山大&瑞典林雪平大学：迈向可持续钙钛矿发光二极管 |《自然-可持续性》论文

论文导读：

钙钛矿是过去十余年发展最快的半导体材料之一。凭借卓越的性能，该材料在光电、热电、自旋电子等前沿领域引发了广泛关注，尤其在太阳能电池和发光二极管（LED）技术中展现了巨大的发展潜力。尽管钙钛矿太阳能电池的商业化进程已取得显著进展，但钙钛矿发光二极管（PeLED）的开发仍相对滞后。高性能钙钛矿器件的研发依赖于铅基钙钛矿材料，这一问题引发了对其铅毒性风险的担忧。同时，PeLED的稳定性较低且成本高昂，可能限制其未来的商业化和应用前景。

商业化技术开发需注重可持续性，包括环境上符合政策和监管要求、经济上平衡消费者支付能力与制造商利润、以及技术上满足同类产品的竞争指标。由此，本研究首次从生命周期视角评估PeLED的可持续性，旨在定位其发展潜力，明确有效的可持续工业升级策略，并为面向商业化的未来开发提供指导。研究选取了覆盖蓝、绿、红、白、近红外光波段的18种先进PeLED技术，编制生命周期清单，并基于该清单开展生命周期评估和技术经济评估，分析了生态毒性、温室气体排放、化石资源消耗等环境影响及生产成本。针对影响显著的环节，提出了面向可持续商业化的技术升级策略。

研究表明，目前实验室生产的非金电极PeLED在环保性能和经济成本方面已与商业有机OLED相当，处于同类产品中的领先水平。主要环境和毒性影响来源于生产过程中的化学原材料和电力消耗。其中，化学原材料问题集中于清洁与合成使用的有机溶剂，以及近红外（NIR）PeLED中的金电极；电力消耗则主要归因于高功率的手套箱和蒸镀系统。值得注意的是，与传统认知不同，研究基于实验数据证实，钙钛矿中的铅并非PeLED毒性的主要来源。这是由于钙钛矿发光层极薄（厚度仅几十纳米），而其他功能层的体积更大。从环境影响来看，红、绿、蓝（RGB）光和白光PeLED的影响相近，而NIR PeLED的环境负荷显著更高，主要由于其使用金作为电极金属。若采用铝、铜、镍等替代金属，可将NIR PeLED的环境影响降低至RGB PeLED的水平。

为实现PeLED的可持续工业化生产，可采取循环使用有机溶剂、回收玻璃基板、升级大规模沉积技术等措施进一步减小环境影响。研究还提出“相对影响缓解时间”这一新参数，表明当PeLED的使用寿命达到约一万小时量级时，其生产过程的环境影响可被有效抵消。技术经济评估表明，通过采用大规模制造和回收策略，未来PeLED的成本可降至每平方米100美元量级，与商用OLED面板成本相当。目前成本的主要高昂部分集中于电荷传输材料，因此未来成本控制应重点关注这一方向。总体而言，该研究展示了PeLED作为下一代照明显示技术的优秀潜力，并为其未来的商业可持续发展提供了参考性信息。

论文图5：PeLED的可持续商业潜力

通讯作者：高峰（瑞典林雪平大学）、李佳硕（山东大学威海前沿交叉科学研究院）

第一作者：张慕懿（瑞典林雪平大学）、马逍天（山东大学威海前沿交叉科学研究院）

DOI：10.1038/s41893-024-01503-7

发表日期：2025年01月15日

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