南京工业大学，院士+杰青+优青，合作发一篇Nature！

一、研究背景

叠层发光二极管（LEDs）通过垂直串联堆叠多个发光单元，能够有效地提高器件效率和寿命，在照明和显示领域具有重要意义。特别是叠层钙钛矿LEDs（PeLEDs）受益于钙钛矿材料小的斯托克斯位移，原则上可以实现显著的层间光子循环，并增强光提取。串联堆叠多个发光单元是进一步提升器件性能和实现多色发光的有效途径。

二、关键问题

当前叠层钙钛矿LEDs的研究主要存在以下问题：

1、结构整合效率低

目前，单单元钙钛矿LED的外部量子效率已接近单单元有机LED的水平，串联堆叠多个发光单元是进一步提升器件性能和实现多色发光的有效途径，但构建一种能够有效合并每个钙钛矿发光单元亮度的叠层结构仍是一个重大的技术挑战。

2、效率敏感性与稳定性差

目前报道的叠层钙钛矿LED的最高EQE仍低于9%，远低于单单元器件的水平。这主要是因为钙钛矿LED的EQE对薄膜陷阱密度非常敏感，顶部发光单元沉积过程中对底层造成的微小损伤会严重恶化叠层器件的性能。

三、新思路

有鉴于此，南京工业大学王建浦教授（杰青）、黄维院士与王娜娜教授（优青）等人通过结合两个溶液处理的钙钛矿发光单元，展示了高效且稳定的叠层LEDs。这种叠层结构有效地结合了每个发光单元的原始亮度；作者认为，通过单个发光单元之间的光子循环，发射强度也得到了显著增强。因此，本文实现了具有低开启电压（3.2 V）、高峰值外部量子效率（EQE）达 45.5%（甚至比单单元器件峰值EQE总和高出20%）、平均峰值EQE达40.9%，以及在70 W Sr⁻¹ m⁻² 初始辐射亮度下半寿命达64 h的叠层钙钛矿LEDs。这些发现代表了通过堆叠钙钛矿LEDs实现高性能和多色LEDs的重大进展。

技术方案：

1、展示了高性能叠层钙钛矿LEDs的器件结构、能级排布和物理形态

全钙钛矿叠层LED采用串联堆叠结构，创新的中间连接层ICL实现能级对齐，底部单元用乙酸锌降低粗糙度，顶部单元引入5AVA形成离散钙钛矿结构，增强了光散射和光提取。

2、描绘了FAPbI₃/FAPbI₃叠层钙钛矿LEDs的关键性能特征

叠层LED电致发光红移3 nm，开路电压3.2 V，峰值EQE达45.5%，高电流密度下维持34.5% EQE，半寿命64小时，稳定性显著提升。

3、确认了层间光子循环机制

研究构建了异质叠层LED，EL光谱显示双峰，顶部单元EQE提升，底部单元光子被吸收再发射，瞬态PL证实了机制，实现了效率增强。

4、评估了FAPbI₃/FAPbI₃叠层器件的光输出耦合效率

3D FDTD模拟显示光子循环显著提升FAPbI₃/FAPbI₃叠层器件的光输出耦合效率，离散钙钛矿层增强散射和光子回收，抑制波导模式，提高光提取效率。

技术优势：

1实现了叠层钙钛矿LEDs效率的突破性提升

本文实现了超高效率（45.5% EQE）的叠层钙钛矿LEDs，其性能不仅简单地累加了单个单元的亮度，反而超出了单单元EQE总和的20%，为钙钛矿LED的应用迈出了重要一步。

2、提出并验证了层间光子循环机制

作者明确提出并实验验证了层间光子循环是实现叠层器件超高EQE和增强光提取的关键机制。通过离散的钙钛矿结构诱导更强的层间散射，进一步促进了光子吸收和再发射。

技术细节

全钙钛矿型串联LED的器件结构

作者全面展示了全钙钛矿叠层LED的结构设计、能级对齐和实际物理形态。该器件采用了串联堆叠结构，即 ITO/ZnO-PEIE/钙钛矿（底单元）/TFB/中间连接层（ICL）/ZnO-PEIE/钙钛矿（顶单元）/TFB/MoO_x/Au。核心创新在于 ICL，其组成为 TCTA/MoO_x/HATCN/SnO₂，并且能级与 FAPbI₃发光单元良好对齐，确保了电荷的有效传输与生成（。在钙钛矿单元的制备中，底部单元使用了乙酸锌（Zn(Ac)₂）添加剂以降低薄膜粗糙度，以利于后续层的均匀沉积。而顶部单元则通过引入 5-氨基戊酸（5AVA）促进形成了离散的钙钛矿形态，这被认为对光散射和光提取有利。横截面 HAADF-STEM 图像及元素映射清晰地证实了 FAPbI₃/FAPbI₃叠层中各层的有效连接和集成。此外，这些物理图像揭示了波纹状金属电极和离散的钙钛矿结构，是实现弱微腔效应和增强光散射的关键。

