浙江大學狄大衛：有機與鈣鈦礦發光器件仍有很大提升空間

12 月 10 日 - 11 日，由浙江省委人才辦、紹興市委市政府、《麻省理工科技評論》主辦的全球青年科技領袖峰會暨《麻省理工科技評論》中國 「35 歲以下科技創新 35 人」 頒獎典禮在紹興上虞舉行。「35 歲以下科技創新 35 人」 2020 年中國榜單正式發布。

在現場，浙江大學光電科學與工程學院研究員、博士生導師、2019 年度《麻省理工科技評論》全球 「35 歲以下科技創新 35 人」 獲獎者狄大衛通過《探索下一代發光二極體》的主題演講，分享了在光電子器件領域的突破性研究，包括對有機分子發光過程的深入研究和鈣鈦礦 LED 的探索。

圖 | 狄大衛在全球青年科技領袖峰會現場分享

目前，有機發光二極體（OLED）被廣泛應用到了智慧型手機、高清顯示屏等終端領域，市場已經形成了每年高達千億美金的產業規模。但 OLED 無論是製造過程還是工作時對能源的消耗都需要繼續降低。

以對普通用戶來說最直觀的感受舉例，大屏幕、柔性屏雖然給用戶帶來了全新的體驗感，但也讓手機電池越來越 「脆弱」。

狄大衛表示，希望通過對光電子領域的深入研究，一方面幫助解決其對能源消耗的問題，另一方面能夠為未來資源的可持續發展創造空間。同時，他認為鈣鈦礦 LED 應用前景非常廣泛，未來發展空間巨大。此外，利用鈣鈦礦發光特性設計的疊層太陽能電池的理論效率可達 43%。

利用新型有機發光分子設計溶液法 OLED，外量子效率可達 27.5%

狄大衛介紹，太陽能電池與 LED 的工作原理是兩個互逆的過程，在理想狀態可以實現 「光轉電、電轉光」 的雙向互逆，但在實際的實驗室的論證中，這個情況並不是一定的。比如矽太陽能電池早已大規模應用，但矽不是一個很好的發光體，所以光轉電很容易，但是電轉光卻不太容易。

狄大衛說，在 OLED 中的光電轉化的過程主要受自旋態的作用主導，正負電荷在有機半導體裡面結合的時候會形成不同的自旋態，有些可以發光，但另一些則不能發光。

作為提升效率的方案之一，狄大衛在研究中利用了三重態聚變原理，讓兩個暗能態相撞產生亮能態，從而達到亮能態增多，暗能態減少的目的，有效提高了電能到光能的轉化能效。

圖 | OLED 中的三重態聚變

「我們在 2017 年的時候發現三重態聚變在 OLED 裡面的效率高達 70%，可以將 70% 的不能發光的狀態變成發光的狀態。」 狄大衛說道。

另一方面，在研究光電轉化的過程中，狄大衛與劍橋大學、以及東英吉利大學的合作夥伴發現了一種新型有機發光分子 CMA，由於其特殊的分子結構，亮暗能態能量差降為零，幾乎 100% 的暗能態都能得到有效利用。他們基於這種分子設計了低成本溶液法製作的 OLED，可使外量子效率達到 27.5%，該研究創造了溶液法 LED 的世界記錄。

鈣鈦礦應用前景廣闊，鈣鈦礦 LED 內量子效率可接近 100%

狄大衛介紹，滷化物鈣鈦礦是在實驗室人工合成的新型半導體材料。具有低成本、易合成、生產所需能耗低、色彩覆蓋範圍廣、高亮度、發光純度高等特點，因此在發光與照明等領域具有潛在的應用前景。此外，鈣鈦礦已被證明是未來高效率太陽能電池的潛在材料。

資料顯示，2009 年，使用鈣鈦礦製作的太陽能電池僅有 3.8% 的太陽能轉化率。到了 2020 年，這一數字已經超過了 25%，與傳統晶體矽電池不相上下。鈣鈦礦 LED 是在 2014 年才發展起來的研究方向，最初的效率不到 1%，它的發展更為迅速。

2018 年，狄大衛與劍橋大學的合作者就提出了用鈣鈦礦和聚合物形成異質結構的概念，他們的研究結果顯示，這種鈣鈦礦 LED 的外量子效率超過 20%，更重要的是，其內量子效率可能接近 100%，這與高效 OLED 類似，該研究創造了當時的效率紀錄。

實驗中，狄大衛與合作者將器件界面的能量損失降到最低，並研究了鈣鈦礦內部的發光動力學過程。結果顯示，在等效於太陽光強度的外界光照下，鈣鈦礦的螢光量子效率可以高達 96%。

隨後，團隊又對鈣鈦礦 LED 最高效率做了理論模擬。「假設我們的鈣鈦礦 LED 和 OLED 是類似的光學模型，它的最高效率大概在 21% 左右，我們在實驗室中論證的效率是 20.1%，非常接近這個理論效率。當然還能夠通過改進器件設計來進一步提升效率。」 狄大衛表示。

實驗證明了鈣鈦礦 LED 和有機發光二級管 OLED 一樣，有著非常好的應用前景。但相比 OLED，鈣鈦礦 LED 的穩定性較差，效率上仍不理想。

對此，狄大衛還分享了鈣鈦礦 LED 的量子效率提升的兩種解決方案：

第一，通過光子回收實現效率提升。其團隊首次驗證了光子回收的過程。發現在一些自吸收比較強的體系中，光子回收效應比較顯著。計算與實驗表明，30-70% 的電致發光可能來源於光子回收，這為未來鈣鈦礦 LED 效率的進一步提升開闢了新的道路。

第二，界面調控實現效率提升。如果要真正將鈣鈦礦 LED 運用到顯示屏上，還存在一些其他問題，雖然高效率鈣鈦礦 LED 已經實現，但進一步的發展將受到器件結構的限制。通過引入一種氟化物界面，實現界面修飾，可以使效率顯著提升。他解釋道，「在氟化鋰界面上形成的鈣鈦礦材料具有更長的螢光壽命，界面能量損失更小，所以採用二維三維混合結構的綠光鈣鈦礦 LED，在較高亮度下也可以達到 19.1% 的效率。」

圖 | Nature Electronics 封面論文：基於氟化物界面的鈣鈦礦 LED

通過對鈣鈦礦發光的深入研究，狄大衛與合作者將其利用在提升太陽能電池的效率上，提出一種可溶液處理的新型疊層電池。通過將鈣鈦礦發光材料和膠體量子點相結合，實現太陽光的轉化效率的提升。

圖 | 鈣鈦礦 / 膠體量子點疊層太陽能電池

「其中一層電池材料吸收太陽光後，它會產生一些螢光，發出來的光子可以被另外一層太陽能電池材料吸收，這樣可以進一步提高電池的電流和電壓，所以理論效率可以達到 43% 左右。」 狄大衛補充稱。

儘管實驗早期數據很不理想，但狄大衛始終認為這種新型疊層太陽能電池是未來比較有趣的一個方向。他坦言，研究的過程不是只追求結果能不能用，更重要的是探索實驗過程中間發生了什麼，為什麼會發生，這也是科研人員最關心的問題。

2018 年從劍橋大學回國至今，狄大衛建立的光電子學研究組已經由最初的三個人發展成了二十多人的團隊。狄大衛透露，未來團隊會進一步探索新發光器件和發光原理，包括對於一些光電轉換的新理論和器件結構的嘗試和探索。