钝化多孔光管理结构解决了厚层钙钛矿二极管中发光与光伏性能之间的权衡问题

时间：2026年3月30日

来源：Joule

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本研究设计了一种嵌入多孔氧化铝岛层的金属卤化物钙钛矿二极管，优化了光管理结构。作为LED，厚度800 nm的钙钛矿层实现了31%的外量子效率及1200 W/m²亮度；作为太阳能电池，转换效率达27%。该结构通过抑制表面复合和增强光捕获/逃逸，解决了传统设计中LED与太阳能电池的结构冲突，同时提升了稳定性和制造可行性。

毛凯天|蔡凤春|瑞安·德克雷斯坎特|徐怀宇|孟宏伟|袁少杰|彭伟|唐连友|朱正杰|李铁强|陈伟伟|张金帅|冯星宇|范凤佳|迈克尔·D·麦吉希|徐继贤

中国科学院精密与智能化学重点实验室，能源转换材料国家重点实验室，国家同步辐射实验室，中国科学技术大学材料科学与工程学院，合肥230026，中国

摘要

我们提出了一种金属卤化物钙钛矿二极管，该二极管集成了嵌入式光管理结构，其特征是多孔的微米级氧化铝岛屿表面涂有钝化剂。这种结构克服了传统上用于发光二极管（LED）的超薄不连续钙钛矿层与光伏（PV）所需的厚吸收层之间的矛盾。通过强烈抑制表面复合，内部辐射效率超过了50%，从而实现了光子回收，使外部辐射效率提高了40%以上。波长级别的低折射率氧化铝岛屿进一步将进入逃逸锥的光子比例提高了一倍。作为具有800纳米厚钙钛矿层的LED，该器件的电致发光（EL）外部量子效率达到了约31%，辐射强度超过1,200 W Sr⁻¹ m⁻²——几乎是平面器件的10倍——并且由于低驱动电压，其电致发光能量转换效率达到了约32%。作为光伏电池，其功率转换效率达到了27%（经认证的稳定值为26.7%）。稳定的埋藏界面进一步确保了在高强度光伏和恶劣LED操作条件下的耐用性。

引言

用金属卤化物钙钛矿制成的发光二极管（LED）和光伏（PV）电池现在效率非常高，并且比任何其他类型的半导体（除了III-V族半导体，如砷化镓（GaAs））更接近其理论效率极限。²^,³^,⁴ GaAs LED和PV电池的历史表明，一个优秀的光伏电池也是一个优秀的LED，因为几乎没有非辐射复合现象。³^,⁴ 光子回收对于将GaAs PV电池的功率转换效率（PCE）从26%提高到29%至关重要。³ 去除大部分生长p-n结的晶圆，并实现高反射率的后电极，使得来自辐射复合的电子-空穴对的光子能够被重新吸收，从而为电极提供了更多的电荷载流子收集机会。⁴

为了进一步提高钙钛矿LED和PV电池的性能，需要高效的光管理策略来实现光子回收⁵，以及LED的光提取³和PV电池的光耦合⁶^,⁷。只有当内部辐射效率远高于50%时，光子回收才能显著提高器件效率。⁸^,⁹ 幸运的是，钙钛矿材料和表面钝化技术已经发展到可以实现这一效率的程度。¹⁰^,¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴^,¹⁵

将光子引导到所需方向也非常重要。在具有光滑界面和均匀折射率剖面的平面LED中，根据斯涅尔定律，只有大约1/2n^{2（n是材料的折射率）的光子会通过逃逸锥离开器件。⁸ 如果一侧有高反射率电极，从另一侧逃逸的光子比例约为1/n²。对于折射率为2.5的钙钛矿，这一比例仅为16%（见图S1）。在最高效的钙钛矿LED中，通过使用非常薄（约50纳米）的不连续钙钛矿层部分解决了这个问题，因为凹凸结构通过散射波导光子增强了光提取效果（见图S1）。¹^,¹⁶ 然而，在这些非常薄的器件中，光子回收的好处并未完全实现。⁸ 此外，由于这些薄器件中可能形成短路，因此在高产量制造方面可能存在挑战。¹^,¹⁵^,¹⁷^,¹⁸ 因此，对于LED来说，使用像PV电池中那样的较厚薄膜是可取的。适用于较厚薄膜的光提取策略是在器件中引入低折射率区域，以引导光进入逃逸锥。³^,¹⁹ 这种方法的一个挑战是引入不会阻碍电荷向电极传输的低折射率材料。}

