研究领域

1. 钙钛矿发光二极管

随着社会的进步和科学技术的快速发展,我国新型显示产业规模全球第一,成为继软件、集成电路之后的电子信息产业核心技术,市场巨大,是大国的必争之地。钙钛矿作为新兴的“明星”材料,具有发光光谱连续可调、半峰宽窄、显色色域广、可溶液法制备和成本低等优势,以其作为发光层的钙钛矿LED更是受到了广泛的关注,在新型显示和智能照明等方面具有广泛的应用前景。

课题组当前主要研究对象为铅基钙钛矿LED和锡基钙钛矿LED,今后将重点攻克以下技术难题,构建高效、稳定的钙钛矿LED器件,包括:(1)设计和调控钙钛矿组分,并致力于钙钛矿上下界面的修饰,进一步提升钙钛矿LED的发光效率;(2)通过表界面工程钝化缺陷,抑制离子迁移,提高钙钛矿LED的工作稳定性;(3)开发高效的蓝光钙钛矿LED;(4)重点提升近红外锡基钙钛矿LED的效率和稳定性,并将其应用于近红外成像、光通信、光探测等信息化领域。

在产学研方面,发光、近红外成像、光通信、光探测等应用可做产业转化。本课题组可以为企业提供发光材料及器件的制备及优化、应用方案和配置专门的研究生推进项目的进行,企业则负责封装为产业化产品,双方共同完成最终的测试和优化。

图1 发光二极管的器件结构及发光图。(注:ab是铅基LED,cd是锡基LED)


2.量子点色彩转换及显示应用研究

随着信息时代的到来,新型显示产业发展迅速,市场规模逐渐扩大,显示器成为了不可或缺的人机交互和信息展示窗口。与LCD相比,LED具有更多突出优势,如主动发光、响应快、功耗低、亮度高、色彩鲜艳、色域广等,在照明与显示领域有着广泛的应用,但其全彩化显示还存在着很多问题,目前色彩转换法是最被看好的全彩化技术方案之一,具有高效、稳定、显色好、成本低等优点。

量子点作为新兴半导体纳米材料,光学性能优异,被一致认为是最具研究潜力的光电材料,在近几年被广泛用于LCD背光下转换层及LED的色彩转换层。然而,基于量子点的色彩转换技术也存在着一些问题,如激发光源强度和色转换层吸收能力不适配、转换效率低、光学串扰严重等,导致器件的性能不够理想,在彩色化显示上的应用大大受限。基于此,本课题组具体攻克以下技术难题:(1)光学仿真和优化:通过理论建模和光学模拟研究量子点膜与LED光源的相互作用,设计高效色彩转换层,为实验奠定基础;(2)光效提升膜层设计:通过光学软件仿真,设计兼具光调控功能和水氧阻隔性能的光学薄膜,提高量子点膜的色彩转换性能和稳定性;(3)制备高性能量子点色彩转换膜:通过材料设计和工艺优化,制备高密度(12μm)、高效率(67.46%)、高稳定性的红绿双色量子点膜,并与蓝光LED结合实现高色域(120.53%NTSC)彩色化显示。

在产学研方面,本课题组可以为企业提供技术方案、光学仿真、工艺制备和优化策略及配置专门的研究生推进项目的进行,企业则提供LED芯片及负责整机组装,双方共同测试和优化,实现样机的开发。


图2(a-c)高性能量子点色彩转换膜的光致发光形貌图;(d)兼具光调控能力和水氧阻隔性能的光学膜层透过率谱图;(e,f)量子点膜与蓝光LED结合的显示效果图和色域图。


3. 钙钛矿太阳能电池

钙钛矿材料光电性质优异,以其作为光活性层的钙钛矿太阳能电池已经实现了高达25.7%的能量转换效率。

课题组在钙钛矿太阳能电池领域深耕多年,通过钙钛矿的化学组成调控、组分空间分布调控、本体和表面缺陷控制、器件界面控制等策略,实现高纯碘铅甲脒钙钛矿的制备、钙钛矿/功能层界面的缺陷钝化和器件载流子输运管理,从而得到高效稳定的钙钛矿太阳能电池。目前,课题组通过开发新型的钙钛矿一步全钝化的方法,已经制备出效率超过25%的钙钛矿太阳能电池。课题组近年来在钙钛矿太阳能电池研究中积累的技术基础,有望联合潜在的合作企业应用于开发高性能的钙钛矿光伏组件和建筑光伏一体化系统。

