全球首款有源驱动的钙钛矿单色显示面板面世

2023年4月6日， Nature Photonics在线刊发了华中科技大学唐江教授课题组题为《Efficient all-thermally evaporated perovskite light-emitting diodes for active-matrix displays》的研究论文。

该工作是华中科技大学唐江教授团队与武汉华星光电技术有限公司合作，制备出一种适配TFT驱动电路的高效钙钛矿发光二极管，实现了清晰度可比拟商用OLED产品、分辨率为1080×2400的显示图像动画，为首款有源驱动的钙钛矿单色显示面板。论文第一作者为李京徽、杜培培、郭庆勋和孙亮，通讯作者为罗家俊副教授和唐江教授。论文第一单位为华中科技大学。

研究背景

有源驱动的发光二极管是当今显示技术的重要元器件，在商业电子、医疗影像、教育科研等人机交互领域应用广泛，具有千亿级的市场规模。现在商用OLED显示技术的色纯度较低，同时核心专利技术被欧美、日韩国家卡脖子；另外传统Ⅲ-Ⅴ族半导体制备的Micro-LED显示技术依赖于高温工艺及外延衬底，无法直接与硅基电路集成，存在良率低、成本高等核心难题。

近年来，卤素钙钛矿发光二极管（PeLED）因其易调谐的发光带隙（覆盖可见光）、优异的色纯度（发光线宽<20 nm）、较低的材料成本以及可常温制备等特性受到广泛关注。尤其钙钛矿绿光材料，其色坐标接近国际电信联盟Rec. 2020绿光标准（0.170，0.797），相比于传统的OLED技术可以显著提升色域范围，从而提升显示面板的色彩质量。

此外，PeLED的外量子效率（EQE）已接近30%，与商用OLED显示技术相媲美，这极大激发了人们将其推向显示产业化应用的兴趣。

但是目前高效PeLED主要依赖于溶液法制备，难以实现大面积像素化，不易进一步与薄膜场效应晶体管（TFT）驱动电路结合以实现显示面板的产业化应用。因此，PeLED的制备技术需要新的突破，以满足其在产业化应用上的迫切需求。

研究内容及结果

唐江教授团队采用热蒸发技术（半导体产业中广泛运用）制备PeLEDs器件，可借鉴OLED显示产业中的成熟技术与经验，实现规模化产业应用。针对热蒸发PeLEDs面临的长期问题——发光效率低，通过三源热蒸发技术将TPPO配体材料引入CsPbBr3的原位结晶过程中，TPPO配体在对载流子限域和晶体缺陷钝化的同时，减缓了晶体生长动力学过程，促使原位生成高质量结晶的CsPbBr3-TPPO纳米晶薄膜，PLQY接近80%（图1）。

基于CsPbBr3-TPPO纳米晶薄膜，团队构筑了首个全热蒸发器件结构的PeLEDs，与现有OLED生产线兼容，制备的器件峰值EQE达到16.4%，较之前热蒸发PeLEDs所报道的最高效率提升近一倍。

通过将顶发射PeLEDs集成到6.67英寸的TFT背板上，团队进一步实现了首款有源驱动的钙钛矿单色显示面板，图2展示了显示分辨率为1080×2400的高清图像和视频以及连续的灰度信息。以上充分证明了热蒸发PeLED技术是一条满足钙钛矿显示面板批量化、大面积、像素化生产的可行路径，并兼容现有的OLED产线和设备，有望直接推进钙钛矿在显示领域的产业化进程。

图1.热蒸发CsPbBr3的配体钝化策略。(a) 三源热蒸发示意图。(b-c) 热蒸发CsPbBr3和CsPbBr3-TPPO的结晶过程对比示意图。(d-e) 热蒸发CsPbBr3和CsPbBr3-TPPO薄膜的SEM表面形貌以及晶体尺寸分布，其中CsPbBr3-TPPO薄膜芯片尺寸更小且分布均匀。(f) 热蒸发CsPbBr3和CsPbBr3-TPPO薄膜的荧光光谱图。

图2. 热蒸发PeLED显示面板应用。(a) 显示面板结构的示意图。(b) 显示面板截面的示意图。(c) 显示面板像素坑的截面SEM图。(d) AMPeLED显示面板及其工作图像。(e) 显示面板静态显示图像。(f) 显示面板视频截图，展示出丰富的灰阶信息。(g) 显示面板的微观像素图像，相邻之间的像素发光均匀。

该研究工作得到了武汉华星光电技术有限公司在驱动电路方面的大力支持，以及华中科技大学分析测试中心和武汉精测电子有限公司的设施支持。该工作获得了国家自然科学基金、湖北光谷实验室、湖北省创新研究群体基金、华星光电产学研项目和博士后创新人才支持计划的资助。（来源：华中科技大学）