LED亮度达116万尼特，浙大团队实现钙钛矿半导体可控p/n型掺杂

来源：DeepTech深科技

近期，浙江大学狄大卫教授、赵保丹研究员团队提出了一种分子掺杂策略，成功实现了钙钛矿半导体从 n 型到 p 型的连续转变。

并且，基于此方法获得的钙钛矿发光二极管（LED，light-emitting diode）亮度高达 116 万尼特，刷新了溶液法 LED（包括有机 LED、量子点 LED 和钙钛矿 LED）的亮度纪录。

这些器件的外量子效率和能量转换效率同样值得关注，分别高达 28.4% 和 23.1%。

“我们这项研究中最重要的结果，是在保持钙钛矿高发光性能的基础上，实现了对钙钛矿的导电行为从 n 型到 p 型的连续转变。”该论文第一作者、浙江大学熊文涛博士表示。

这一突破性的进展，填补了现有研究主要集中在钙钛矿缺陷钝化，而忽视钙钛矿固有半导体特性的调控的知识空白，为钙钛矿半导体可控电学掺杂提供了新的思路。

此外，该研究中建立的机理模型和研究框架，也对后续的研究工作具有指导意义。

图丨从左至右分别为：熊文涛博士、赵保丹研究员和狄大卫教授（来源：浙江大学）

在现代半导体工业中，半导体材料的可控电学掺杂技术是实现高性能光电器件的关键。

2014 年，诺贝尔物理学奖授予了日本科学家赤崎勇（Isamu Akasaki）、天野浩（Hiroshi Amano），以及美籍日裔科学家中村修二（Shuji Nakamura），以表彰他们在高效蓝光 LED 方面所做出的突出贡献。

其中，对宽禁带半导体材料氮化镓的可控掺杂，是他们实现技术突破的关键。

钙钛矿半导体材料因其独特的光电特性而备受关注，但其导电行为的精确调控始终是科学家们面临的挑战。这也是浙大团队重点关注的研究方向，并在此前进行了大量探索和研究。

他们曾尝试引入不同的离子进行掺杂，并测试不同掺杂剂的效果后发现，在钙钛矿半导体材料中引入杂质的过程中，往往会导致材料的发光效率降低和非辐射能量损失增加。

而这些问题不利于钙钛矿材料在光电器件中的应用，所以研究人员一直在寻找能够解决这些难题的方法。

图丨基于分子掺杂策略的钙钛矿 LED（来源：浙江大学）

金属卤化物钙钛矿半导体的结晶过程比较复杂，在其结晶过程中会形成各类缺陷。其中，深能级缺陷会造成光电器件的能量损失，因此需要尽可能避免产生深能级缺陷。

另一方面，只有浅能级缺陷，才是有效调控半导体中载流子浓度的关键。

为了调控钙钛矿半导体材料中的浅能级缺陷的类型和密度，研究人员尝试了一系列掺杂剂，同时确保不引入额外的深能级缺陷。

在实验过程中，实验室环境的洁净度、温度控制、药品和溶剂的选择都可能影响结果。

为保证实验的效果，他们筛选了几十种不同的钙钛矿半导体材料和掺杂剂，包括各种离子、分子和有机小分子，并尝试了多种不同的配方和钙钛矿材料，最终找到了良好的方案。

在此基础上，制备出在掺杂前即具有高发光性能的宽禁带钙钛矿薄膜，其荧光量子产率达到了约 75%。

图丨在宽禁带钙钛矿半导体中，通过分子掺杂的 n 型向 p 型跃迁（来源：Nature）

在接下来的研究中，该课题组计划进一步提高钙钛矿半导体的掺杂效率，发现具有更高载流子浓度和迁移率的钙钛矿半导体材料，同时获得很高的发光性能。

此外，他们还将基于现有的可控电学掺杂策略，研究全钙钛矿半导体 p-n 结，并对其光电转换效率、工作原理及稳定性等方面进行深入探索。

狄大卫说：“我们需要思考，既然钙钛矿可以和传统半导体一样实现电学掺杂，我们是否可以重新设计钙钛矿发光二极管、太阳能电池、晶体管和光电探测器等器件？”

钙钛矿半导体的可控电学掺杂，有望为相关光电器件的研究带来重要革新。这些未来的探索，将为钙钛矿半导体实现大规模应用奠定基础。

参考资料：

1.Xiong, W., Tang, W., Zhang, G. et al. Controllable p- and n-type behaviours in emissive perovskite semiconductors. Nature 633, 344–350 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07792-4

2. Jiang, F., Ginger, D. Future optoelectronics unlocked by “doping” strategy. Nature 633, 291-292 (2024). https://doi.org/10.1038/d41586-024-02659-0

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