高效无铅发光二极管：新型结构实现22%发光效率

过去十年，溶液法制备的金属卤化物发光材料在半导体领域展现出变革性潜力，在发光二极管（LED）、X射线闪烁体等光电子应用中备受关注。这类材料具有合成简便、成本低、带隙可调、光学和电学性能优异等优势。然而，铅基卤化物发光二极管虽性能突出，但铅的毒性严重阻碍其商业化，促使研究者探索环境友好的无铅替代材料。锡因与铅价电子构型和离子半径相似成为候选，但锡离子易氧化的问题尚未解决。
近年来，引入大体积有机阳离子形成零维（0D）无铅结构是解决毒性问题的有效途径。其中，0D锑基有机-无机金属卤化物因低毒性、锑离子高 valence稳定性及优异发光性能，成为发光材料的有力候选，其发光可通过选择有机阳离子调谐至整个可见光谱甚至近红外区。但作为电驱动LED的研究尚处于起步阶段，性能远逊于铅基LED，主要瓶颈在于有机阳离子导电性差、带隙宽，导致电荷注入和传输困难及能级匹配问题。
本研究报道了高效溶液法制备的无铅金属卤化物LED，基于高发光0D磷鎓锑（III）氯化物杂化物（AylPPh3）2SbCl5，实现了22%的创意外量子效率（EQE）和55.84坎德拉/安培的电流效率。该晶体和粉末通过溶剂扩散法易合成，重现性好。通过选择有机阳离子，该杂化物呈现明亮橙色发射，光致发光量子产率（PLQY）接近100%，寿命为3.2微秒。理论计算结合光学和光物理性质分析揭示了其高效自陷激子（STE）发射机制。
LED器件结构为ITO玻璃阳极/PEDOT:PSS空穴注入层/Poly-TPD空穴传输层/发光层/TPBi电子传输层/LiF/Al阴极。为解决（AylPPh3）2SbCl5本征STE发射导致的载流子传输和注入效率低问题，采用二元主客体策略，将其掺杂到由TAPC和2,6DCzPPy组成的有机半导体基质作为发光层。这种设计改善了薄膜形态（表面光滑、结晶相分布均匀，无深 grain boundaries，而纯膜粗糙度高、有大结晶岛），提高了电荷载流子迁移率（掺杂膜空穴和电子迁移率分别为3.34×10⁻⁵和3.82×10⁻⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹，远高于纯膜的3.32×10⁻⁶和6.78×10⁻⁶ cm² V⁻¹ s⁻¹），并实现了更好的载流子平衡。
掺杂器件性能显著优于未掺杂器件：开启电压低、漏电流小，最大亮度达2292 cd/m²，EQE达21.98%，电流效率55.84 cd/A，为0D和无铅金属卤化物LED树立了新标杆。31个器件平均EQE约15.6%，重现性好。EL光谱在约580 nm处有单一发射峰，不同电压下无明显偏移，光谱稳定性好。相比之下，以纯（AylPPh3）2SbCl5为发光层的未掺杂LED性能极差，EQE仅0.2%，主要因薄膜形态差和导电性低。
该二元主客体策略具有普适性，可推广到其他无铅金属卤化物发光材料（如锰、铋、铜基簇发射体），为开发高效、无铅0D金属卤化物LED提供了简便且通用的方法。