近日，中國科學技術大學物理學院肖正國教授課題組與南京工業大學王建浦教授、王娜娜教授課題組合作，在鈣鈦礦薄膜製備及發光器件研究中取得重要進展。

鈣鈦礦材料因其優異的光電特性在太陽能電池、LED、光電探測器等領域有重要的應用前景。鈣鈦礦薄膜的成膜質量和微觀結構對光電器件的性能起著至關重要的作用。

該研究團隊通過在鈣鈦礦表面形成的納米結構，增加了光子在薄膜表面的散射，實現鈣鈦礦LED器件效率極限的突破。相關成果以“Overcoming the Outcoupling Limit of Perovskite Light-emitting Diodes with Artificially Formed Nanostructures”為題發表在《先進材料》上。

鈣鈦礦LED具有發光波長可調、發光半峰寬窄、易於製備等優點，鈣鈦礦LED的器件效率目前主要受限於光取出效率。因此，增加器件的光取出效率是一個非常重要的研究方向。

在有機LED以及量子點LED中，一般需要額外的光提取層來增加光子的取出，如使用複眼透鏡陣列、仿生蛾眼納米結構和低折射率耦合層等。然而，這些方法使得器件的製備過程更加複雜，增加了製造成本。

肖正國課題組報導了一種可以在鈣鈦礦薄膜表面自發形成紋理結構的方法，通過增加薄膜表面光子散射提高鈣鈦礦LED的光取出效率。

在薄膜製備過程中，通過控制反溶劑在薄膜表面的停留時間，可以控制鈣鈦礦的結晶過程，從而得到有紋理結構的表面。對於平均厚度為1.5μm的薄膜，其表面粗糙度可以實現15.3奈米到241奈米的連續可控，霧度也相應地從6%增加到90%以上。

得益於薄膜表面的光子散射的增加，具有紋理結構的鈣鈦礦LED的光取出效率，從平面鈣鈦礦LED的11.7%增加到26.5%，對應的鈣鈦礦LED的器件效率也從10%顯著提高到20.5%。

以上工作為鈣鈦礦光電器件提供了一種製備光提取納米結構的新方法。具有微納結構的鈣鈦礦薄膜類似於晶矽太陽能電池中的絨面形貌，有望提升鈣鈦礦太陽能電池的光吸收效率和性能。

▲ 不同鈣鈦礦薄膜表面光子取出的示意圖（a）。不同反溶劑製備的鈣鈦礦LED的光取出效率（b）以及器件效率（c）。
 

中國科學技術大學物理學院肖正國教授與南京工業大學王建浦教授、王娜娜教授為該論文的共同通訊作者。物理學院博士後陳文靜、碩士生陳甲、黃總銘以及南京工業大學博士生顧良慧為該論文的第一作者。

本項研究得到國家自然科學基金委、中央高校基本科研業務費專項資金、以及合肥綜合性國家科學中心能源研究院的資助。

（來源：中國科學技術大學）