嵌入式光管理结构解决厚钙钛矿二极管中发光-光伏矛盾

一、研究背景：LED 与光伏的设计矛盾

金属卤化物钙钛矿同时被视为太阳能电池和发光二极管（LEDs）领域最具潜力的材料之一。然而，这两种应用对器件设计提出了根本性矛盾的要求：高效 LED 需要超薄、高辐射率的层；而高效光伏则需要厚吸光层。这种设计矛盾使得钙钛矿 LED 和太阳能电池长期以来沿着各自的架构独立发展，难以实现单一器件在两种模式下同时达到高效。本研究首次提出嵌入式光管理架构可以同时解决这两个相互制约的问题。

二、e-Al₂O₃ 嵌入式光管理结构的构建

研究团队采用静电共组装策略构建 e-Al₂O₃ 嵌入式光管理结构。TEM 证实多孔形貌和表面修饰剂均匀分布；SEM 俯视图显示不同浓度下岛屿的形貌演变；截面 SEM 直观展示了嵌入在器件中的结构；FDTD 光学模拟验证了 e-Al₂O₃ 岛屿的光场调控机制。

图1：嵌入式 e-Al₂O₃ 光管理结构的概念与实现。(A) 静电共组装过程示意图；(B, C) TEM 图像及 EDX 映射；(D-F) 不同浓度下的 SEM 俯视图；(G) 覆盖面积演变；(H) 器件截面 SEM；(I) EDX 线扫描；(J) 器件示意图

三、光学建模：FDTD 模拟与光提取机制

3D FDTD 模拟表明，e-Al₂O₃ 模型在各种发光环境下的逃逸概率均显著提升。低折射率 e-Al₂O₃ 岛屿作为光提取增强区，将高角度光线引导进入逃逸锥，实现外光子提取效率的显著提升。

图2：e-Al₂O₃ 器件的光学建模。(A) 3D FDTD 模拟模型；(B) 偶极子位置变化；(C) 不同环境下的逃逸概率对比；(D) 光提取增强原理

四、LED 性能提升

e-Al₂O₃ 嵌入式结构使 LED 性能实现质的飞跃，∼31% 外量子效率远超对照组，峰值辐射亮度是平面组的约10倍，∼32% EL 能量转换效率得益于低驱动电压。

图3：增强的 LED 性能。(A) 不同浓度下的 ηLED ex；(B) 效率随注入电流密度变化；(C) EL 光谱；(D) 电流密度和辐射亮度；(E) 性能对比

五、光管理机制深度解析

ηLED ex 映射分析表明 e-Al₂O₃ 同时提升了内量子效率和外逃逸概率；TRPL 证实 SRV 和体寿命均优于对照组，改善效果随膜厚增加更加显著；PV 模式 EQE 揭示了光路延长和光耦合增强效果。

图4：光管理机制深度解析。(A) ηLED ex 映射；(B) 角度依赖 EL 光谱；(C) 峰位和质心随角度变化；(D) 光子事件图；(E) SRV 和体寿命改善；(F) EQE 光谱和反射率

六、PV-LED 双模式：打破边界的融合器件

单一器件同时实现高效 PV 和 LED 性能，成功打破 PV-LED 设计界限。1.54 eV 和 1.53 eV e-Al₂O₃ 器件分别实现 26.7% 和 26.0% 认证稳定效率。首次在单一钙钛矿器件中同时达到 PCE ≥ 26% 且 ηLED ex ≥ 30%（桥接互换区）。

图5：PV-LED 双模式性能与稳定性。(A, B) 1.54 eV 和 1.53 eV 器件的认证 PCE 及 MPPT 稳定测试；(C) PV-LED 双模式性能对比，e-Al₂O₃ 落在"桥接互换"象限；(D) 室温~40°C 1 sun 等效白光 LED 光照下的长期 PV 运行稳定性，初始效率 23.5%/24.4%/25.9%；(E) ~65°C 加热条件下的长期 PV 运行稳定性，初始效率 23.3%/24.2%/25.7%；(F) 50 mA/cm² 注入电流下的长期 LED 运行稳定性