众所周知，光是人类目前所认知的宇宙中最快的传播媒介，人类通过研究光并结合光和物质的相互作用关系，揭示了许多自然规律，宇宙的奥秘，生命科学的起源、发展和演变等，同时也促进了材料科学、信息科学和环境科学等与人类生产生活相关领域的进步。光对人类文明和社会的发展起到了不可或缺的作用，人造光源的发展也一直推动着人类文明和社会的进步。早在远古时代，人类就已经开始利用火把照明，提高了夜间的安全性和生产效率，但由于火把容易受天气和外界环境的影响且机动性较差，在实际使用上存在较大的局限性；随后，人们发展出蜡烛和油灯等照明方式，极大地提高了光源的明亮度和机动性，同时也减少了火灾的风险；19世纪，煤气灯的发明进一步使光源变得更加明亮和稳定，然而，由于煤气存在着燃烧不完全和有害气体排放的问题，在使用上仍然存在一定的局限性；第二次工业革命以来，随着电力的发展，人类逐渐实现了电驱动光源的发展和普及，使得照明变得更加便捷和安全，1879年，爱迪生发明了第一款实用的白炽灯，彻底改变了人类的照明方式；20世纪初开始，荧光灯和高强度气体放电灯的发展提供了更明亮、稳定和持久的光源，并且在光源的机动性上也得到了提高，能够灵活用于户外照明和特殊照明需求。

随着科学技术的不断发展，相应的发光技术已不仅仅局限于照明方面的应用，越来越多的发光技术被应用于显示器件，从而实现图像或信息的呈现，推动了信息化社会的发展。在过去的几十年里，显示技术也发生了翻天覆地的变化：20世纪初出现的阴极射线管（Cathode ray tube, CRT）技术是最早的显示技术之一，但由于CRT各部分组件体积大，工作电压高、功耗大且显色效果差等不足，难以满足信息时代高速发展对显示器性能越来越高的要求，目前已经基本退出了显示市场；20世纪中后期先后发展起来的液晶显示（Liquid crystal display, LCD）和等离子体显示（Plasma display panel, PDP）极大地推动了显示行业的发展，由于LCD具有体积小且轻便和较高的分辨率等优势，LCD已成为目前显示市场的主流。不同于背光显示技术，发光二极管（Light-emitting diodes, LEDs）是利用半导体材料独特的光电特性实现由电驱动的自发光技术。在过去的数十年里，各种LED技术相继被开发并取得了快速的发展，如III-V族半导体LED、有机发光二极管（Organic light-emitting diode, OLED）和量子点发光二极管（Quantum dot light-emitting diode, QLED）等都已经取得了很大的成功，并实现了商业化，在各种固态照明和显示器件中得到了广泛的应用。但这些技术也存在着一定的局限性，如早期的砷化镓和氮化镓等LED属于点光源，材料刚性，在制备高清柔性器件上存在一定的局限性；近年来，以OLED和QLED为代表的面光源，在一些显示设备中提供了很好的用户体验，但OLED和QLED繁琐的合成步骤、高昂的材料成本和存在专利壁垒等，限制了其进一步的大规模应用，目前仅在一些高端的电子产品中使用。因此，亟需开发高效率、低成本的新型发光材料与器件，这不仅能促进节能减排，而且对探索新一代高清、绿色、健康的光源或显示器件具有重要意义。

