與傳統的熱光源相比，盡管發光二極管(LED)在提供高亮度、高功率轉換效率和長壽命的同時所產生的熱量要少得多，但仍足以引起器件失效和加速老化，這是目前所有無機LED都面臨的一個難題。特別是量子點(QD) LED，其組成都是低導熱材料(即聚合物和納米晶體)，熱積累更為嚴重，發熱對器件性能（尤其穩定性）的影響更為致命。因此，盡可能地降低器件發熱，最大程度實現“冷發光”，可從根本上改善器件穩定性，是突破QLED應用瓶頸的關鍵。
針對上述難題和瓶頸，河南大學材料學院QLED平臺與中國科學技術大學開展合作研究，提出了采用單層大尺寸量子點作為發光層的新思路，在低驅動電壓下實現了增強準費米能級分裂和亮度提高，有效抑制了器件發熱，使紅色QLED電光能量轉換效率（PCE）達到了23%，在1000 cd/m2下亮度降低到95%（T95）壽命達到了48,000 h。相關研究成果以Research Article形式[題為Minimizing heat generation in quantum dot light-emitting diodes by increasing quasi-Fermi level splitting（增加準費米能級分裂使量子點發光二極管發熱最小化）]，在線發表在Nature Nanotechnology。
河南大學為第一通訊單位；實驗室博士生高巖、碩士生劉校楠，中科大博士生李波為共同第一作者；河南大學申懷彬教授、中國科學技術大學樊逢佳教授、河南大學杜祖亮教授為共同通訊作者。
大尺寸全梯度合金結構量子點合成及超高PCE器件
合成接近100%量子產率的大尺寸量子點具有挑戰性。為了解決這個問題，研究團隊采用了一種不同的策略來合成大尺寸量子點：不同于文獻報道在小尺寸核上生長多層厚殼的方式，團隊選擇在沒有明顯核殼界面的情況下生長量子點(圖1a)。通過兩次注入陰離子前驅體的方法最終得到量子產率（PL QY）大于95%，平均尺寸為17 nm大尺寸全梯度合金結構量子點（FCG-QD），并合成出熒光PL QY大于90%的10 nm的常規尺寸量子點。基于上述精心設計的高質量量子點材料，研究團隊構筑了單量子點發光層QLED器件。實現了100%和115%帶隙電壓下亮度達到了1100 cd/m2和6000 cd/m2。由于驅動電壓的降低，器件PCE在1000-6000 cd/m2的亮度范圍內可以保持在21%-23%，這是目前所知的最高值。
圖1全梯度合金結構量子點及其QLED器件性能
器件發熱最小化
單層大尺寸全梯度合金量子點構筑的QLED器件實現了低驅動電壓和增加了低電壓下的EQE并降低了器件的發熱。通過紅外熱成像儀測試了不同亮度下連續工作2 h的器件溫度，6000 cd/m2亮度下器件溫度變化在1 ?C，COMSOL建模計算理論器件溫度數據與實驗結果良好的吻合。
圖2不同亮度下器件溫度
優異的器件穩定性
本研究在低驅動電壓下獲得了高亮度器件發光，同時獲得了超高的功率轉換效率、顯著降低了器件發熱，使器件的穩定性得到了極大改善。圖3展示了QLED器件在1000 cd/m2下亮度降低到95%（T95）壽命達到了48,000 h。
圖3 QLED器件穩定性測試
該研究為有效抑制器件發熱、研發高效率高亮度下高穩定的QLED器件提供了新策略。
該工作得到國家自然科學基金委和科技部等項目資助，河南省發改委在平臺建設上給予了大力支持。
來源：河南大學
論文鏈接
https://doi.org/10.1038/s41565-023-01441-z
