【Adv.Mater.】基于 2T1D 架构的钙钛矿像素：实现 20.4% EQE 与 6.46×10¹³ Jones 探测度的双模光电显示

文章标题：Photovoltage‐Driven Two‐Transistor–One‐Diode Perovskite Pixels for In‐Cell Optical Sensing Displays
通讯作者：Chuan Liu, Baiquan Liu
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202522776

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文章概要

引言

随着交互式电子设备向更高集成度、低功耗与多功能方向发展，能够在单个像素内同时实现发光与光探测的“内嵌式光感显示”（in-cell optical sensing display）成为下一代显示技术的重要方向。然而传统方案需在像素中同时布置 LED 与光探测器（PD），不仅牺牲孔径率，还增加工艺复杂度。更关键的是，发光（强辐射复合）与探测（高效载流子分离）在物理机制上存在天然冲突，使得单一二极管同时兼顾两种功能极具挑战。

金属卤化物钙钛矿因其高色纯度、小 Stokes 位移、优异的电荷输运与可溶液加工特性，被视为实现高集成度双模像素的理想材料。然而蓝光 PeLED 的效率与稳定性仍落后于红绿光器件，其在双模应用中的潜力尚未被充分挖掘。本文提出一种基于“光伏电压驱动”的新型 2T1D（two-transistor–one-diode）像素架构，将钙钛矿二极管视为可存储光伏电压的“光学 DRAM 单元”，从而突破传统依赖光电流的探测模式，实现高效率发光与高灵敏探测的统一。

主要实验及结论

研究首先通过在准二维钙钛矿中引入 4‑fluorophenylacetic acid（FPA）等 XPA 添加剂，实现对晶格缺陷的有效钝化与相结构调控。FPA 的羰基与 Pb²⁺ 配位、F 原子与有机铵根形成氢键，使得低维相比例下降、能量级级联结构更稳定，非辐射复合显著减少。经 FPA 处理后，薄膜 PLQY 从 33.5% 提升至 74.2%，载流子寿命从 9.27 ns 增至 27.93 ns，陷阱态密度降低约 40%，为高性能双模二极管奠定材料基础。

在器件结构方面，作者采用 ITO/PEDOT:PSS/PTAA/PVK/perovskite/PO‑T2T/LiF/Al 的 p‑i‑n 架构，通过高迁移率 ETL（PO‑T2T）与阶梯式 HTL 设计实现高效双向载流子输运。最终得到的天蓝光 PeLED 在 100 cd m⁻² 下实现 20.4% EQE，最大功率效率达 41.8 lm W⁻¹，为目前天蓝光 PeLED 的最高纪录之一。器件开启电压低至 1.88 V，稳定性提升 3.5 倍。

在光探测模式下，同一二极管在零偏或反偏下产生显著光伏电压，其随光强呈对数增长，在 14.6 mW cm⁻² 下可达 2.04 V。相比传统依赖光电流的探测方式，光伏电压模式在弱光下仍能保持高信噪比。基于 PO‑T2T 的器件获得 4.17×10⁴ A W⁻¹ 的响应度与 6.46×10¹³ Jones 的探测度，远超常规 PeLED‑PD 结构。

进一步地，作者将该双模二极管与 IGZO TFT 集成，构建 8×8 主动矩阵阵列，实现“光伏电压存储 + 晶体管放大”的 opto‑DRAM 像素。每个像素由两只 TFT 与一只钙钛矿二极管组成：TFT1 驱动发光，TFT2 读取光伏电压并放大，实现主动矩阵 LED（AM‑LED）与放大光探测（Amp‑PD）双模式切换。阵列可显示“SYSU”等图案，并在弱光下成像，展示了在显示、感知与信息读取一体化方向的巨大潜力。

总结及展望

本文通过材料、界面与电路三层协同设计，首次实现了基于单一钙钛矿二极管的高效率发光与高灵敏光探测统一，并提出了类 DRAM 的 2T1D opto‑DRAM 架构，使光伏电压成为可存储、可放大的像素级信号。该策略不仅突破了发光与探测物理机制的矛盾，也为未来的高集成度、低功耗、可成像显示提供了新范式。

未来方向包括：
（1）通过成分调控实现全色（RGB）opto‑DRAM 像素；
（2）结合柔性背板实现可弯折光感显示；
（3）进一步提升蓝光器件寿命与环境稳定性；
（4）将光伏存储机制拓展至更多光电器件，实现显示、感知、计算一体化的光电融合系统。