钙钛矿（Perovskite）材料是近年来兴起的一类非常火热的半导体材料，在科学界引起了广泛的关注。钙钛矿最早是指一种主要成分为CaTiO₃的矿物材料（图1a），而我们现在常说的钙钛矿实际上是指化学结构式为ABX₃，晶体结构中一般含有立方体或八面体结构（图1b）的这一类化合物的统称。随着领域的发展，钙钛矿的研究范畴也得到了不断地丰富和拓展，如零维钙钛矿、准二维钙钛矿、双钙钛矿和类钙钛矿等新型钙钛矿材料及其性能被研究人员不断开发和应用。正是由于钙钛矿材料独特的晶体结构和晶体中的电子排布，使得钙钛矿材料具有很多独特的理化性质，在很多应用中表现出了优异的性能。在光电器件领域所涉及的钙钛矿大都是金属卤化物钙钛矿（Metal halide perovskites, MHPs），上式中的A为一价阳离子（如MA: CH₃NH₃⁺，FA: CH(NH₂)⁺，Cs⁺等）；B为二价金属阳离子（如Pb²⁺，Sn²⁺和Ge²⁺等），X主要为卤素（如I^-，Br^-，Cl^-）或类卤素（SCN^-等）。其中，大家最为熟知的应用是钙钛矿太阳能电池（Perovskite solar cells, PSCs），自2009年日本桐荫横浜大学的Miyasaka等人首次将铅卤钙钛矿材料作为敏化剂，用于制备液态钙钛矿敏化太阳能电池，实现了3.8%的光电转换效率（Power conversion efficiency, PCE）以来（J. Am. Chem. Soc., 2009, 131 (17), 6050-6051），经过十余年的快速发展，单节PSCs的PCE经美国国家可再生能源实验室（NREL）认证的数据已经上升到26.1%，超过了多晶硅太阳能电池的效率。基于PSCs的重大发现和研究进展，在2013年，PSCs被Science杂志评为“2013年度国际十大科技突破”之一。此外，由于MHPs具有色纯度高、发光颜色连续可调（图1c）、荧光量子产率（Photoluminescence quantum yield, PLQY）高和材料制备工艺简单且材料成本低等特点，MHPs也是一种性能优异的发光材料，可将其作为发光层用于制备LED器件，即钙钛矿发光二极管（Perovskite light-emitting diodes，Pero-LEDs），有望解决新一代固态照明和显示器件要求的节能、高清和可柔性等方面的需求。

2014年英国剑桥大学的Richard H. Friend等人利用有机无机杂化钙钛矿MAPbI_3−xCl_x和MAPbBr₃作为发光层制备了Pero-LEDs器件，测得近红外光和绿光的外量子效率（External quantum efficiency, EQE）分别为0.76%和0.1%（Nat. Nanotechnol., 2014, 9 (9), 687-692）。随后，基于钙钛矿量子点（Quantum dots, QDs）的发光材料（Nano Lett., 2015, 15 (6), 3692-3696）和LED器件（Adv. Mater., 2015, 27 (44), 7162-7167）也很快相继被报道，世界各地大量的研究人员跟进到该领域的研究中，从而开启了Pero-LEDs领域的研究热潮。经过短短几年的发展，Pero-LEDs已经取得了巨大的研究进展，Pero-LEDs器件的发光颜色从紫外光到近红外光均有报道，显示器件最为重要的红、绿、蓝三基色的EQE也都取得了巨大的突破，图1d为Pero-LEDs三种颜色的EQE发展历程图，到目前为止，钙钛矿LED的绿光和红光的EQE都超过了25%，蓝光的EQE也超过了18%，已经展现出巨大的科研价值和产业化应用前景。与OLED和QLED相比，在效率方面，Pero-LEDs仅用不到十年的时间就完成了OLED和QLED数十年取得的进展。

