科学网—武汉纺织大学方国家等综述：钙钛矿发光二极管的载流子行为与分子界面工程
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2026-10-22 10:22
| 系统分类: 论文交流
Charge-Carrier Behavior and Molecular Interface Engineering in Perovskite Light-Emitting Diodes
Xiaojuan Cao, Yao Chen, Yongkang Tang, Hong Tao, Songzhan Li, Akhtam Amonov*, Guojia Fang*, Fang Yao*
Nano-Micro Letters (2027)19: 52
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02348-9
本文亮点
1. 从载流子行为出发，理解 效率滚降 ： 建立连接高注入复合、界面载流子积累与器件效率滚降的分析框架，解释高光致发光量子产率为何不一定转化为高效、稳定的电致发光。
2. 贯通上下界面，解析分子调控作用： 以自组装单分子层及相关 界面分子 为代表，梳理其对电荷注入平衡、界面复合、局域电子结构与埋藏界面成膜过程的影响。
研究背景
金属卤化物钙钛矿凭借高色纯度、发光波长可调和溶液可加工等优势，在新型显示与照明领域展现出广阔前景。然而，发光薄膜的高光致发光量子产率，并不能直接保证钙钛矿发光二极管具有高效率与长寿命。其关键在于：光激发主要反映材料自身的发光能力，而电致发光还取决于电子与空穴跨越不同界面后的注入、输运和复合。在器件工作过程中，注入势垒、输运不匹配及界面缺陷容易造成电荷失衡与局域载流子积累，增强非辐射复合；高电流下的焦耳热及界面退化则进一步加剧效率滚降与性能衰减。因此，如何通过界面调控维持平衡注入和高效辐射复合，是提升器件性能的关键问题。
分子界面工程为解决上述问题提供了重要途径。以自组装单分子层为代表的界面分子，可通过锚定基团、分子骨架和功能基团的设计，调节界面能级、钝化缺陷，并影响相邻薄膜的形成。然而，现有研究常将这些作用分别讨论，尚需厘清分子结构、界面功能与工作状态下载流子行为之间的联系。尤其在持续偏压和高注入条件下，界面分子能否兼顾电荷平衡、钝化持久性与成膜兼容性，直接关系到器件效率和稳定性。由此，从载流子行为出发系统理解分子界面调控机制，是建立有效分子设计原则的重要基础。
内容简介
针对钙钛矿发光二极管中高发光效率薄膜难以转化为高效稳定器件，以及界面分子作用机制与电注入下载流子行为缺乏系统关联的问题， 武汉纺织大学方国家 构建了贯通载流子物理、界面功能与分子设计的分析框架。文章梳理不同载流子密度与限域条件下的复合竞争，分析注入失衡、界面电荷积累及局域非辐射损失如何引发效率滚降，并讨论焦耳热与界面演化对工作稳定性的影响。在此基础上，以自组装单分子层及相关界面分子为代表，系统总结其在埋藏空穴接触与顶部电子接触中的调控作用，涵盖能级与局域电子结构调节、缺陷钝化、结晶与成膜控制，以及界面激发态损失的抑制，并将这些机制与器件开启行为、瞬态响应及高亮度性能相联系。通过凝练兼顾偏压下电子调控、化学持久性与结构兼容性的分子设计原则，本文为界面分子的合理选择提供依据，并展望材料与界面匹配、工作状态表征和数据驱动筛选等研究方向。
图文导读
I 从界面损失到平衡复合
电荷注入界面通过影响载流子的注入、空间分布与复合路径，直接制约钙钛矿发光二极管的效率。界面缺陷可捕获载流子并引发非辐射复合，注入势垒与输运不匹配则容易造成局域电荷积累，使发光层在较低驱动电流下便出现高密度复合损失。因此，高效电致发光需要同时抑制陷阱损失、维持电子与空穴的平衡注入，并避免复合区域内载流子的过度聚集。分子界面工程通过协同调节接触能级、缺陷状态与成膜结构，改善载流子的空间重叠及复合环境，为实现高效辐射复合与稳定发光提供基础。
