金属卤化钙钛矿作为新一代光敏性半导体材料，由于其优异的光物理性能和简便的溶液制备工艺，已广泛应用于太阳能电池（SCs）、发光二极管（LEDs）、光电探测器（PDs）和激光器。然而，作为光敏活性层，钙钛矿薄膜由于较高的折射率（n~2.5）和较薄的厚度（百纳米厚）会导致入射光在界面处发生菲涅尔反射和透射，导致材料或器件对入射光子的吸收利用率低。

特别对于发光器件（LEDs），限制在光波导和基板模式内的发射光子严重影响器件的光子提取效率，进而降低器件的外量子效率（EQE）。此外，钙钛矿材料固有的脆性导致裂纹延晶界甚至晶体内部产生和扩展，限制了其在柔性光电子中的潜在应用。因此，更多的科研工作者聚焦于微纳结构化的钙钛矿光电子，然而以往所报道的综述主要集中于微纳结构图案化的钙钛矿光电子的制备工艺，并未对结构的功能性以及在钙钛矿器件中的应用作系统地总结。

基于此，宋延林研究员、李明珠研究员团队对微纳结构的功能性，包括改善光捕获、光提取、光调制、载流子动力学、机械柔韧性和其他新颖功能性 (结构的各向异性、偏振特性、以及增强化学或相稳定性等)进行了全面综述，并对以上功能性的工作机理（光物理角度）进行了总结，随后详细讨论了这些功能性在钙钛矿SCs、PDs、LEDs、激光器及其柔性光电器件中的具体应用，以便更好地理解微纳结构功能化光电子的器件物理特性。最后，基于课题组在该方向的工作，提出了实现微纳结构化钙钛矿光电子器件多功能商业化应用前景的有效策略，包括实现结构-功能集成化的光电子器件、合理结构设计达到光学和电学性能的同时提升、结构化钙钛矿单晶器件的制备、钙钛矿结晶动力学和结构构筑的有效结合及简便、重复率高、大面积技术制备结构化钙钛矿光电子器件的探索。

图1.微纳结构的功能性及其在钙钛矿光电子器件中应用的示意图。

<微纳结构增强材料或器件的光捕获能力>

图2. 微纳结构增强入射光子捕获能力的光学模式。

器件中各功能层的不同折射率会引起入射光在界面处发生反射和透射，从而导致入射光子在光电器件中的利用率较差，限制了其光电性能的进一步提高。光子操控策略有利于提高材料或器件对入射光的吸收和利用。微纳结构由于其有效的光子管理使光活性材料的吸收增强因子达到甚至超过4η2 的 Yablonovitch 极限（η为材料的折射率）。通过入射光与微纳结构的相互作用，可以延长光路，将更多的入射光子局域在光敏层中，从而产生驻波。同时，提高材料的光吸收也可以减少材料的消耗。光捕获策略主要通过以下四种光学模式：减反、散射增强、共振模式和光子晶体禁带效应。

<微纳结构增强器件发射光子的输出耦合效率>

图3. 微纳结构增强发射光子提取效率的光学模式。

与光捕获能力不同，光子提取策略是指通过微纳结构的调控可以提高部分限制在波导和衬底等模式内的发射光子的提取效率。LEDs 器件的内量子效率（IQE）很大程度上取决于发光材料的内在本征特性。然而，对于EQE，发射光子输出耦合效率至关重要，特别是钙钛矿LEDs，较高的折射率导致更多的发射光子被限制在器件内部，无法发射的光子将转化为热能，热能的积累会影响功能层的稳定性，以及器件对氧气和水的抵抗力。引入微纳结构可以增强发射光子的输出耦合效率。

<微纳结构对器件载流子动力学的影响>

图4. 微纳结构提高光电子器件载流子动力学的示意图。

微纳结构在不牺牲器件电学性能的情况下增强其光学性能至关重要。同时提高器件的光学和电学性能需要合理的结构设计，均一定向结构为光生载流子的扩散提供了定向通道，并使光生载流子分布均匀，从而有效补偿了因构筑结构引起的界面缺陷密度增大的弊端。因此，在光电器件中引入微纳结构不仅可以增加界面面的接触比表面积，而且可以缩短光生载流子的扩散长度，有利于载流子的传输和收集。

<微纳结构对材料或器件发射光的有效调控>

图5. 微纳结构增强荧光发射和发射光调控的光学模式。

半导体的光学增益来源于自放大发射过程，其中光子被激发并发射与其自身相同的额外光子。与光吸收类似，光学增益描述了每单位长度的光放大发射强度。减少光的吸收、散射和泄漏等损失会导致激光产生。光腔对于激光器具有重要意义，其中光可以通过作为反馈的增益介质产生一个强烈而连贯的场，进而增强荧光发射强度和发射光的有效调控。

<微纳结构增强材料或器件的机械柔韧性和稳定性>

图6. 微纳结构作为缓冲层增强柔性器件柔韧性和机械稳定性的示意图。

在弯曲过程中，活性层材料的本征固有脆性导致其无法吸收裂纹扩展能量，导致裂纹延晶界甚至晶体内部产生和扩展，从而降低了器件的光电性能。微纳结构由于结构的可变形属性（作为缓冲层）可以释放集中在器件上的应力，减小器件上高应力的体量和大小，进而保护活层性材料（使脆性材料处于集中应力较小的中性层）免受因裂纹的产生和扩展导致材料或器件失效。

<小结>

宋延林研究员、李明珠研究员团队系统地总结了微纳结构的功能性及其相应工作机理，并对这些功能性在钙钛矿光电器件中的具体应用进行了详细讨论，以便更深入地理解微纳结构功能化光电子器件的光物理特性。最后，提出了实现微纳结构化钙钛矿光电子器件多功能商业化应用前景的有效策略，这对结构-功能化的钙钛矿光电子领域具有一定指导意义。相关成果已《Micro-Nano Structure Functionalized Perovskite Optoelectronics: From Structure Functionalities to Device Applications》为题发表于国际著名期刊《Advanced Functional Materials》上，2022届博士生战岩和程群峰教授为论文的第一作者，李明珠研究员为论文的通讯作者。

文章链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202200385

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