北京时间8月28日，厦门大学材料学院解荣军教授团队联合复旦大学王利新教授团队，在无铅钙钛矿发光二极管（LED）研究中取得重要进展。该研究首次阐明了锡基钙钛矿CsSnI₃在电场作用下发生电化学氧化是导致LED发光衰减的关键机制，提出了晶格掺杂与表面钝化协同的调控策略，显著提升了钙钛矿薄膜的结构稳定性及光电性能，成功制备出了高效率（EQE > 20%）、长工作寿命（初始辐亮度7.1 W·sr⁻¹·m⁻²时，T50> 900小时）的锡基钙钛矿LED。该成果为高性能无铅钙钛矿光电器件的理性设计提供了重要的理论支撑与技术路径。相关研究成果以“High-efficiency, long-lived lead-free perovskite light-emitting diodes”为题发表于Science期刊。

近红外CsSnI₃钙钛矿LED兼具低毒性、溶液可加工性及低成本等优势，在光通信、夜视成像、数据存储和生物医学检测等领域展现出广泛的应用潜力。然而，Sn²⁺极易氧化且CsSnI₃结晶动力学难以调控，导致CsSnI₃薄膜中非辐射复合严重，其电致发光效率与工作稳定性明显低于传统量子点LED（QLED）及铅基钙钛矿LED（PeLED）。尽管有研究表明前驱体还原剂引入与表面配体钝化等策略可在一定程度上抑制Sn²⁺氧化、减少缺陷并提升器件性能，但仍远未满足实际应用要求。尤为关键的是，现有研究多聚焦于锡基钙钛矿的前驱体化学与成膜过程，尚未厘清在电场驱动下钙钛矿薄膜的结构演化及与器件发光衰减的构效关系。

为此，研究团队揭示了在电场作用下CsSnI₃钙钛矿薄膜的化学结构演化、Sn²⁺/Sn⁴⁺价态动态分布及其发光衰减规律，阐明了CsSnI₃钙钛矿LED在电场驱动下发光衰减的本质机制源于载流子注入失衡诱发的电化学氧化反应。具体而言，LED器件工作过程中，CsSnI₃薄膜因空穴过度累积与其本征p型特性协同作用，触发了Sn²⁺不可逆氧化，导致晶相由CsSnI₃逐步转变为Cs₂SnI₆。该相变过程伴随高密度空位及针孔缺陷的生成，显著增强了非辐射复合，从而引发了LED发光效率的骤降。

图1：CsSnI₃钙钛矿LED中电化学氧化引起的发光失效机制

基于上述机制认知，研究团队提出了晶格掺杂与表面钝化协同的调控策略，通过稳定CsSnI₃晶格、抑制非辐射复合及平衡载流子注入与输运，成功构筑了性能优异的近红外锡基钙钛矿LED。所获器件峰值外量子效率达21.2%，峰值辐亮度为195.8 W·sr⁻¹·m⁻²；在初始辐亮度7.1 W·sr⁻¹·m⁻²下，工作半衰期（T50）达920.5小时。该结果表明，近红外锡基钙钛矿LED在保持环境友好优势的同时，光电性能取得了实质性突破，可为光通信、生物医学成像等应用领域提供新型近红外光源。

图2：近红外锡基钙钛矿LED器件结构与光电性能

厦门大学材料学院为论文第一通讯单位，厦门大学材料学院2021级博士生白雯昊为论文第一作者，厦门大学材料学院解荣军教授、宣曈曈助理教授和复旦大学王利新教授为论文通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、福建省自然科学基金、深圳市科技计划、福建省优秀博士后支持专项、中国博士后科学基金以及中央高校基本科研业务费的资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg8955

（材料学院）