图 1. PeLEDs的界面限制及分子调控框架 。
II 钙钛矿材料和器件中的载流子行为
载流子的复合、注入与积累共同决定钙钛矿材料及器件的发光表现。在材料层面，陷阱辅助复合、辐射复合与高密度非辐射过程的竞争，使发光效率随载流子密度变化。对于自由载流子主导的体系，低密度下的陷阱损失与高密度下的俄歇复合限制了高效发光范围；对于激子主导的低维体系，激子—激子湮灭同样构成高密度损失通道。 准二维材料 中的空间限域与能量汇聚能够增强辐射复合，也可能加速局域载流子积累，因此需要协调缺陷抑制、相分布与限域程度，拓宽高效发光的密度窗口。
在器件层面，注入势垒、输运不对称和界面陷阱进一步改变载流子的空间分布。注入失衡可使电荷集中于局部区域，即使平均载流子密度尚不高，也可能出现显著的非辐射损失和效率滚降。持续电驱动产生的焦耳热还会促进离子重分布与界面演化，加剧性能衰减。材料复合动力学与器件工作行为的联系表明，提升电致发光性能需要同时优化辐射复合、载流子分布与热管理，并结合工作状态下的动力学表征识别实际损失机制。
图 2. 复合通道、载流子密度与发光效率之间的关系，以及工作器件中的复合动力学 。
III 界面分子在PeLEDs中的功能与发展
随着钙钛矿发光材料性能的提升，器件中的注入失衡与界面复合损失逐渐成为制约效率和稳定性的关键因素，推动界面分子从辅助修饰层发展为调控接触结构与载流子行为的重要组成。以自组装单分子层及相关分子为代表，分子界面工程通过可设计的锚定方式、分子堆积与功能基团，将界面化学、薄膜形成和电子调控相联系。
在埋藏界面，分子层通过改善润湿、粘附及前驱体相互作用，调节成核、结晶与缺陷分布，影响上层传输层和发光层的结构质量。同时，分子诱导的电荷转移、偶极作用与缺陷重分布能够改变局域费米能级、能带弯曲及载流子富集状态，调节接触选择性与复合区域。在顶部界面，分子接触则通过激发态能量管理、 化学结合 与界面覆盖，减少发光淬灭，改善电子注入，并增强热应力下的接触稳定性。
图3. 自组装分子在空穴传输层界面的锚定、电子耦合调控 。
这些相互耦合的作用最终体现为开启电压、瞬态响应、峰值效率、高电流下的效率滚降及工作寿命的变化。界面分子的有效性取决于其与发光材料、相邻传输层及加工条件的匹配，同一分子在不同器件中可能发挥不同的主导作用。因此，需要从具体器件的注入、复合与退化过程出发，理解分子结构如何转化为实际性能增益。
图 4. 界面分子对PeLEDs埋藏界面电子耦合、缺陷分布及结晶成膜的调控，器件的发光特性。
IV PeLEDs的界面分子的选择与设计
PeLEDs界面分子的选择应以器件实际工作条件为依据，综合考虑其对载流子分布、界面化学与薄膜形成的耦合影响。在电子调控方面，分子偶极的大小、取向及堆积方式共同决定界面电势与局域电场，需要在改善注入的同时避免电荷过度积累，维持不同驱动电流下的电荷平衡与复合区域稳定。因此，分子调控效果不能仅依据静态功函数或能级变化判断，还需结合偏压下的载流子行为进行评价。
化学持久性与结构兼容性同样是设计的关键。界面分子既要通过稳定锚定和完整覆盖保持钝化与载流子选择性，也需适应后续沉积中的溶剂、热处理及润湿要求，并在持续电驱动下承受局域升温、电荷积累与离子重分布。其组装效果具有基底依赖性，对相邻薄膜成核、相分布和结构完整性的影响，也需与具体发光体系相匹配。
基于这些要求，分子筛选应综合考察锚定基团的结合强度与工艺耐受性、连接基团的构象与堆积特征，以及功能基团的偶极、配位和表面调控能力，并结合开启行为、瞬态电致发光、效率滚降、高亮度表现及制备重复性验证。建立关联分子结构、界面表征与器件性能的系统化分子库，可进一步支持数据驱动筛选，识别适合PeLEDs工作条件的多功能结构组合。
图 5. 界面分子组成、功能与设计原则 。
V 总结
本文从载流子行为、界面限制与分子设计的关联出发，系统总结了PeLEDs中的分子界面调控机制。界面分子的作用贯穿薄膜形成与器件工作全过程，涉及前驱体配位、润湿与成核、缺陷分布、电荷选择性及复合区域调节。因此，其性能增益取决于分子结构、发光材料、相邻功能层和加工条件的共同匹配，需要在具体器件中理解结构、化学与电子功能如何协同发挥作用。