图3 钙钛矿太阳能电池样品。


4.有机太阳能电池

相比于无机太阳能电池,有机太阳能电池具有可溶液加工、质量轻、本征柔性、多彩和半透明等巨大优势,可以很好地满足光解水、光伏建筑一体化、便携式/可穿戴柔性电子设备和室内光伏技术等众多新兴领域的发展需求。

课题组主要的研究方向包括:(1)高性能低成本有机光伏材料的设计与合成。基于光伏材料分子的设计原理,结合不同的分子设计策略和功能性基团引入,构建一系列n-型的非富勒烯小分子/聚合物受体和p-型的小分子/聚合物给体材料。(2)高效稳定的光伏器件制备与优化。通过材料匹配机制,制备高效的二元、三元及多元器件。重点研究器件光/热稳定性,老化机制和稳定性提升策略,贴近实际应用。(3)多功能器件制备。综合考虑材料的光伏特性,制备柔性/半透明器件和室内光伏器件等,逐步推动有机太阳能电池向产业化转化。

图4 有机太阳能电池的优势及前沿应用。

5.钙钛矿/晶硅叠层太阳能组件技术

开发叠层太阳能电池能突破单结电池的理论效率极限。将钙钛矿太阳能电池与晶硅电池联合起来构建叠层电池,可以将电池效率提升至30%以上,大幅降低光伏组件的度电成本。

近年来,课题组围绕以下技术内容进行研究:(1)制备高质量的宽带隙钙钛矿顶电池:利用计算机软件仿真,确定顶电池最佳的带隙宽度,实现上下子电池的电流匹配;通过缺陷管理,提升宽带隙钙钛矿薄膜的质量。(2)通过物理沉积法制备高性能的透明电极,以满足叠层电池的需要。(3)开发新型的界面层材料,降低叠层器件的开压损失,提升器件的稳定性。目前,课题组已能制备效率超过30%的两端钙钛矿/硅叠层太阳能电池。课题组在钙钛矿/硅叠层太阳能电池研究中积累的技术基础,有望联合潜在的合作企业应用于开发高性能的钙钛矿/晶硅叠层光伏组件。

图5 钙钛矿/硅叠层太阳能电池样品和结构。

6. 新型光电功能材料的设计与合成

金属卤化物钙钛矿因其优异的光电性质已经在太阳能电池和发光器件等领域取得了诸多重要的研究进展,展现出了良好的应用前景,是光电领域的热门研究方向之一。然而,相应钙钛矿器件的性能,尤其是长期工况稳定性,还远未达到商业化应用要求,因此,设计合成新型光电功能材料是重要的解决途径之一。

纳米碳(如富勒烯、碳纳米管和石墨烯等,用作载流子传输层和电极)和半导体有机小分子(用作载流子传输层)等材料物理化学性质优异,将其应用于构建钙钛矿光电器件有望提高器件性能与工况稳定性。同时,设计新型、低成本和高迁移率的有机载流子传输材料也将进一步推进钙钛矿器件尤其是柔性可穿戴器件方面的应用。因此,为推动高稳定性光电-电光钙钛矿器件的应用,研究院在功能材料领域开展的研究方向包括:(1)无机功能纳米材料的可控制备;(2)新型功能碳材料的设计合成和结构调控,包括富勒烯衍生物、碳纳米管、石墨烯和半导体有机小分子材料等;(3)面向柔性可穿戴器件的有机功能材料的设计合成;(4)其他钙钛矿光电-电光器件相关的界面分子设计合成。

图6 丰富的碳材料。

7.稀土掺杂光存储发光材料

稀土元素是一组化学性质十分相似的元素,由钪(Sc)、钇(Y)和从镧(La)到镥(Lu)的大约17种镧系元素构成。稀土离子的光谱特性主要取决于稀土离子特殊的电子组态,[Xe]4fn5dm6s2。由于稀土元素具有未充满的4f电子壳层,其原子或离子的光谱可观察到的谱线多达三万多条。稀土离子的发射光谱可从紫外、可见光到红外区域。稀土离子可用电子束、电场、X射线等射线激发而产生发光现象。这些特性奠定了稀土发光材料的基础。

