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）]，在线发表在Nature Nanotechnology。
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。
图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。
图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。
图3 QLED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。
来源：河南大学
论文链接
https://doi.org/10.1038/s41565-023-01441-z
