Metaalhalogenide-perovskieten zijn een nieuwe klasse van halfgeleidermaterialen voor LED-displays en het oogsten van zonne-energie. Echter, de best presterende apparaten zijn vaak gemaakt van op lood (Pb) gebaseerde perovskieten, waarvan de toxiciteit mogelijke milieuproblemen kan veroorzaken. Om het toxiciteitsprobleem op te lossen, een effectieve methode was het gebruik van tin (Sn) als een gedeeltelijke of volledige vervanging van lood in de perovskietmaterialen. Deze strategie is vooral succesvol geweest voor perovskiet-zonnecellen. Echter, op tin gebaseerde (inclusief tin-lood) perovskietmaterialen zijn over het algemeen zeer slechte lichtstralers, veroorzaakt onbevredigende prestaties van op tin gebaseerde perovskiet light-emitting devices (LED's).

Een reden hiervoor is dat zich een hoge dichtheid aan elektronische defecten kan vormen tijdens het bereidingsproces van op tin gebaseerde perovskieten, als tin (Sn ²⁺ ) kan oxideren en het kristallisatieproces wordt niet goed gecontroleerd. Op tin gebaseerde perovskiet-LED's met externe kwantumrendementen van 5% werden gerapporteerd in 2020. Maar deze efficiënties waren alleen mogelijk bij lage helderheid (38 cd/m ² ), ruim onder de vereiste voor weergavetoepassingen (500-1000 cd/m ² ).

Onlangs, een onderzoeksteam onder leiding van prof. Di Dawei van het Zhejiang University College of Optical Science and Engineering ontdekte dat door het gebruik van germanium (Ge), een milieuvriendelijk groep-IV-element, om lood in de perovskiet gedeeltelijk te vervangen, het is mogelijk om zeer lichtgevende perovskietmaterialen en apparaten te maken. Een gerelateerd artikel getiteld "Germanium-lead perovskite light-emitting diodes" werd op 13 juli door het team gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"In onze reis naar perovskiet-LED's met een lage toxiciteit, we hebben gezocht naar alternatieve milieuvriendelijke metalen om lood te vervangen, " zei Di. "Het was een aangename verrassing dat germanium, het element tussen silicium en tin (op het periodiek systeem) zou zo goed kunnen presteren als een vervanging van lood voor LED-toepassingen."

Dr. Yang Dexin, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Di en de eerste auteur van het artikel, zei:"Vroeger bestudeerden we het effect van germaniumionen (Ge ²⁺ ) in germaniumtelluridelegeringen, en ontdekte dat germaniumionen enkele voordelen kunnen bieden in termen van passivering van defecten."

De dunne films van germanium-lood perovskiet vertoonden hoge fotoluminescentie kwantumefficiënties (PLQE's) tot 71%. Dit was een relatieve verbetering van ongeveer 34% ten opzichte van op soortgelijke wijze vervaardigde op Pb gebaseerde perovskietfilms. De hoge luminescentie-efficiëntie kwam van de verbeterde stralingsprocessen en verminderde defectdichtheden in de germanium-loodperovskieten.

Met behulp van deze materialen, Di en collega's demonstreerden voor het eerst germanium-lood perovskiet-LED's. "Tijdens onze eerste demonstratie, we bereikten een externe kwantumefficiëntie tot 13,1% bij hoge helderheid (~ 1900 cd/m ² ) met een maximale helderheid van meer dan 10000 cd/m ² . Dit was een efficiëntierecord voor perovskiet-LED's met verminderde toxiciteit, " zei Yang.

"Hoewel er zeker meer werk nodig is om de prestaties en stabiliteit van het apparaat te verbeteren, onze resultaten suggereren een veelbelovende route naar milieuvriendelijke lichtemitterende technologieën op basis van perovskiet-halfgeleiders, " zei Di.