海洋光学QEPRO测量PELED的PL、寿命、量子效率、无铅钙钛矿器件技术
2026-05-12 来源:本站 点击次数:75
由浙江大学光电科学与工程学院/国际联合学院的狄大卫教授、赵保丹研究员团队牵头，并携手西安交通大学等多个研究机构共同完成的一项研究，于2026年4月27日在国际顶级学术期刊《Nature Photonics》上在线发表。该研究聚焦于无铅锡基钙钛矿发光二极管（PeLED）稳定性极差这一关键难题，首次提出了“应力重构”策略。
本研究的核心亮点在于通过技术手段实现了应力分布的精准调控，并揭示了应力与锡基钙钛矿稳定性之间的深层关联
本研究测量PELED的各项参数（PL，寿命，量子效率）均由海洋光学的QE PRO完成
在本研究中，通过热蒸发技术，可以精确地重新配置CsSnI3 中的应变分布。在各种共蒸发和顺序蒸发卤化物前驱体组合的情况下，观察到 CsSnI3 磷灰石型样品中存在明显不同的应变分布。通过精细调整的组合蒸发过程，实现了界面处应变松弛、体部应变压缩的 CsSnI3 磷灰石层。凭借这种重新配置应变的新自由度，研究团队将卤化物磷灰石家族中稳定性较差的成员 CsSnI3 转化为具有惊人高稳定性的材料。观察到增强的光稳定性以及抑制了 Sn2+向更高氧化态的转化，这在光致发光（PL）稳定性、X 射线光电子能谱（XPS）、霍尔效应测量和计算中均有体现。这些器件表现出令人惊讶的稳定性能，其超长的使用寿命（T50）分别为 1250 小时（100 mA/cm²）和 3350 小时（25 mA/cm²），是目前在高电流密度下稳定性最强的磷光发光二极管之一。
为了进一步了解应变重新配置过程，通过 XRD 和 GIXRD 测量研究了组合蒸发的 CsSnI3 中应变分布的变化情况（图b、c）。在共蒸发过程之后，作为连续蒸发过程的第一步，是沉积 SnI2（图 1方法）。在此阶段，底层共蒸发层的 XRD 图谱被 SnI2 的衍射所掩盖（图 3c）。在随后的 CsI 覆盖步骤（样品结构：30 纳米共蒸发层/25 纳米 SnI2/x 纳米 CsI，其中 x 表示 CsI 厚度）中，随着 CsI 厚度达到 10 纳米，CsSnI3 的衍射峰出现并变得更加明显（图 3c）。在组合蒸发的 CsSnI3 上观察到应变重新分布现象，以及后续的退火过程。经过退火处理后，样品的结晶度得到了提高。在连续沉积和退火步骤中，组合蒸发样品中的应变重新配置过程如图 b、c 所示。单独沉积 SnI2 层并未被发现能促进钙钛矿的形成。在随后沉积 CsI 的过程中，底部界面最初形成了轻微的压缩应变。随着 CsI 沉积厚度的增加，这种应变逐渐松弛，并转变为弱拉伸应变。同时，靠近顶部表面的拉伸应变随着 CsI 厚度的增加而增强（从 0.12% 增加到 0.52%）。在 150°C 下进行 30 秒的短暂退火后，样品中的拉伸应变大幅降低。经过 10 分钟的退火后，样品界面处的拉伸应变完全松弛，而内部区域则出现了压缩应变（图 3b、c）。研究团队发现，组合蒸发的 CsSnI3 中的应变分布对衬底的选择相对不敏感。
基于CsSnI3 的 PeLED（光电发光二极管）采用的结构为lass/indium tin oxide (ITO)/poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrene-sulfonate) (PEDOT:PSS)/perovskite (CsSnI3)/1,3,5-tris (N-phenylbenzimidazol-2-yl) benzene (TPBi)/lithium fluoride (LiF)/aluminium (Al)（图 5a、b）。基于依次蒸发、连续蒸发和组合蒸发的 CsSnI3 的 PeLED 显示出在 929 nm、946 nm和 944 nm处的电致发光峰。基于蒸发态 CsSnI3 的 PeLED 的特性如扩展数据图所示。蒸发态 CsSnI3 的组合蒸发、依次蒸发和组合蒸发的 PeLED 的外部量子效率（EQE）分别为 1.1%、5.1% 和 6.6%，这意味着光提取效率约为 25%。通过使用光学透镜结构，研究团队组合蒸发的 CsSnI3 PeLED 的 EQE 提高到了约 11%（在 280 mA cm-2时），这代表了在高电流密度下工作的部分最高效的锡基近红外 PeLED。