由于稀土离子独特的电子结构,稀土离子掺杂的无机荧光粉展现出了许多独特的发光特性,比如稀土Eu2+和Dy3+掺杂SrAl2O4荧光粉展现出了长余辉发光的性质。对一个无机化合物来说,在高能射线或光子激发下,比如X-ray、β-ray或γ-ray,自由载流子(电子与空穴)能一定量的产生。长余辉发光材料是一类具有存储自由载流子于基质缺陷陷阱中的光存储材料。在过去约十年中,吕天帅老师主要集中于研究稀土与铋离子掺杂的长余辉发光材料。图1给出了吕老师最近发表在国际著名权威期刊Laser & Photonics Reviews上的一个代表性工作。该工作深入研究了一种Bi3+与Dy3+掺杂LiTaO3荧光粉的长余辉发光与光致变色特性,并展示了其在信息存储与光电探测方向的潜在运用。

图7 稀土离子掺杂长余辉发光与光致变色荧光粉的实物图(T. Lyu*, P. Dorenbos, C. Li, Z. Wei*, Laser & Photonics Reviews 2022, 2200055)。

结合前期的研究基础优势,未来的研究将集中在以下几个方法开展工作:(1)稀土掺杂荧光粉的发光亮度与晶体结构、粒径大小、稀土元素特性的关系;(2)理性探索高亮长余辉发光与光存储材料。(3)理性探索稀土掺杂应力发光材料。4)开发基于稀土离子掺杂荧光粉的先进应用,如信息存储、防伪、X射线成像、基于应力发光的先进智能传感器。

8. 人工光催化体系的构筑及光催化性能

太阳能是众多清洁能源中能够满足未来需求的替代能源之一。利用以太阳能为驱动力的人工光催化技术将CO2和水转化为高附加值的燃料/化学品是缓解环境和能源问题极具潜力的方法,对建立健全绿色低碳、循环发展经济体系,实现“碳达峰、碳中和”双碳目标具有重要意义。如何构筑高效的人工光捕获体系和开发新型廉价的光催化体系面临着巨大挑战。

课题组主要的研究方向包括:(1)新型的光敏剂材料的合成。通过模拟人工光催化体系中天线分子吸收太阳光,能够有效产生电荷分离的激发态,进一步将激发态转化为作为氧化还原当量的电化学能量应用于光催化反应。(2)钙钛矿纳米晶的光催化。通过改变钙钛矿中的元素组成及其配比,调控钙钛矿的稳定性和能带结构;进一步开发无铅钙钛矿用于光催化性能研究。通过以上研究,深入了解太阳能转化为化学能的过程,构筑高效的人工光催化体系,实现太阳能的收集和存储。

图8 人工光催化体系示意图。

9.印刷电子器件技术

随着科学技术的不断发展,光电器件和其他电子器件的工业化生产进程在不断推进。将实验室制备的小型器件延伸到工业生产的大型组件需要开发新的沉积技术。喷墨打印是一种通过喷头材料的热敏特性或压电特性提供动力,将材料以液滴形式喷射到基体的沉积方式,由于其低成本、可图案化、可大面积等特点,被广泛应用于电子器件的制备,满足工业化生产的需求。

基于此,本课题组利用喷墨打印可图案化、可大面积的特点,开展印刷发光二极管,印刷钙钛矿太阳能电池,以及印刷传感器等印刷电子器件的研究,具体攻克以下技术难题:(1)钙钛矿发光二极管的图案化:配制钙钛矿前驱液墨水和钙钛矿量子点墨水,并根据需求调节打印参数,实现不同印刷图案。利用喷墨打印高精度和可图案化的特点,可以实现从50 μm点阵到数平方厘米薄膜的制备;(2)印刷大面积钙钛矿太阳能电池:常规旋涂法很难获得均匀的大面积钙钛矿薄膜。利用喷墨打印可大面积的特点,制备大面积钙钛矿太阳能电池。首先配制钙钛矿前驱液墨水,然后优化打印参数,印刷沉积大面积湿膜,利用真空辅助热退火或N2风刀辅助热退火获取均匀的大面积钙钛矿薄膜,最后将薄膜制备成高效稳定的钙钛矿太阳能电池;(3)印刷柔性传感器:根据喷墨打印高精度和可图案化的特点,设计制备柔性传感器组件。利用氧化石墨烯在不同湿度下电阻变化的特点,印刷制备柔性湿度传感器组件。首先配制银电极墨水和氧化石墨烯墨水,然后优化打印参数,在柔性基底上印刷银电极和氧化石墨烯层制备器件,有望实现高精度、小面积柔性湿度传感器的制备。

图9 喷墨打印湿度传感器示意图。