图  一种全钙钛矿型串联LED的器件结构

串联钙钛矿LED的表征

在电致发光（EL）方面，叠层LEDs的EL光谱相比于单单元器件略微红移 3 nm，峰值位于约 805 nm。在电学性能上，该器件的开路电压低至 3.2 V，电流密度和辐射亮度随电压快速增加。最引人注目的是效率表现：叠层LED的峰值外部量子效率（EQE）高达 45.5% ，这比报道的全钙钛矿叠层LEDs的EQE高出四倍。值得强调的是，该数值甚至超过了两个单单元器件峰值EQE总和（37.8%）的 20%。器件的平均峰值EQE为 40.9%。尽管叠层器件表现出比单单元器件更显著的EQE衰减，但在 100 mA cm⁻²的高电流密度下仍能维持34.5%的 EQE。在稳定性方面，该叠层器件展现出显著的提升，在 70 W sr⁻¹ m⁻² 的高初始辐射亮度下，半寿命（T₅₀）达到 64小时，比最稳定的单单元器件寿命长两倍以上。

图  单晶和FAPbI₃/FAPbI₃基串联钙钛矿LED的表征

层间光子循环机制

研究构建了具有不同发射波长的FA_1−xCs_x PbI₃（742 nm，底部）和FAPbI₃（802 nm，顶部）异质叠层LED进行验证。电致发光和效率分析表明，叠层器件的EL光谱显示出两个独立的发光峰，代表了两个单元的组合发射。对叠层EQE（38.1%）进行解耦分析发现，顶部单元的峰值EQE（24.1%）显著高于其单独值（19.6%），而底部单元的EQE（16.1%）略有降低。这一结果有力证明了底部单元发出的高能光子（短波长）被顶部单元吸收并重新发射（长波长），实现了效率增强。瞬态PL动力学证据 证实 瞬态光致发光（PL）衰减测量进一步支持了该机制。当激发波长为660 nm或750 nm（可以激发底部FA_1−xCs_x PbI₃ 层）时，叠层样品中顶部FAPbI₃层的PL寿命相比于单层器件显著延长。这证实了FAPbI₃层吸收了来自长寿命FA_1−xCs_x PbI₃层的光子，促进了额外的辐射复合，从而解释了叠层器件的超高效率。

图  单一和基于FA_1-xCs_xPbI₃/FAPbI₃的串联钙钛矿薄膜及LED的表征

光学模拟

通过三维有限差分时域（3D FDTD）光学模拟，评估了FAPbI₃/FAPbI₃ 叠层器件的光输出耦合效率 (η _out )。模拟结果对比了考虑和不考虑光子循环（PR）效应的情况，核心结论是PR机制对性能提升至关重要。研究发现，光子循环显著提高了叠层器件中各个单元的η _out。通过对周期分布的加权计算，PR使叠层器件的综合η _out 增强了 8.3%，这一贡献在钙钛矿周期较大时（即离散钙钛矿层）更为显著。这归因于离散钙钛矿诱导了更强的散射，促进了跨层光子吸收，并改善了回收光子的输出耦合。图4c通过示意图直观地展示了层间光子循环过程，阐明了该机制通过再发射宽角度光子来抑制波导模式，从而实现增强的光提取。

图  光子再循环分析

展望

总之，本文通过开发高效的中间连接层（ICL），成功制备了高性能叠层钙钛矿LEDs。器件实现了高达 45.5% 的EQE，显著超出了单个单元性能的简单叠加，并在高亮度下获得了64小时的长运行寿命。研究明确证实，层间光子循环是实现光提取效率大幅提升的关键机制。这些成果不仅展示了薄膜钙钛矿叠层LED在低操作电压下的优越性，也标志着钙钛矿LEDs向实际应用迈出了重要一步。

参考文献：

Ke, Y., Zhu, W., Ma, C. et al. High performance tandem perovskite LEDs through interlayer photon recycling. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09865-4

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