Perovskietdeeltjes zouden de prestaties van zonnecellen en lichtgevende diodes kunnen verbeteren via een eenvoudig proces om het nanokristaloppervlak te stabiliseren.

Een methode voor het chemisch stabiliseren van optische nanokristallen, zonder afbreuk te doen aan hun elektrische eigenschappen, is ontwikkeld door wetenschappers van KAUST.

Halide perovskieten bevinden zich in een opwindende klasse van materialen voor opto-elektronica en fotovoltaïsche energie. Deze materialen absorberen op efficiënte wijze zichtbaar licht, beschikken over lange diffusielengten van de ladingsdragers en zijn gemakkelijk en goedkoop te produceren. De prestaties van optische apparaten kunnen ook worden verbeterd door deeltjes op nanometerschaal op te nemen, die veel betere lichtgevende en absorberende eigenschappen hebben dan het bulkmateriaal waarvan ze zijn afgeleid. Het is dan ook niet verwonderlijk dat wetenschappers deze twee benaderingen graag willen combineren. De uitdaging is dat kleine perovskietdeeltjes niet altijd chemisch stabiel zijn, en hun atomaire kristalstructuur is moeilijk te controleren.

Moleculen vastmaken, liganden genoemd, kan een nanokristal stabiliseren. Maar deze zogenaamde passivering kan een elektrisch isolerende schil rond het deeltje vormen die hun effectiviteit in elektronische apparaten remt.

Nutsvoorzieningen, de groep van Osman Bakr, en medewerkers van KAUST en ShanghaiTech University, heeft halide perovskiet nanokristallen gemaakt gemaakt van cesium-lood-jodide gepassiveerd door 2, 2′-iminodibenzoëzuur (IDA) liganden. Ze laten zien dat dit de nodige chemische stabiliteit biedt en toch bruikbaar blijft voor opto-elektronica. En de passivering was eenvoudig:gewoon IDA-poeder toevoegen aan de nanokristaloplossing en een centrifuge gebruiken om het overtollige te verwijderen.

Het team koos voor IDA omdat het een tweetandige ligand is, wat betekent dat het zich op twee plaatsen aan het nanokristal bindt. "De conventionele liganden die in deze toepassingen worden gebruikt, zoals oliezuur, zijn dynamisch op het oppervlak van de perovskiet nanokristallen en komen gemakkelijk los, " zegt Jun Pan, de eerste auteur op het papier. "Daarom passen we een dubbele carboxylgroep toe om sterk aan het oppervlak te binden, die ook de perovskietkristalfase stabiliseert bij kamertemperatuur."

Pan en zijn team vergeleken de optische eigenschappen van zowel de gepassiveerde als de niet-gepassiveerde monsters en merkten op dat de behandeling de fotoluminescente kwantumopbrengst verbeterde van 80 procent tot meer dan 95 procent. En hoewel de intensiteit van het licht dat door de niet-gepassiveerde nanokristallen werd uitgestraald vijf dagen later aanzienlijk was gedaald, de met IDA behandelde monsters straalden 15 dagen later nog steeds licht uit op 90 procent van hun oorspronkelijke niveau.

Het team toonde aan dat hun gestabiliseerde halide-perovskiet-nanokristallen geschikt waren voor opto-elektronische toepassingen door ze te gebruiken om lichtemitterende diodes te bouwen. De roodlichtgenererende apparaten presteerden opnieuw beter dan het niet-gepassiveerde regelapparaat in termen van maximale luminantie en lichtstroomefficiëntie.

"De volgende stap is om stabielere perovskietstructuren te realiseren en een LED te maken met prestaties van meer dan 10 procent op basis van perovskiet-nanokristallen, ' zegt Pan.