我们课题组于2018年10月发表在Nature的工作（Nature, 2018, 562 (7726), 245-248）针对的是常规方法制备得到的钙钛矿薄膜往往由于钙钛矿结晶速度快，成膜过程难以控制等因素，导致制备的钙钛矿晶体无序堆积、表面粗糙和非辐射复合缺陷多；另一方面，裸露的钙钛矿晶体其表界面通常最容易产生缺陷且是缺陷最容易扩散的区域，这些因素导致所制备的Pero-LEDs器件效率低，且工况稳定性差。对此，我们提出了一种“组分空间分布管理”的新型薄膜制备策略，如图2a所示，（1）CsPbBr₃单层结构：一步法旋涂得到的CsPbBr₃薄膜其钙钛矿组分均匀分布于薄膜中，薄膜各空间区域组分和性质并无明显差异，且由于钙钛矿成膜质量差，薄膜的荧光量子效率非常低（图2b中的1）；（2）CsPbBr₃/MABr叠层结构：在制备得到CsPbBr₃薄膜后，紧接着在CsPbBr₃薄膜上面旋涂一层MABr，得到CsPbBr₃/MABr的叠层结构，可以看到相比于单层CsPbBr₃薄膜，该叠层结构的钙钛矿薄膜的荧光强度明显提升（图2b中的2），说明CsPbBr₃晶体的缺陷得到了一定程度的钝化；（3）CsPbBr₃@MABr准核壳结构：利用CsPbBr₃和MABr在有机溶剂二甲基亚砜（DMSO）中的溶解度差异大这一特性，如图2c所示，在钙钛矿混合溶液旋涂成膜的过程中，CsPbBr₃由于在DMSO中的溶解度低而首先形核并快速长大，而MABr由于溶解度大，仅在成膜快完成的时候，少量的MABr形成于钙钛矿晶粒的表面和晶界处，形成了具有CsPbBr₃@MABr准核壳结构的钙钛矿薄膜（图2d），壳层的有机胺盐MABr能够有效钝化发光主体CsPbBr₃的晶体缺陷，减少钙钛矿晶体的非辐射复合，显著提升荧光量子效率（图2b中的3）。当我们将获得的具有CsPbBr₃@MABr准核壳结构的钙钛矿薄膜用于制备LED器件时，我们发现所制备的器件性能并没有达到预期结果。我们又进一步通过对比纯电子器件和纯空穴器件的载流子注入平衡比，我们发现器件中存在着电子注入过量的现象；对此，我们通过在钙钛矿发光层和电子传输层之间引入一层超薄的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为阻挡层（图2e），显著改善了器件中电子和空穴的注入平衡和界面特性，最终制备得到了EQE为20.3%的绿光Pero-LEDs器件（图2f），器件的工况稳定性也得到了大幅提升，为国际上首次报道Pero-LEDs的EQE超过20%的工作之一，极大地鼓舞了领域研究者的信心并推动了领域的发展。Nature杂志也同期发表了由英国斯旺西大学的Paul Meredith和Ardalan Armin教授撰写的针对该工作的专稿评述，原文摘要中提到“Light-emitting diodes made from perovskite semiconductors have reached a milestone in the efficiency with which they emit light-potentially ushering in a new platform for lighting and display technology”，指出“该工作所取得的成果是Pero-LEDs在发光效率方面的里程碑式进展，Pero-LEDs非常有可能为新一代固态照明和显示技术开辟一个新的赛道”（Nature, 2018, 562 (7726), 197-198）。

随后我们课题组在高效率Pero-LEDs的研究上陆续取得了一些进展，如：在高质量钙钛矿晶体生长调控方面，构建了CsPbBr₃@Cs₄PbBr₆为发光中心的Ⅰ型异质结薄膜，并结合器件结构优化，将Pero-LEDs的EQE提高到了22.3%（Adv. Funct. Mater., 2022, 32(24), 2200350）；利用聚偏氟乙烯（PVDF）与钙钛矿晶格的化学相互作用来调节钙钛矿薄膜晶体的生长速率并实现钝化缺陷，提高了Pero-LEDs器件的效率并显著提高了高效率器件的重复性（Adv. Funct. Mater., 2022, 32(34), 2203371）；采用低温退火（35℃~ 40℃）诱导钙钦矿在结晶过程中形成中间络合物，延缓结晶过程并促使钙钛矿薄膜的晶体择优取向生长，将全无机钙钛矿LED器件的EQE提高到了16.45%（J. Mater. Chem. A, 2021, 9(17), 11064-11072）。在载流子的高效复合调控方面，我们与多伦多大学的合作者利用三（4-氟苯基）氧化膦（TFPPO）作为钙钛矿添加剂在旋涂的过程中通过反溶剂引入，TFPPO中的官能团能够缓释钙钛矿的结晶得到维度均一的钙钛矿薄膜并同时实现缺陷钝化，促进薄膜中载流子的高效辐射复合，将Pero-LEDs的EQE提高到了25.6%（Nature, 2021, 599(7886), 594-598）；利用“水剥离”法制备超薄的聚（3.4-亚乙二氧基嚷吩）-聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）显著提高了载流子的传输和器件性能，该方法在蓝光、青色光和绿光体系的Pero-LEDs都表现出明显的提升效果（Adv. Sci., 2020, 7(11), 2000689）；利用双功能膦氧分子对钙钛矿的界面修饰，同时实现界面缺陷钝化和器件中载流子平衡的调控也取得了系列工作进展（Nano Lett., 2022, 22(6), 2490-2496; Nano Lett., 2023, 23(18), 8560-8567）。在非铅Pero-LEDs方面，我们针对Sn基钙钛矿材料特点，通过晶体生长调控和添加剂抑制Sn²⁺的氧化等策略提高全无机钙钛矿（CsSnI₃）的有效辐射复合，多次刷新了发光峰位超过900 nm的Pero-LEDs的效率记录（Adv. Mater., 2021, 33(44), e2104414; ACS Energy Lett., 2023, 8(3), 1597-1605）。

