Nature Nanotechnology | 钙钛矿量子点显示产业化展望

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撰稿 | 季洪雷（TCL公司）、吴显刚（北京理工大学）

说明 | 本文由论文作者团队投稿

半导体量子点是化学方法制备的半导体纳米晶体材料，具有溶液法制备、光谱可调、发光效率高等突出特点（图1a），在照明显示、探测成像、太阳能光转换等领域具有应用潜力。例如，量子点可与LCD、OLED、Micro-LED等显示技术结合，显著提高显示器件的色彩品质，简化制造工艺，已经成为重要的显示前沿技术之一（图1b，c）。

图1：a.量子点结构和不同颜色量子点溶液图片。b.量子点光谱和荧光粉光谱比较。c. 普通电视和搭载量子点背光的电视画面比较

根据 2019 年 Touch Display Research Inc 咨询机构的统计，全球有超过 120 家公司在从事量子点技术的应用开发，包括三星、TCL、京东方、华为等公司。2021年 Science 发表的产业化展望文章(DOI: 10.1126/science.aaz8541)指出，如何规模化制备高质量量子点材料，提高量子点的稳定性，以及建立量子点材料和器件的评价方法和标准是产业化发展面临的主要挑战。

与传统的 CdSe、InP 等量子点材料相比，近年来出现的钙钛矿量子点具有光学性质优异、容易批量制备等特点，特别是其原位制备的简单工艺，提供了规模化制备高质量量子点的新技术路线。

北京理工大学钟海政课题组是国际上最早开展钙钛矿量子点研究的小组之一，该课题组2015年报道了高效率发光的有机-无机杂化钙钛矿量子点及其显示应用（10.1021/acsnano.5b01154），2016年发明了钙钛矿量子点光学膜的原位制备技术（10.1002/adma.201602651；授权中国、美国、韩国、日本、欧洲专利），2017年北京理工大学成立了学科性产业化平台--致晶科技（北京）公司，开展钙钛矿量子点的产业化研发。在科技部重点研发计划战略性先进电子材料专项“量子点背光关键技术开发及应用示范”项目（2017YFB040600）支持下，北京理工大学/致晶科技公司，与TCL、合肥乐凯等单位合作，2018 年开发了全球首台搭载钙钛矿量子点的样机，2021 年TCL发布了首批搭载钙钛矿量子点的电视产品(75M10)。

最近，受到 Nature Nanotechnology 期刊编辑的邀请，北京理工大学钟海政教授、博士生吴显刚、与 TCL 公司 CTO 闫晓林博士、量子点背光专家季洪雷博士，发表了“Industry outlook of perovskite quantum dots for display applications”评论论文，对钙钛矿量子点显示应用进行了分析和总结，特别是对液晶显示应用的产业化发展进行了展望。

图2：现有量子点材料液晶显示背光应用对比分析。

● 观点一：钙钛矿量子点的加工优势突出

量子点的内部和表面缺陷，可以抑制辐射复合，造成其发光效率下降。因此，高质量 CdSe 或者 InP 量子点材料一般需要精心设计核壳结构才能实现。钙钛矿量子点的出现打破了这一限制。由于钙钛矿材料特殊的能带特性，缺陷容忍度非常高，因此钙钛矿量子点无需核壳结构也能实现高效率发光。此外，钙钛矿的离子特性，赋予了其原位制备的特点，加工工艺简单。如图3和图4所示，与传统量子点的高温热注入相比，钙钛矿量子点原位制备技术，简化了液晶显示用量子点光学膜的生产过程，为降低生产成本和生产过程中的环境影响，提供了全新技术路线。

图3：CdSe、InP量子点和钙钛矿量子合成方法比较。

图4：钙钛矿量子点光学膜刮涂干燥过程

● 观点二：钙钛矿量子点显示应用的光学优势突出

钙钛矿量子点具有优异的光学性质，很容易实现高发光效率和窄发射，半峰宽可达 20 nm，荧光量子效率接近 100%，这些指标超越了 InP 量子点的水平（半峰宽: ~35nm, PLQY > 80%），与 CdSe 量子点的最好水平相当。除了优异的发光特性外，钙钛矿量子点的吸收系数非常高，一般是 CdSe 和 InP 量子点的 8-10 倍。这主要是由于钙钛矿 p 轨道为主的特殊能带结构。高的吸收系数意味着实现相同光转换功能的量子点用量更少，有利于降低成本和重金属含量。在 Micro-LED 色转换应用中，钙钛矿量子点的高吸收系数还可以降低光转换层的厚度，减少蓝光泄露，为实现 AR/VR 全彩化提供了更加优异的候选材料。

● 观点三：钙钛矿量子点的总环境影响最小

材料应用的环境影响主要包括生产过程中的污染物排放和使用过程中的生物毒性。对量子点液晶显示应用的环境影响分析表明：传统 CdSe 量子点光学膜的有机物重金属污染物排放较大（生产 1 m² CdSe 量子点的光转换膜一般耗费约 250 mL 左右的有机溶剂），且 Cd 元素的生物毒性很高。欧盟RoHS标准和中国《电子信息产品污染控制办理办法》对于消费电子产品中的 Cd 含量要求十分严格（https://monographs.iarc.who.int/list-of-classifications）将 InP 材料列入了 2A 致癌物（可能对人类致癌）。与之相比，生产 1 m² 钙钛矿量子点光学膜仅需要 35 mL 有机溶剂，且目前开发的钙钛矿量子点光学膜铅含量（30 -200 ppm）远低于欧盟 RoHS 和中国《电子信息产品污染控制办理办法》标准（

