发光二极管的散热及钙钛矿LED

在半导体照明装置中，通常采用高功率高亮度的发光二极管(LED)作为光源，当在发光二极管中通以电流时，电 子与空穴会直接复合，从而释放能量发光，其具有功耗小、使用寿命长等优点，在照明领域应用广泛。然而，目前的光电转换效率较低，有很大比重转化为热能，故LED芯片上的功率密度很大。大的功率密度对器件的散热也提出了高的要求，发光二极管中封装件散热问题已成为影响其产业化发展的重大问题。

散热冷却方式LED 的散热机构一般有这几种形式：1.利用热传导金属或散热鳍片与LED封装件贴合散热。2.加装风扇强制散热。3.在封装件中设置流通液体散热。4.热管在封装件中的结合，利用热管内工作介质相变时可吸收或散发热能。

原理与特点热管散热利用物质相变的原理，具有可吸收或散发高热能的特性，这使得热管成为具备极高的热传导效率的设备， 热管冷却主要是利用工作流体在真空中的蒸发与冷凝来传递热量，当热管的一端受热时，毛细芯中的工作液体蒸发汽化，蒸汽在压差之下流向另一端放出热量并凝结成液体，液体再沿多孔材料依靠毛细管作用流回蒸发端，热量得以沿热管迅速传递。

传统无机LED技术相对成熟且发光效率高，在照明领域应用广泛，但外延生长等制备工艺限制了其难用于大面积和柔性器件制备。有机或量子点LED具有易于大面积成膜、可柔性化等优势，但是高亮度下的低效率和短寿命问题还亟待解决。金属卤化物钙钛矿型材料兼具无机和有机材料的诸多优点”。如可溶液法大面积制备、带隙可调、载流子迁移率高、荧光效率高等。因此，基于钙钛矿材料的LED相较于传统发光二极管具有诸多优势，尤其是可低成本、大面积制备高亮度、高效率发光器件，对显示与照明均具有重要意义。

钙钛矿发光二极管发展迅速，自2014年剑桥大学报道首篇外量子效率(EQE)为0.76%的三维钙钛矿发光器 件以来，经过短短五年的发展，近红外、红光和绿光钙钛矿发光器件的外量子效率均已突破20%。值得一提的是中国科学家在钙钛矿发光领域里的多个方向开创了全新的研究方法。2015年，南京工业大学与浙江大学团队合作报道了外量子效率为3.5%的钙钛矿发光二极管，为当时的最高纪录，也是国内在此领域的首篇论文。随后，北京理工大学和南京理工大学相继报道了基于量子点的钙钛矿LED。2016年，南京工业大学采用具有多量子阱结构的钙钛矿实现了外量子效率突破10%的近红外钙钛矿LED， 相关成果于2016年发表于《Nature Photonics》。采用类似方法，中国科学院半导体研究所将绿光钙钛矿LED的外量子效率提高到14.36%。2018年，南京工业大学首次将近红外钙钛矿LED外量子效率提升至20.7%，性能媲美已产 业化的有机和量子LED。同年，华侨大学”州将绿光钙钛矿LED的EQE提升至20.3%。这两项国内成果被《Nature》 邀请的领域专家评述为“突破性成果”， “是钙钛矿材料在发光二极管中应用的里程碑式跨越”， “使钙钛矿LED技术突破性能障碍，将推动钙钛矿LED的产业化发展”。总体来说，目前中国在钙钛矿LED研究方面处于世界领先地位，特别是在高亮度、高稳定性钙钛矿发光器件方面，已经取得具有自主知识产权。有世界影响力的创新成果。

尽管钙钛矿LED的研究已经取得了很大的进展，但其发展仍然面临着诸多挑战。首先，钙钛矿LED的稳定性问题需要解决。目前通过材料设计、器件结构及界面优化等方法已大大提升了钙钛矿LED的稳定性，但尚未达到产业化的要求。其次，钙钛矿材料中铅元素的毒性可能是其产业化道路上的一个障碍。研究发现许多元素(如锡、铜、 锗及银等)在钙钛矿材料中可以替代铅元素，但目前利用这些元素制备的器件性能还不及铅基钙钛矿LED。此外， 大面积模块化制备钙钛矿LED仍处于萌芽期，如何发展制备工艺来进行可控大面积生产还需要解决。总之，钙钛矿发光材料与器件具有诱人的发展前景， 未来随着对材料理解的深入及工艺技术的进步，有望进一 步提高器件的效率和稳定性，推进其产业化进程。在不远的将来，钙钛矿LED将会以其优异的性能和低廉的成本成为新一代显示与照明的有力竞争者，在未来照明与显示产业中占有重要地位