由钙钛矿/杂化物复合材料实现的白光发光二极管，性能卓越

《Journal of Luminescence》：White light-emitting diode enabled by perovskite/exciplex hybrids with excellent performance

Perovskite/有机杂化白光LED通过蓝光Perovskite与红光激子复合实现，采用GABF4添加剂优化蓝色发射性能，精确调控电荷传输层厚度使CIE坐标(0.33,0.33)与标准白点匹配，外量子效率3.2%，亮度2134 cd/m2。

　　

Jintao Wang | Jiaqi Shang | Shuming Chen | Xinyue Jiang | Feng Zhao | Xiaoyu Ma | Ren Sheng | Ping Chen

山东省烟台市烟台工业大学信息工程学院，264005，中国

摘要

钙钛矿发光二极管（PeLEDs）在下一代固态照明和显示应用中展现了巨大潜力，然而实现高效且色彩准确的白光发光二极管（WLEDs）仍然具有挑战性。本文通过将蓝色钙钛矿发光单元与红色激子复合物发光单元结合，制备出了钙钛矿/有机杂化WLEDs。利用胍基四氟硼酸盐（GABF₄）进行添加剂工程处理，提升了纯蓝色发光的光电性能。同时，通过组装m-MTDATA和DBFTrz作为激子复合物来实现红色发光。通过精确调整载流层的厚度，这两种互补的发光单元的集成使得WLEDs的CIE坐标达到（0.33, 0.33），精确对应于标准白点，并具有2134 cd/m²的优异亮度和3.2%的外部量子效率。这些发现证明了实现用于下一代固态照明和显示应用的色彩准确WLEDs的可行性。

引言

开发高效且稳定的白光发光二极管（WLEDs）已成为固态照明和显示技术领域的核心目标[[1], [2], [3], [4], [5]]。金属卤化物钙钛矿由于其优异的光电特性（包括高光致发光量子产率（PLQY）、可调的发光波长以及与溶液制备过程的兼容性[5,6]，在发光应用中展现出巨大潜力。近年来，钙钛矿发光二极管（PeLEDs）取得了显著进展，单色器件的外部量子效率（EQE）已超过25%[[7], [8], [9]]。其中，蓝色钙钛矿发射体尤为重要，因为它们是实现高质量WLEDs的关键[10]。然而，尽管单色蓝色PeLEDs取得了快速进展，但高效且稳定的基于钙钛矿的WLEDs的发展仍然有限，阻碍了其在实际应用中的进一步发展。

为实现基于钙钛矿的WLEDs，已经探索了几种方法，包括异相卤化物钙钛矿、构建串联器件结构以及基于钙钛矿的杂化WLEDs[3,6,11]。其中，基于钙钛矿的杂化WLEDs是一种有前景的策略，因为它们将钙钛矿层与其他发光材料结合，形成互补的发光单元，从而实现白光发射。通过构建串联或多发射层结构实现的钙钛矿/有机杂化WLEDs已成为最广泛研究的方法。虽然这些器件中的有机组分通常基于荧光材料，但这些材料通常含有铱或铂等稀有金属元素，显著增加了合成成本并存在潜在的健康风险。相比之下，具有热激活延迟荧光（TADF）特性的激子复合物系统不仅提供了与传统荧光发射体相似的激子利用效率和稳定性，还结合了低成本加工和内在的反向系统交叉（RISC）效应的优势[12]，从而为实现高质量白光发射提供了更有前景的途径。将蓝色钙钛矿单元与红色激子复合物单元结合，为构建WLEDs提供了一种可行的策略，同时兼顾了色彩平衡和性能优势。

在这项工作中，我们提出了一种钙钛矿/有机杂化WLEDs结构，由蓝色钙钛矿组分（通过旋涂沉积）和红色激子复合物组分（通过蒸发沉积）组成。在混合卤化物准二维蓝色钙钛矿单元中，引入了胍基四氟硼酸盐（GABF₄）以增强光电性能。制备出的纯蓝色PeLEDs（471 nm）的最大亮度（L_max）为1601 cd/m²，外部量子效率（EQE）为6.71%。对于红色激子复合物单元，通过结合4,4,400-三[3-甲基苯基(苯基)氨基]三苯胺（m-MTDATA，作为供体）和2,8-二(4,6-二苯基-1,3,5-三嗪-2-基)二苯并[b,d]呋喃（DBFTrz，作为受体）构建了红色激子复合物，产生的红色OLED的最大亮度（L_max为3921 cd/m²，EQE为3.69%。最后，通过将优化的蓝色钙钛矿层与红色激子复合物层集成，制备出了WLEDs。通过精确调整载流层的浓度，所得WLEDs的最大亮度（L_max为2134 cd/m²，最大EQE为3.2%，CIE坐标为（0.33, 0.33），符合标准白点。本研究提出了一种实现具有优异CIE坐标的WLEDs的实用策略。

结果与讨论

混合卤化物准二维蓝色钙钛矿单元在WLEDs的性能中起着重要作用[13,14]。为了提高钙钛矿薄膜的质量和器件性能，选择了GABF₄作为添加剂，原因如下：1) BF₄^?能够在钙钛矿结晶过程中原位部分替代卤化物阴离子，减少空位缺陷[15,16]；2) GA⁺可以通过与铅的螯合作用稳定低维结构

结论

总之，我们通过将蓝色发光钙钛矿单元与红色发光激子复合物单元结合，实现了钙钛矿/有机杂化WLEDs。将GABF₄引入钙钛矿薄膜中，制备出了高性能的蓝色钙钛矿LED。同时，激子复合物系统的加入实现了高效的激子利用和稳定性，从而获得了平衡的白光发射。通过优化载流层，最终制备的器件具有CIE坐标（0.33, 0.33）

CRediT作者贡献声明

Jintao Wang： 数据整理。Jiaqi Shang： 形式分析。Shuming Chen： 实验研究。Xinyue Jiang： 数据整理。Feng Zhao： 方法论设计。Xiaoyu Ma： 实验研究。Ren Sheng： 资金获取。Ping Chen： 资金获取、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（62474154, 62205281）、山东省泰山学者计划（tsqn201909084）、山东省双碳创新与创业社区（STGTT0101202402）以及吉林省科学技术发展计划（YDZJ202501ZYTS611）的财政支持。