● 主要进展1：钙钛矿量子点稳定性有解决方案，产品信赖性已满足应用需求

钙钛矿材料的稳定性是其产业化应用最大的挑战。随着学术界对钙钛矿材料与水、氧气之间相互作用，以及离子迁移特性的认识提升，科学家发展了很多提升钙钛矿量子点稳定性的材料设计策略，通过组分工程、配体工程、表面包覆以及水氧阻隔等策略的结合，钙钛矿量子点在水、氧气和蓝光照射条件下的稳定性得到大幅提升。根据已有文献，绿色钙钛矿量子点光学膜的信赖性可以通过 3000 h，40 ℃，90% 湿热条件下的蓝光（100 W/m²）照射使用测试以及 3000 h，60 ℃，90% 湿热条件下的储存测试，达到了一般液晶显示背光应用的要求。在 2019 年 ~ 2021 年间，已经实际应用显示屏超过 5 万台，经过市场长期的检验，钙钛矿量子点技术的可靠性可以满足液晶显示应用需求。与此同时，实验室结果表明，红色钙钛矿量子点也接近了应用需求，产业界预计 2023 年会推出相关产品。

● 主要进展2：钙钛矿量子点可兼容传统高分子加工技术，规模化制备优势突出

钙钛矿的低形成能特性，赋予其聚合物加工过程中的原位制备能力，通过借鉴传统聚合物加工工艺，可以一步制备出不同种类的钙钛矿量子点功能光学材料。如图5a所示，利用涂布生产工艺，可以实现 1.5 米宽幅钙钛矿量子点光学膜的连续生产，满足大尺寸液晶显示的应用需求。除了溶液涂布工艺，还可以通过熔融挤出、喷雾干燥等工艺，制备出内嵌钙钛矿量子点的有机扩散板、荧光油墨等材料，上述工艺均可实现规模化制备（图5b，c）。

图5：钙钛矿量子点复合材料原位制备工艺及相应的产品，钙钛矿电视样机。a.涂布工艺（照片为红色，绿色和红绿混色钙钛矿量子点光学膜）。b. 挤出工艺（照片红绿挤出颗粒和扩散板）。c. 喷雾干燥工艺（照片为红色和绿色钙钛矿聚合物粉料）。

● 主要进展3：钙钛矿量子点是中国具有自主可控知识产权的技术路线

据 Imcopat 网站的检索，钙钛矿量子点的年度专利申请数已经接近了传统的CdSe量子点（图6），国内北京理工大学/致晶科技、TCL、京东方等单位均在钙钛矿量子点方向做了专利布局，形成了完整的自主可控知识产权体系。特别是北京理工大学发明的钙钛矿量子点再沉淀制备专利（CN201410612348）和钙钛矿量子点光学膜原位制备专利（CN201520145596.6）的同族被引证次数分别达到 122 和 176 次，成为钙钛矿量子点领域的核心专利（表1）。综上，钙钛矿量子点是中国具有独立自主知识产权的材料体系之一，对于突破显示领域中核心材料专利壁垒极具产业价值，是科技部重点研发专项产学研合作的重要成果。

图6：三种量子点材料每年专利申请数

表1：钙钛矿量子点方向核心专利

● 未来展望1：稳定性仍是产业化的最大挑战，还需进一步提升

尽管钙钛矿量子点的产业化取得了初步进展，由于钙钛矿材料的离子特性，在高温、高湿和蓝光照射等苛刻条件下，钙钛矿的发光性质会被离子迁移、光氧化等过程破坏，尚不能完全满足 Mini-LED 背光、Micro-LED 色转换和电致发光应用等产品需求。然而，作者认为通过借鉴传统量子点材料和钙钛矿光伏应用的成功经验，可以进一步提升钙钛矿量子点稳定性，突破其显示应用产业发展的瓶颈。

● 未来展望2：钙钛矿量子点应用领域广泛，亟待拓展

除了显示技术，钙钛矿量子点在很多应用领域开始崭露头角，如 X-射线成像、微型光谱仪、光学传感器等领域。得益于钙钛矿材料较高的原子序数组分，很多钙钛矿材料具有出色的 X-射线荧光转换性能，可以实现 X-射线荧光成像。得益于铅钙钛矿量子点光学膜的高透明特性和高发光特性，其可以作为光转换材料，实现硅基器件的紫外增强、荧光聚光器型的太阳能效率提升以及光学传感介质响应。得益于非铅钙钛矿量子点精细可调的吸收特性，钙钛矿量子点可以作为可调的滤光材料与 CCD 集成，构筑微型超光谱仪。此外，钙钛矿量子点光学膜还有望在农用补光、健康照明中得到应用。

论文信息

Wu, Xg., Ji, H., Yan, X. et al. Industry outlook of perovskite quantum dots for display applications. Nat. Nanotechnol. (2022).

https://doi.org/10.1038/s41565-022-01163-8

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封面图来源：TCL

编辑 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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