在这项工作中，我们引入了一种静电共组装工艺，制备了涂有钝化剂的低折射率多孔微米级Al₂O₃纳米片（称为e-Al₂O₃，见图S1）。将这种结构嵌入钙钛矿器件中带来了多方面的改进：界面复合速度降低到1.4 cm s⁻¹，而未使用氧化铝的器件为20.2 cm s⁻¹，使用上一代Al₂O₃纳米片的器件为9.9 cm s⁻¹。²⁰ 体寿命增加到13.5 μs。这些改进使得内部辐射效率超过了50%，

η_{in}^{LED} ，这足以使我们的器件中的光子回收有效。此外，低折射率岛屿几乎将发射光子的逃逸概率

η_esc提高了一倍，显著提高了LED效率。当器件作为PV电池运行时，外部量子效率（EQE）测量显示，带边附近的吸收（光耦合）改善使得短路电流增加了0.3 mA cm⁻²。与传统的非多孔光输出器或散射体（如二氧化硅网格或聚苯乙烯球）¹⁹不同，微米级e-Al₂O₃岛屿内的多孔通道允许钙钛矿渗透到整个器件中，从而实现电荷向电极的传输。在具有厚（约800纳米）1.54-eV钙钛矿层的e-Al₂O₃结构二极管中，这些改进使得LED具有高电致发光（EL）EQE和外部辐射效率，

η_{ex}^{LED} ，约为31%，辐射强度超过1,200 W Sr

⁻¹ m⁻²，几乎是平面器件的10倍。此外，其低驱动电压（低于带隙）使得电致发光能量转换效率（ECE_EL）达到了约32%，远高于最佳报道的超薄（<50纳米）几何结构的钙钛矿LED的典型值25%。当作为太阳能电池运行时，其功率转换效率达到了27%，经认证的稳定值为26.7%。过去，钙钛矿LED和PV电池的设计方式截然不同。本研究中展示的钙钛矿二极管是首次在LED和PV电池方面都表现出创纪录的性能。它们使得器件可以同时用于两种用途，例如在不使用时能够自充电的显示器。此外，它们挑战了钙钛矿LED和PV电池的传统设计范式，解决了钙钛矿光电子学中的关键结构冲突。

章节摘录

嵌入式e-Al₂O₃结构的实现

之前，我们已经证明使用氧化铝纳米颗粒形成的纳米级岛屿可以减少钙钛矿与电极的接触面积，从而减少表面复合。²⁰ 这种策略还提高了钙钛矿的材料质量，降低了体复合速率。本研究的目标之一是通过用已知能够钝化钙钛矿表面的分子处理氧化铝表面来进一步减少表面复合。第二个目标是

材料

溴化铅（PbBr₂）、氯化铅（PbCl₂）、碘化铯（CsI）、甲醇、氯苯（CB）、2-丙醇（IPA）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，无水）、二甲基亚砜（DMSO，无水）、氟化镁（MgF₂）和三辛基膦氧化物（TOPO）均从Sigma Aldrich购买。碘化甲酰胺（FAI）和溴化甲基铵（MABr）从Greatcell Solar购买。氯化甲基铵（MACl）从Alfa Aesar购买，并在使用前用乙醚重新结晶。

联系人

有关资源和材料的更多信息及请求请联系联系人徐继贤（jixianxu@ustc.edu.cn）。

材料可用性

本研究没有生成任何新的、独特的材料。

数据和代码的可用性

评估论文结论所需的所有数据均包含在论文或补充材料中。所有数据可在合理请求下从相应作者处获得。

致谢

本出版物部分基于以下项目的支持：国家关键研发计划（编号：2024YFB3817303）、国家自然科学基金（编号：52525210）、安徽省产业创新项目（编号：AHZDCYCX-LSDT2023-09）、中国科学院青年教师科研创新能力支持项目（编号：ZYGXQNJSKYCXNLZCXM-E15）、中国科学院战略性先导科技专项（编号：XDB1140000）、基础研究经费

作者贡献

J.X.构思并指导了这个项目。K.M.、M.D.M.、R.D.和J.X.审查了实验、分析了数据并撰写了手稿。所有作者讨论了结果并修改了手稿。K.M.和F.C.进行了器件和表征实验。H.M.、L.T.和T.L.协助进行了稳定性测量。Z.Z.、W.P.和X.F.协助制造和表征了器件。S.Y.协助进行了性能损失表征和分析。X.F.参与了扫描电子显微镜（SEM）的工作。