本文研究了 CsSnI3 型光电二极管（PeLED）的运行稳定性，实验记录了完整的T50 寿命数据。在 100 mA/cm² 的高电流密度下，共蒸发的 CsSnI3 和依次蒸发的 CsSnI3 PeLED 的 T50 寿命分别测量为 63.5 小时和 27.5 小时（图 5c）。相比之下，以 100 mA/cm² 驱动的组合蒸发的 CsSnI3 PeLED 的 T50 寿命测量值约为 1250 小时，比在 100 mA/cm² 电流密度下最稳定的铅基 PeLED（256 小时）高出约 5 倍，比最稳定的无铅 PeLED（39.5 小时）高出约 31 倍。在 50 和 25 mA/cm² 的较低电流密度下，器件的 T50 寿命分别测量为 2000 小时和 3350 小时。在 200 mA/cm²、400 mA/cm²、600 mA/cm² 和 800 mA/cm² 的较高电流密度下，T50 寿命分别为 843 小时、270 小时、123 小时和 38 小时（图 5d）。特别是，本文设备的 T50 使用寿命（在 100 mA cm-2的电流下）优于目前最先进的有机 LED 和量子点 LED。组合蒸发的 CsSnI3 PeLED 的性能能够得到可重复的实现。这些实验和分析表明，顶部和底部界面应变水平最小的组合蒸发 CsSnI3 样品所制备的 PeLED 具有最长的 T50 使用寿命（在 100 mA cm−2的电流下可达 1250 小时）（图 f、g）。检测结果均由海洋光学的QE PRO完成
尽管该研究在稳定性方面取得了革命性突破，但作者也指出，当前约6.6%的EQE与最先进的铅基PeLED（>20%）相比仍有差距，这指明了未来改进的方向。此外，若未来能进一步完全释放薄膜体相内部的残余应力，器件的寿命潜力还有望被进一步挖掘。这项成果极大地提振了无铅钙钛矿技术的信心，推动环保、低成本、超长寿命的光电器件向大规模实际应用迈出了关键一步。
参考文献：
1. Tang W, Zhang G, Xiong W, Xie S, Wang H, Yang Y, et al. Minimizing strain for ultra-stable tin perovskite LEDs. Nature Photonics 2026.
海洋光学QEPRO光谱仪
QE Pro是一款多功能、高灵敏度光谱仪，适用于常规应用和弱光信号的荧光和拉曼分析等应用。采用背照式CCD探测器具有高量子效率和板载缓存功能，以确保在高速采集中的数据完整性。可选的内置快门可有效控制暗噪音，可更换狭缝便于客户适配不同的应用场景。QE Pro包含定制和预配置型号。
产品特点
l 可更换狭缝光栅
l 2个指示灯显示光谱仪与热电冷却状态
l 10个用户可编程数字I/O引脚
l 4种触发模式
l SPI/I2C外设控制通信、USB 2.0全速传输
l RS232最高460k波特率非易失性存储
应用领域
l 血液和生物样品的吸光度
l 环境中的气溶胶
l 食品掺假
l 蛋白质荧光测量
l 需要高热稳定性和低杂散光的弱光应用
l 眼科材料监测
我们也可以提供应用于量子效率测试的电致发光样品测试支架，包括底座、样品架以及积分球，底座可接入源表，可以通过调节样品架的位置和电压接入位点以实现样品不同位置的发光效率测试。
可变光强PLQY量子效率测量系统可以搭配使用3.3英寸积分球和相关配件进行测量。以专用软件准确的进行绝对辐射校准以及光致发光期间策略。所有设备小巧灵活，均能以模块化方式进行组装，并搭建在手套箱内。
可测参数：
亮度
色坐标
主波长
量子效率
量子效率随激发功率的曲线
辐射通量，电流密度
EQY量子效率测量系统一套综合了PL，EL测试功能为一体的OLED，量子点，钙钛矿等材料特性测试方案。
这套量子效率测量系统包含高灵敏度光纤光谱仪QEPro、辐射校准光源HL-3P-INT-CAL、激发光源、SpectrumTEQ-EQY-S量子效率测量软件、Keithley高精度源表、积分球FOIS-1和样品夹具/探针台。
其中QEPro具备超高灵敏度和宽光谱响应范围，可捕捉微弱光信号，保证测量的精准度；辐射校准光源HL-3P-INT-CAL具备高稳定性、宽光谱覆盖范围和已知辐射通量的特点，可以修正光谱仪的响应系数、暗电流噪声、光路损耗等带来的偏差，建立输入辐射量和输出电信号的精准对应关系；积分球FOIS-1是实现光信号高效、均匀收集的关键光学部件，积分球将样品电致发光的全角度光信号均匀化后传输至光谱仪，确保采集到的光信号能真实反映样品的整体发光特性；而样品夹具可实现样品的稳定固定、精准定位，以及与源表的可靠电学连接，保障电激励的有效施加和样品发光的稳定采集。