由于钙钛矿发光材料与器件在发光性能、材料成本和材料易加工性等方面所表现出的突出优势，来自于全球各地的学术机构和技术企业都对钙钛矿发光材料和器件的研究给予了极大的关注和布局，取得了许多创新性的成果，推动着领域的发展。在论文产出及引用上，从Web of Science检索关键词“Perovskite light-emitting diodes”得到的数据表明（图3），从2014年至今的短短数年间，已有超过7000篇的学术成果发表在包括Nature、Science和Nat. Nanotechnol.等顶级学术期刊在内的刊物上，被引次数达到了287715次，仅在2020年发表的Pero-LEDs相关研究论文就超过了1000篇，并且发表数量和引用仍然呈现逐年增长趋势；2022年，Pero-LEDs相关的学术论文数和引用数分别突破1200篇和64350次；此外，参与该领域研究的论文作者超过4万名，他们分布于全球92个国家和地区的4737个机构，Pero-LEDs在化学与材料领域的研究热度可见一斑。

经过近十年的快速发展，Pero-LEDs所取得的研究成果无疑是非常振奋人心的，特别是器件效率已经达到了产业化的门槛，此外，基于丰富的有机组分和非铅钙钛矿等在LED器件的应用，进一步拓宽了Pero-LEDs的色域和在不同领域的应用范畴；另一方面，由于钙钛矿原材料独特的可加工性能，既可以通过溶液法制备，又可以前驱原材料通过固-固反应直接生成钙钛矿薄膜，基于这些特点在工业界可根据不同的应用场景需求来选择热蒸发、喷墨打印和丝网印等方法来制备不同的发光器件，为其在未来发光显示器件如VR和AR显示、智能农场以及微型柔性显示器件上的应用提供了可能。鉴于Pero-LEDs取得的重要进展，顶级学术期刊Science于2019年发表了专稿新闻评述“Perovskite LEDs begin to shine”，列举了近年来部分Pero-LEDs的重要研究进展，并指出Pero-LEDs已经迎来了希望（Science, 2019, 364 (6444), 918）。作为一种“年轻”的半导体发光技术，我们在看到Pero-LEDs不断取得进展的同时，必须清醒地认识到Pero-LEDs距离真正实现产业化并应用于显示和照明设备上还面临着巨大的挑战。其中如何进一步提高Pero-LEDs器件的工况稳定性是目前面临的最大挑战，此外，高效率器件重复性差、制备环境要求严苛、钙钛矿材料中含有重金属Pb对人体及环境的毒性问题等都是其进一步发展的阻碍。目前，我国在该领域的研究位于领先地位，中国作为信息产业化大国，对该技术尽早布局和投入以抢占领域高地具有重要意义。我们相信随着越来越多的科研工作者投身该领域，上述问题慢慢都会得到解决。对比在材料、器件结构和制备工艺等各方面都和Pero-LEDs颇为神似的PSCs，回顾其过去十余年的发展，曾经的那一块块“硬骨头”现在都已被逐步攻克，目前国内外有数十家企业或机构已经开始或完成了数百万兆瓦级的产能建设。因此，我们同样期待在全球科研人员的共同努力下，Pero-LEDs也能够早日服务于人类社会。