备、精细图案化和面板级稳定性限制。

作者名单：华玉露、李迪、尹文旭、郭杰、李硕、周应通、张晓宇、郑伟涛

所属机构：教育部汽车材料重点实验室，吉林大学材料科学与工程学院；吉林省高效清洁能源材料国际合作重点实验室，长春130012，中国

摘要

钙钛矿发光二极管（PeLEDs）在实验室规模上的效率已能与现有发光器件相媲美，但将毫米级的像素转化为厘米至分米级的面板时，会遇到一系列瓶颈问题：薄膜形成的不均匀性、导体中的电流扩散限制以及封装带来的约束。本文综述了器件物理性质随面积变化的情况，总结了溶液法和真空沉积法的进展，并重点讨论了影响薄膜质量和器件性能的关键参数。短期内的发展机遇包括顶部发射光学结构、串联堆叠技术、耐用的天蓝色/深蓝色发光材料，以及适用于柔性光源的低温加工工艺。长期存在的瓶颈包括可扩展的精确制造技术、精细间距下的无损伤图案化技术，以及受导体电流扩散和封装限制的面板级稳定性。文中提供了从实验室到工厂的实现路径，并进行了制造和可持续性评估，为从突破性器件发展到可扩展、可靠的PeLED面板指明了方向。

引言

金属卤化物钙钛矿发光二极管（PeLEDs）的面积通常在几平方毫米（mm²）左右，自2014年首次实现室温下的发光以来，已经取得了显著进展[1]。它们的外部量子效率（EQEs）现已超过30%[2]–[6]，且具有狭窄的发射带宽，符合2020年色彩标准，成为下一代光电子器件的有力候选材料[7]–[12]。然而，当活性区域扩大到厘米级别及以上时，物理和工程方面的挑战也随之增加。

将PeLEDs从实验室规模（活性面积≤10 mm²）扩展到面板规模（活性面积>100 cm²）会改变主导的器件物理特性。首先，由于界面相互作用不均匀、溶剂残留物对结晶过程的影响以及干燥过程中的梯度变化，薄膜形成的不均匀性成为大规模生产中的固有问题，这也是大尺寸基底上薄膜厚度和光致发光不均匀性的主要原因[13]。其次，随着面板尺寸的增加，电极中的电流扩散会导致横向电压降和电流拥挤，从而需要更高导电性的导体或辅助网格结构[14]。第三，封装过程对面板性能有重要影响：钙钛矿材料需要具备极低的氧气/水分渗透性以及机械耐受性，但目前的封装技术和层压工艺仍难以同时实现OLED级别的低水蒸气透过率和大面积加工能力[15]、[16]。
1. 在面板尺度上，即使是微小的成核、干燥或厚度变化也会导致宏观上的亮度不均匀性。溶液法沉积（如旋涂、喷墨打印、刮刀涂布等）仍是制备钙钛矿发光层的主要方法，但这些方法的扩展面临诸多挑战：较大的薄膜形成区域更容易产生“咖啡环”效应（导致厚度和光学/电学不均匀性），尤其是在基于液滴的工艺中[18]；大面积去除残留溶剂变得更加困难；高沸点溶剂（如DMSO/DMF）会干扰结晶过程，降低发光效率和色彩纯度[19]；在扩展电荷传输层时，表面粗糙度和界面缺陷会增加载流子传输的复杂性[20]、[21]。因此，针对面积扩展的综述非常及时，也区别于一般的PeLED研究。
器件物理性质随面积变化的情况
1. 将PeLEDs从实验室尺度扩展到厘米至分米级别的面板时，光学、电学、热学和材料现象之间的平衡会发生根本性改变。在面板尺度上，由于可扩展涂层（如旋涂、刮刀/模孔涂布、喷墨/喷雾）导致的薄膜厚度和成分不均匀性，会转化为宏观的亮度差异，因为成核过程、干燥速率和残留溶剂的变化会改变局部折射率、腔体长度和陷阱密度。
大面积钙钛矿薄膜的制备技术
1. 高质量、大面积钙钛矿薄膜的制备对于推动PeLEDs向实际应用（如显示器和固态照明）发展至关重要，因为这些薄膜直接影响器件的效率、亮度均匀性和制造可扩展性。如图3和表1所示，通过刮刀涂布、模孔涂布、气体辅助快速冷却和条形涂布等技术，已经实现了超过80平方厘米（cm²）面积的均匀薄膜制备，以及效率超过23%的绿色PeLEDs[2b–c]。
薄膜制备中的挑战与解决方案
1. 随着可扩展制造技术的进步，大面积PeLEDs正逐步走向商业化。然而，各种沉积方法仍存在一些固有的障碍，如“咖啡环”效应、残留溶剂问题以及特定方法的技术限制。本节分析了这些问题的根本机制，确定了薄膜形成的关键参数，并提出了实用的优化方案。
大面积钙钛矿薄膜的评估方法
1. 商业化需要制备出具有高均匀性的大面积薄膜。评估不仅需要关注小尺寸器件所需的局部均匀性，还需涵盖多个长度尺度。我们提出了一种结构化的多尺度评估方法，将可观察的薄膜指标与传输过程、干燥过程和结晶机制联系起来，从而诊断制造问题、指导工艺优化，并为可扩展生产设定可靠的基准。
结论与展望
1. 随着PeLEDs从实验室规模扩展到厘米至分米级别的面板，其性能受到系统限制：光学提取效果需要在堆叠层面进行优化；电学不均匀性由电流扩散引起；耐久性取决于面板级别的封装质量。短期内，微腔顶部发射光学结构、串联堆叠技术和适用于柔性器件的低温加工技术是潜在的发展方向；而长期存在的瓶颈包括可扩展的精确制造技术、精细间距下的无损伤图案化技术，以及受电流扩散和封装限制的面板级稳定性。