本研究的核心亮点在于通过技术手段实现了应力分布的精准调控，并揭示了应力与锡基钙钛矿稳定性之间的深层关联
本研究测量PELED的各项参数（PL，寿命，量子效率）均由海洋光学的QE PRO完成
在本研究中，通过热蒸发技术，可以精确地重新配置CsSnI3 中的应变分布。在各种共蒸发和顺序蒸发卤化物前驱体组合的情况下，观察到 CsSnI3 磷灰石型样品中存在明显不同的应变分布。通过精细调整的组合蒸发过程，实现了界面处应变松弛、体部应变压缩的 CsSnI3 磷灰石层。凭借这种重新配置应变的新自由度，研究团队将卤化物磷灰石家族中稳定性较差的成员 CsSnI3 转化为具有惊人高稳定性的材料。观察到增强的光稳定性以及抑制了 Sn2+向更高氧化态的转化，这在光致发光（PL）稳定性、X 射线光电子能谱（XPS）、霍尔效应测量和计算中均有体现。这些器件表现出令人惊讶的稳定性能，其超长的使用寿命（T50）分别为 1250 小时（100 mA/cm²）和 3350 小时（25 mA/cm²），是目前在高电流密度下稳定性最强的磷光发光二极管之一。
为了进一步了解应变重新配置过程，通过 XRD 和 GIXRD 测量研究了组合蒸发的 CsSnI3 中应变分布的变化情况（图b、c）。在共蒸发过程之后，作为连续蒸发过程的第一步，是沉积 SnI2（图 1方法）。在此阶段，底层共蒸发层的 XRD 图谱被 SnI2 的衍射所掩盖（图 3c）。在随后的 CsI 覆盖步骤（样品结构：30 纳米共蒸发层/25 纳米 SnI2/x 纳米 CsI，其中 x 表示 CsI 厚度）中，随着 CsI 厚度达到 10 纳米，CsSnI3 的衍射峰出现并变得更加明显（图 3c）。在组合蒸发的 CsSnI3 上观察到应变重新分布现象，以及后续的退火过程。经过退火处理后，样品的结晶度得到了提高。在连续沉积和退火步骤中，组合蒸发样品中的应变重新配置过程如图 b、c 所示。单独沉积 SnI2 层并未被发现能促进钙钛矿的形成。在随后沉积 CsI 的过程中，底部界面最初形成了轻微的压缩应变。随着 CsI 沉积厚度的增加，这种应变逐渐松弛，并转变为弱拉伸应变。同时，靠近顶部表面的拉伸应变随着 CsI 厚度的增加而增强（从 0.12% 增加到 0.52%）。在 150°C 下进行 30 秒的短暂退火后，样品中的拉伸应变大幅降低。经过 10 分钟的退火后，样品界面处的拉伸应变完全松弛，而内部区域则出现了压缩应变（图 3b、c）。研究团队发现，组合蒸发的 CsSnI3 中的应变分布对衬底的选择相对不敏感。基于CsSnI3 的 PeLED（光电发光二极管）采用的结构为lass/indium tin oxide (ITO)/poly(3,4-ethylenedioxythiophene): poly(styrene-sulfonate) (PEDOT:PSS)/perovskite (CsSnI3)/1,3,5-tris (N-phenylbenzimidazol-2-yl) benzene (TPBi)/lithium fluoride (LiF)/aluminium (Al)（图 5a、b）。基于依次蒸发、连续蒸发和组合蒸发的 CsSnI3 的 PeLED 显示出在 929 nm、946 nm和 944 nm处的电致发光峰。基于蒸发态 CsSnI3 的 PeLED 的特性如扩展数据图所示。蒸发态 CsSnI3 的组合蒸发、依次蒸发和组合蒸发的 PeLED 的外部量子效率（EQE）分别为 1.1%、5.1% 和 6.6%，这意味着光提取效率约为 25%。通过使用光学透镜结构，研究团队组合蒸发的 CsSnI3 PeLED 的 EQE 提高到了约 11%（在 280 mA cm-2时），这代表了在高电流密度下工作的部分最高效的锡基近红外 PeLED。本文研究了 CsSnI3 型光电二极管（PeLED）的运行稳定性，实验记录了完整的T50 寿命数据。在 100 mA/cm² 的高电流密度下，共蒸发的 CsSnI3 和依次蒸发的 CsSnI3 PeLED 的 T50 寿命分别测量为 63.5 小时和 27.5 小时（图 5c）。