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破紀錄！鈣鈦礦量子點研究又有新進展！

先豐納米 2024-06-18 | 閱讀：1054

2009年，日本科學家宮坂力等人首次報道了利用鈣鈦礦材料（如CH3NH3PbI3）制備的高效率鈣鈦礦太陽能電池，之后引起了廣泛的關注和研究。在鈣鈦礦材料的研究中，鈣鈦礦量子點是一個重要的分支。鈣鈦礦量子點具有較小的尺寸和量子限效應，在光電應用中具有更好的性能。

此外豐富的表面使得性能可調控范圍大幅增加，許多新穎的光學、電學性能等應運而生。科研機構和企業都在致力于開發高效、穩定和可大規模制備的鈣鈦礦量子點材料，以推動其在光電領域的應用。

本期分享的3篇鈣鈦礦量子點的研究中均取得了新進展，一起看下~

Nature

長程有序讓鈣鈦礦量子點LED的穩定性提升100倍

金屬鹵化物鈣鈦礦膠體量子點具有出狹窄的FWHM(<30nm)，在紅色波長中產生的外部量子效率EQEs高達25.8%，FWHM約為30nm。然而，這種高的EQE是在小于10cdm?2的亮度下實現的，而實際應用（手機或計算機屏幕）通常需要高達1,000cdm?2的亮度。迄今為止，鈣鈦礦LEDs在初始亮度為1,000cdm?2時的工作半衰期到被限制在幾分鐘內，阻礙了其在顯示器中的商業應用。

2024年5月8日，Nature在線報道了一種協同雙配體方法來實現穩定的紅色鈣鈦礦LEDs。研究人員使用富碘劑(AnHI)進行陰離子交換和鈍化全無機CsPbBr3量子點，并使用化學反應劑(溴三甲基硅烷;TMSBr)調節大小和表面配體的長程順序。

TMSBr的液體性質確保了與表面友好的非極性溶劑的混溶性，并與質子試劑(親核反應)在溶液中產生強酸(HBr)，這種強酸可以原位溶解較小的量子點以調節尺寸，并更有效地去除不導電的配體，從而實現致密、均勻和無缺陷的薄膜。

這些薄膜具有高電導率(4×10?4S/m)，比對照高2.5倍，是迄今為止鈣鈦礦量子點中記錄的最高電導率。高導電性確保了高效的電荷傳輸，這種鈣鈦礦量子點制成的紅色鈣鈦礦LED在亮度為1,000cdm?2時實現了創紀錄的2.8V低電壓和高工作穩定性：在1,015cdm?2時T90為500分鐘。

此外，在EQEs超過20%的情況下，該操作裝置的穩定性比以前的紅色鈣鈦礦LEDs高出100倍。

文獻名稱：Long-range order enabled stability in quantum dot light-emitting diodes

鏈接：DOI: 10.1038/s41586-024-07363-7

新紀錄！藍光鈣鈦礦量子點發光二極管

目前綠光和紅光鈣鈦礦QLEDs的外部量子效率EQE已經超過26%，但是藍光鈣鈦礦QLEDs的性能遠落后于綠光和紅光鈣鈦礦QLEDs。

藍光鈣鈦礦QLEDs器件性能低的主要原因是：一方面是藍光鈣鈦礦QDs表面未配位Pb形成的深缺陷會帶來嚴重的非輻射復合，阻礙了器件效率的進一步提高。另一方面，藍光鈣鈦礦QDs的深的價帶最大值(VBM)會在QDs和空穴傳輸層(HTLs)間形成大的注入勢壘，從而導致QDs層中載流子注入的不平衡，進而降低了QLEDs的效率和穩定性。

因此，為了實現藍光QLEDs中高效的激子輻射復合，迫切需要開發同時鈍化藍光QDs缺陷和優化器件載流子注入平衡的策略。

2024年4月17日，Advanced Materials報道了研究人員從QDs材料優化和器件設計出發，構筑了高效的藍光鈣鈦礦QLEDs，在發射光譜490 nm處實現了高達23.5%的EQE，這也是目前藍光鈣鈦礦LEDs領域報道的最高EQE。

這一藍光鈣鈦礦QLEDs效率記錄的突破是結合了CsPbCl3-xBrx QDs的表面鈍化和合理的器件結構設計而實現的。在QDs材料鈍化方面，引入三氟羧酸根（TFA-）來調控QDs的復合行為，發現TFA-能夠與CsPbCl3-xBrx QDs表面未配位的Pb產生強的相互作用，有望鈍化量子點的表面缺陷。鈍化后，藍光QDs表現出高效的激子輻射復合行為，其光致發光效率（PLQY）達84%，遠高于鈍化前QDs的43%。

在器件設計方面，通過在聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-共-(4,4′-(N-(4-仲丁基苯基)二苯胺)]（TFB）中引入小分子三(4-咔唑-9-基苯基)胺（TCTa），提出混合型空穴傳輸層（M-HTL）的設計思想，以提升的空穴注入效率和傳輸能力；相比純的FTB，M-HTL顯著提升了器件的空穴注入能力和平衡了器件的載流子平衡。更重要的是，M-HTL展現出更優異的成膜性，顯著抑制了器件中的載流子泄漏也為高效QLEDs實現打下基礎。

該工作突破了藍光鈣鈦礦QLEDs 20%的EQE，顯著促進了鈣鈦礦QD在顯示領域的商業化進程。

文獻名稱：Boosting External Quantum Efficiency of Blue Perovskite QLEDs Exceeding 23% by Trifluoroacetate Passivation and Mixed Hole Transportation Design

DOI:10.1002/adma.202402325

鈣鈦礦量子點固體能帶工程助力高性能太陽能電池的研究

CsPbI3鈣鈦礦量子點（PQD）具有可調的表面化學性質、良好的溶液加工性和獨特的光物理性質，因此在下一代光伏領域具有很大潛力。然而，附著在PQD表面的殘留長鏈配體會嚴重阻礙PQD固體內部的電荷載流子傳輸，從而主要影響PQD太陽能電池（PQDSCs）的電荷提取。

2024年5月18日，Advanced Materials介紹了一種配體誘導的PQD固體能帶工程，以增加PQD固體的電荷載流子提取，從而實現高效太陽能電池。

在該項工作中，研究人員利用具有不同偶極矩的功能分子4-硝基苯硫醇（NO2-PhSH）和4-甲氧基苯硫醇（O-PhSH）調節PQD固體的能級。通過詳細的理論計算和系統的實驗研究，全面了解以PQD表面配體為主導的PQD固體的光物理性質。

結果表明，具有不同偶極矩的4-硝基苯硫醇和4-甲氧基苯硫醇分子可以通過硫醇基團牢固地錨定在PQD表面，從而調節PQD能級，并在PQD固體內部形成梯度帶結構。

此外，這些具有硫醇基團的功能分子還能通過Pb-S鍵有效地鈍化PQD的表面缺陷，從而顯著減少光誘導電荷載流子的陷阱輔助非輻射重組。因此，能帶工程PQDSCs的光伏性能得到了顯著改善，獲得了高達16.44%的PCE，是CsPbI3PQDSCs中效率最高的。該研究工作為通過PQDs配體工程來調整PQD固體的光物理特性提供了一條新途徑。

同時，該研究也為PQDs的功能配體篩選提供了重要見解和物理原理，從而控制PQDs表面化學，實現高性能光伏或其他光電器件。

文獻名稱：Band Engineering of Perovskite Quantum Dot Solids for High‐Performance Solar Cells

鏈接：DOI: 10.1002/adma.202404495

先豐納米鈣鈦礦材料匯總