未来研究应拓展锚定基团、连接结构、多齿结合位点与功能基团的设计空间，并加强界面分子与准二维、混卤、纳米晶及深蓝发光体系的适配。随着材料和界面质量提升，简化器件堆叠、减少功能层及优化 光提取结构 将成为值得探索的方向，但需同步保持电荷平衡与接触稳定性。针对持续电驱动下局域升温、电荷积累、离子重分布和界面反应相互耦合的退化过程，还需提高分子锚定与堆积的稳健性，解决基底依赖、覆盖不均及润湿失配等问题，并通过材料与器件设计降低电学和热学应力。
工作状态下的原位表征是建立可靠机制认识的重要支撑。静态薄膜的光致发光测试难以完整反映器件中的非对称注入、界面电荷积累与耦合退化，需要结合瞬态电致发光、工作状态超快光谱、偏压热成像及原位掠入射广角X射线散射等技术，直接追踪复合区域、界面化学与结构的演变。将这些表征与材料、分子及器件设计相结合，有助于明确性能提升和失效的实际机制，推动PeLEDs向高效率、高亮度与长期稳定运行发展。
作者简介
方国家
本文通讯作者
武汉纺织大学 教授
▍ 主要研究 领域
(1)钙钛矿太阳能电池；(2)钙钛矿发光二极管；(3)钙钛矿探测器等其它光电器件。
▍ 主要研究成果
二级教授（阳光杰出学者特聘教授），博士生导师，湖北省优秀博士论文和国务院政府特殊津贴获得者。2014年获湖北省自然科学一等奖（排名第二）。主持完成863计划课题、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金面上项目和湖北省技术创新重大专项，参与国家973计划子课题、国家自然科学基金委重大研究计划重点项目等多项科研项目。长期致力于能源科学和光电器件的研究与应用，在Nature、Nat. Photon.、Nat. Energy、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Joule、Matter、IEEE EDL、IEEE TED等国际杂志上发表SCI源刊论文300余篇，授权发明专利四十余项。
▍ Email： gjfang@whu.edu.cn
姚方
本文通讯作者
武汉纺织大学 副教授
▍ 主要研究 领域
新型半导体光电材料制备、器件设计及光电表征。
▍ 主要研究成果
主持国家自然科学基金青年项目及省/市级科研项目，参与国家重点研发等多项科研项目，入选武汉英才（优秀青年人才）计划。已在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano、Sci. Bull.、 Nano-Micro Lett.、Adv. Funct. Mater.等SCI期刊上发表论文70余篇，已获得授权专利6项，参与编著1部。目前担任ACS Energy Lett.、Chem. Eng. J.、Adv. Electron. Mater.等期刊审稿人。
▍ Email： fangy@whu.edu.cn
Akhtam Amonov
本文通讯作者
撒马尔罕国立大学 教授
▍ 主要研究 领域
（1)非共价相互作用与分子建模；(2)材料科学与实验及计算化学。
▍ 主要研究成果
主要从事分子间相互作用及其光谱表征研究。曾在韩国首尔国立大学及其太赫兹生物应用系统中心、俄罗斯圣彼得堡国立大学分子光谱实验室开展交流与研究，2026年赴捷克科学院相关研究所开展访问授课与合作研究。在J. Phys. Chem. A、Phys. Chem. Chem. Phys.及ChemPhysChem等国际期刊上发表论文30余篇。
▍ Email： akhtamul@gmail.com
撰稿： 原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
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