相比之下，以 100 mA/cm² 驱动的组合蒸发的 CsSnI3 PeLED 的 T50 寿命测量值约为 1250 小时，比在 100 mA/cm² 电流密度下最稳定的铅基 PeLED（256 小时）高出约 5 倍，比最稳定的无铅 PeLED（39.5 小时）高出约 31 倍。在 50 和 25 mA/cm² 的较低电流密度下，器件的 T50 寿命分别测量为 2000 小时和 3350 小时。在 200 mA/cm²、400 mA/cm²、600 mA/cm² 和 800 mA/cm² 的较高电流密度下，T50 寿命分别为 843 小时、270 小时、123 小时和 38 小时（图 5d）。特别是，本文设备的 T50 使用寿命（在 100 mA cm-2的电流下）优于目前最先进的有机 LED 和量子点 LED。组合蒸发的 CsSnI3 PeLED 的性能能够得到可重复的实现。这些实验和分析表明，顶部和底部界面应变水平最小的组合蒸发 CsSnI3 样品所制备的 PeLED 具有最长的 T50 使用寿命（在 100 mA cm−2的电流下可达 1250 小时）（图 f、g）。检测结果均由海洋光学的QE PRO完成尽管该研究在稳定性方面取得了革命性突破，但作者也指出，当前约6.6%的EQE与最先进的铅基PeLED（>20%）相比仍有差距，这指明了未来改进的方向。此外，若未来能进一步完全释放薄膜体相内部的残余应力，器件的寿命潜力还有望被进一步挖掘。这项成果极大地提振了无铅钙钛矿技术的信心，推动环保、低成本、超长寿命的光电器件向大规模实际应用迈出了关键一步。
参考文献：
1. Tang W, Zhang G, Xiong W, Xie S, Wang H, Yang Y, et al. Minimizing strain for ultra-stable tin perovskite LEDs. Nature Photonics 2026.
海洋光学QEPRO光谱仪
QE Pro是一款多功能、高灵敏度光谱仪，适用于常规应用和弱光信号的荧光和拉曼分析等应用。采用背照式CCD探测器具有高量子效率和板载缓存功能，以确保在高速采集中的数据完整性。可选的内置快门可有效控制暗噪音，可更换狭缝便于客户适配不同的应用场景。QE Pro包含定制和预配置型号。产品特点
l 可更换狭缝光栅
l 2个指示灯显示光谱仪与热电冷却状态
l 10个用户可编程数字I/O引脚
l 4种触发模式
l SPI/I2C外设控制通信、USB 2.0全速传输
l RS232最高460k波特率非易失性存储
应用领域
l 血液和生物样品的吸光度
l 环境中的气溶胶
l 食品掺假
l 蛋白质荧光测量
l 需要高热稳定性和低杂散光的弱光应用
l 眼科材料监测
我们也可以提供应用于量子效率测试的电致发光样品测试支架，包括底座、样品架以及积分球，底座可接入源表，可以通过调节样品架的位置和电压接入位点以实现样品不同位置的发光效率测试。可变光强PLQY量子效率测量系统可以搭配使用3.3英寸积分球和相关配件进行测量。以专用软件准确的进行绝对辐射校准以及光致发光期间策略。所有设备小巧灵活，均能以模块化方式进行组装，并搭建在手套箱内。
可测参数：
亮度
色坐标
主波长
量子效率
量子效率随激发功率的曲线
辐射通量，电流密度
EQY量子效率测量系统一套综合了PL，EL测试功能为一体的OLED，量子点，钙钛矿等材料特性测试方案。这套量子效率测量系统包含高灵敏度光纤光谱仪QEPro、辐射校准光源HL-3P-INT-CAL、激发光源、SpectrumTEQ-EQY-S量子效率测量软件、Keithley高精度源表、积分球FOIS-1和样品夹具/探针台。
其中QEPro具备超高灵敏度和宽光谱响应范围，可捕捉微弱光信号，保证测量的精准度；辐射校准光源HL-3P-INT-CAL具备高稳定性、宽光谱覆盖范围和已知辐射通量的特点，可以修正光谱仪的响应系数、暗电流噪声、光路损耗等带来的偏差，建立输入辐射量和输出电信号的精准对应关系；积分球FOIS-1是实现光信号高效、均匀收集的关键光学部件，积分球将样品电致发光的全角度光信号均匀化后传输至光谱仪，确保采集到的光信号能真实反映样品的整体发光特性；而样品夹具可实现样品的稳定固定、精准定位，以及与源表的可靠电学连接，保障电激励的有效施加和样品发光的稳定采集。
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