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河南大学材料学院申怀彬教授和杜祖亮教授与中国科学技术大学樊逢佳教授合作报道低发热高亮度下高稳定量子点发光二极管(QLED)新进展

发布日期:2023-08-28 浏览数:743

与传统的热光源相比,尽管发光二极管(LED)在提供高亮度、高功率转换效率和长寿命的同时所产生的热量要少得多,但仍足以引起器件失效和加速老化,这是目前所有无机LED都面临的一个难题。特别是量子点(QD) LED,其组成都是低导热材料(即聚合物和纳米晶体),热积累更为严重,发热对器件性能(尤其稳定性)的影响更为致命。因此,尽可能地降低器件发热,最大程度实现“冷发光”,可从根本上改善器件稳定性,是突破QLED应用瓶颈的关键。

针对上述难题和瓶颈,河南大学材料学院QLED平台与中国科学技术大学开展合作研究,提出了采用单层大尺寸量子点作为发光层的新思路,在低驱动电压下实现了增强准费米能级分裂和亮度提高,有效抑制了器件发热,使红色QLED电光能量转换效率(PCE)达到了23%,在1000 cd/m2下亮度降低到95%(T95)寿命达到了48,000 h。相关研究成果以Research Article形式[题为Minimizing heat generation in quantum dot light-emitting diodes by increasing quasi-Fermi level splitting(增加准费米能级分裂使量子点发光二极管发热最小化)],2023年7月20日在线发表在Nature Nanotechnology(https://doi.org/10.1038/s41565-023-01441-z)。

河南大学为第一通讯单位;实验室博士生高岩、硕士生刘校楠,中科大博士生李波为共同第一作者;河南大学申怀彬教授、中国科学技术大学樊逢佳教授、河南大学杜祖亮教授为共同通讯作者。

大尺寸全梯度合金结构量子点合成及超高PCE器件

合成接近100%量子产率的大尺寸量子点具有挑战性。为了解决这个问题,研究团队采用了一种不同的策略来合成大尺寸量子点:不同于文献报道在小尺寸核上生长多层厚壳的方式,团队选择在没有明显核壳界面的情况下生长量子点(图1a)。通过两次注入阴离子前驱体的方法最终得到量子产率(PL QY)大于95%,平均尺寸为17 nm大尺寸全梯度合金结构量子点(FCG-QD),并合成出荧光PL QY大于90%的10 nm的常规尺寸量子点。基于上述精心设计的高质量量子点材料,研究团队构筑了单量子点发光层QLED器件。实现了100%和115%带隙电压下亮度达到了1100 cd/m2和6000 cd/m2。由于驱动电压的降低,器件PCE在1000-6000 cd/m2的亮度范围内可以保持在21%-23%,这是目前所知的最高值。

1全梯度合金结构量子点及其QLED器件性能

器件发热最小化

单层大尺寸全梯度合金量子点构筑的QLED器件实现了低驱动电压和增加了低电压下的EQE并降低了器件的发热。通过红外热成像仪测试了不同亮度下连续工作2 h的器件温度,6000 cd/m2亮度下器件温度变化在1 ˚C,COMSOL建模计算理论器件温度数据与实验结果良好的吻合。

2不同亮度下器件温度

优异的器件稳定性

本研究在低驱动电压下获得了高亮度器件发光,同时获得了超高的功率转换效率、显著降低了器件发热,使器件的稳定性得到了极大改善。图3展示了QLED器件在1000 cd/m2下亮度降低到95%(T95)寿命达到了48,000 h。

3QLED器件稳定性测试

该研究为有效抑制器件发热、研发高效率高亮度下高稳定的QLED器件提供了新策略。

该工作得到国家自然科学基金委和科技部等项目资助,河南省发改委在平台建设上给予了大力支持。


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