12 月 10 日 - 11 日，由浙江省委人才办、绍兴市委市政府、《麻省理工科技评论》主办的全球青年科技领袖峰会暨《麻省理工科技评论》中国 “35 岁以下科技创新 35 人” 颁奖典礼在绍兴上虞举行。“35 岁以下科技创新 35 人” 2020 年中国榜单正式发布。
在现场，浙江大学光电科学与工程学院研究员、博士生导师、2019 年度《麻省理工科技评论》全球 “35 岁以下科技创新 35 人” 获奖者狄大卫通过《探索下一代发光二极管》的主题演讲，分享了在光电子器件领域的突破性研究，包括对有机分子发光过程的深入研究和钙钛矿 LED 的探索。
图 | 狄大卫在全球青年科技领袖峰会现场分享
目前，有机发光二极管（OLED）被广泛应用到了智能手机、高清显示屏等终端领域，市场已经形成了每年高达千亿美金的产业规模。但 OLED 无论是制造过程还是工作时对能源的消耗都需要继续降低。
以对普通用户来说最直观的感受举例，大屏幕、柔性屏虽然给用户带来了全新的体验感，但也让手机电池越来越 “脆弱”。
狄大卫表示，希望通过对光电子领域的深入研究，一方面帮助解决其对能源消耗的问题，另一方面能够为未来资源的可持续发展创造空间。同时，他认为钙钛矿 LED 应用前景非常广泛，未来发展空间巨大。此外，利用钙钛矿发光特性设计的叠层太阳能电池的理论效率可达 43%。
利用新型有机发光分子设计溶液法 OLED，外量子效率可达 27.5%
狄大卫介绍，太阳能电池与 LED 的工作原理是两个互逆的过程，在理想状态可以实现 “光转电、电转光” 的双向互逆，但在实际的实验室的论证中，这个情况并不是一定的。比如硅太阳能电池早已大规模应用，但硅不是一个很好的发光体，所以光转电很容易，但是电转光却不太容易。
狄大卫说，在 OLED 中的光电转化的过程主要受自旋态的作用主导，正负电荷在有机半导体里面结合的时候会形成不同的自旋态，有些可以发光，但另一些则不能发光。
作为提升效率的方案之一，狄大卫在研究中利用了三重态聚变原理，让两个暗能态相撞产生亮能态，从而达到亮能态增多，暗能态减少的目的，有效提高了电能到光能的转化能效。
图 | OLED 中的三重态聚变
“我们在 2017 年的时候发现三重态聚变在 OLED 里面的效率高达 70%，可以将 70% 的不能发光的状态变成发光的状态。” 狄大卫说道。
另一方面，在研究光电转化的过程中，狄大卫与剑桥大学、以及东英吉利大学的合作伙伴发现了一种新型有机发光分子 CMA，由于其特殊的分子结构，亮暗能态能量差降为零，几乎 100% 的暗能态都能得到有效利用。他们基于这种分子设计了低成本溶液法制作的 OLED，可使外量子效率达到 27.5%，该研究创造了溶液法 LED 的世界记录。
钙钛矿应用前景广阔，钙钛矿 LED 内量子效率可接近 100%
狄大卫介绍，卤化物钙钛矿是在实验室人工合成的新型半导体材料。具有低成本、易合成、生产所需能耗低、色彩覆盖范围广、高亮度、发光纯度高等特点，因此在发光与照明等领域具有潜在的应用前景。此外，钙钛矿已被证明是未来高效率太阳能电池的潜在材料。
资料显示，2009 年，使用钙钛矿制作的太阳能电池仅有 3.8% 的太阳能转化率。到了 2020 年，这一数字已经超过了 25%，与传统晶体硅电池不相上下。钙钛矿 LED 是在 2014 年才发展起来的研究方向，最初的效率不到 1%，它的发展更为迅速。
2018 年，狄大卫与剑桥大学的合作者就提出了用钙钛矿和聚合物形成异质结构的概念，他们的研究结果显示，这种钙钛矿 LED 的外量子效率超过 20%，更重要的是，其内量子效率可能接近 100%，这与高效 OLED 类似，该研究创造了当时的效率纪录。
实验中，狄大卫与合作者将器件界面的能量损失降到最低，并研究了钙钛矿内部的发光动力学过程。结果显示，在等效于太阳光强度的外界光照下，钙钛矿的荧光量子效率可以高达 96%。
随后，团队又对钙钛矿 LED 最高效率做了理论模拟。“假设我们的钙钛矿 LED 和 OLED 是类似的光学模型，它的最高效率大概在 21% 左右，我们在实验室中论证的效率是 20.1%，非常接近这个理论效率。当然还能够通过改进器件设计来进一步提升效率。” 狄大卫表示。
实验证明了钙钛矿 LED 和有机发光二级管 OLED 一样，有着非常好的应用前景。但相比 OLED，钙钛矿 LED 的稳定性较差，效率上仍不理想。
对此，狄大卫还分享了钙钛矿 LED 的量子效率提升的两种解决方案：
第一，通过光子回收实现效率提升。其团队首次验证了光子回收的过程。发现在一些自吸收比较强的体系中，光子回收效应比较显著。计算与实验表明，30-70% 的电致发光可能来源于光子回收，这为未来钙钛矿 LED 效率的进一步提升开辟了新的道路。
第二，界面调控实现效率提升。如果要真正将钙钛矿 LED 运用到显示屏上，还存在一些其他问题，虽然高效率钙钛矿 LED 已经实现，但进一步的发展将受到器件结构的限制。通过引入一种氟化物界面，实现界面修饰，可以使效率显著提升。他解释道，“在氟化锂界面上形成的钙钛矿材料具有更长的荧光寿命，界面能量损失更小，所以采用二维三维混合结构的绿光钙钛矿 LED，在较高亮度下也可以达到 19.1% 的效率。”
图 | Nature Electronics 封面论文：基于氟化物界面的钙钛矿 LED
通过对钙钛矿发光的深入研究，狄大卫与合作者将其利用在提升太阳能电池的效率上，提出一种可溶液处理的新型叠层电池。通过将钙钛矿发光材料和胶体量子点相结合，实现太阳光的转化效率的提升。
图 | 钙钛矿 / 胶体量子点叠层太阳能电池
“其中一层电池材料吸收太阳光后，它会产生一些荧光，发出来的光子可以被另外一层太阳能电池材料吸收，这样可以进一步提高电池的电流和电压，所以理论效率可以达到 43% 左右。” 狄大卫补充称。
尽管实验早期数据很不理想，但狄大卫始终认为这种新型叠层太阳能电池是未来比较有趣的一个方向。他坦言，研究的过程不是只追求结果能不能用，更重要的是探索实验过程中间发生了什么，为什么会发生，这也是科研人员最关心的问题。
2018 年从剑桥大学回国至今，狄大卫建立的光电子学研究组已经由最初的三个人发展成了二十多人的团队。狄大卫透露，未来团队会进一步探索新发光器件和发光原理，包括对于一些光电转换的新理论和器件结构的尝试和探索。
