Onderzoekers hebben een nieuw efficiëntierecord gevestigd voor LED's op basis van perovskiet-halfgeleiders, wedijveren met die van de beste organische LED's (OLED's).

In vergelijking met OLED's, die veel worden gebruikt in hoogwaardige consumentenelektronica, de op perovskiet gebaseerde LED's, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, tegen veel lagere kosten kan worden gemaakt, en kan worden afgestemd om licht uit te zenden over de zichtbare en nabij-infraroodspectra met een hoge kleurzuiverheid.

De onderzoekers hebben de perovskietlaag in de LED's zo ontworpen dat ze bijna 100% interne luminescentie-efficiëntie vertonen, toekomstige toepassingen zichtbaar maken, verlichting en communicatie, evenals zonnecellen van de volgende generatie.

Deze perovskietmaterialen zijn van hetzelfde type als die waarvan is gevonden dat ze zeer efficiënte zonnecellen maken die op een dag commerciële siliciumzonnecellen zouden kunnen vervangen. Hoewel op perovskiet gebaseerde LED's al zijn ontwikkeld, ze zijn lang niet zo efficiënt geweest als conventionele OLED's bij het omzetten van elektriciteit in licht.

Eerder hybride perovskiet-LED's, vier jaar geleden voor het eerst ontwikkeld door de groep van professor Sir Richard Friend aan het Cavendish Laboratory van de universiteit, waren veelbelovend, maar verliezen van de perovskietlaag, veroorzaakt door kleine defecten in de kristalstructuur, hun lichtemissie-efficiëntie beperkt.

Nutsvoorzieningen, Cambridge-onderzoekers van dezelfde groep en hun medewerkers hebben aangetoond dat door het vormen van een composietlaag van de perovskieten samen met een polymeer, is het mogelijk om veel hogere lichtemissie-efficiënties te bereiken, dicht bij de theoretische efficiëntielimiet van dunne-film OLED's. Hun resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurfotonica .

"Deze perovskiet-polymeerstructuur elimineert effectief niet-emissieve verliezen, de eerste keer dat dit is bereikt in een apparaat op basis van perovskiet, " zei Dr. Dawei Di van Cambridge's Cavendish Laboratory, een van de corresponderende auteurs van het artikel. "Door de twee te combineren, we kunnen in principe voorkomen dat de elektronen en positieve ladingen recombineren via de defecten in de perovskietstructuur."

Het perovskiet-polymeermengsel dat wordt gebruikt in de LED-apparaten, bekend als een bulk heterostructuur, is gemaakt van tweedimensionale en driedimensionale perovskietcomponenten en een isolerend polymeer. Wanneer een ultrasnelle laser op de structuren wordt beschenen, paren elektrische ladingen die energie transporteren, verplaatsen zich in een biljoenste van een seconde van de 2D-regio's naar de 3D-regio's:veel sneller dan eerdere gelaagde perovskietstructuren die in LED's worden gebruikt. Gescheiden ladingen in de 3D-gebieden recombineren dan en zenden licht uiterst efficiënt uit.

"Omdat de energiemigratie van 2D-regio's naar 3D-regio's zo snel gaat, en de ladingen in de 3D-gebieden worden door het polymeer geïsoleerd van de defecten, deze mechanismen voorkomen dat de defecten erbij betrokken raken, waardoor energieverlies wordt voorkomen, " zei Di.

"De beste externe kwantumefficiëntie van deze apparaten is hoger dan 20% bij stroomdichtheden die relevant zijn voor weergavetoepassingen, een nieuw record voor perovskiet-LED's, wat een vergelijkbare efficiëntiewaarde is als de beste OLED's die momenteel op de markt zijn, " zei Baodan Zhao, de eerste auteur van de krant.

Terwijl op perovskiet gebaseerde LED's beginnen te concurreren met OLED's op het gebied van efficiëntie, ze hebben nog steeds een betere stabiliteit nodig als ze worden toegepast in consumentenelektronica. Toen LED's op basis van perovskiet voor het eerst werden ontwikkeld, ze hadden een levensduur van slechts een paar seconden. De LED's die in het huidige onderzoek zijn ontwikkeld, hebben een halfwaardetijd van bijna 50 uur, wat een enorme verbetering is in slechts vier jaar, maar nog lang niet de levensduur die nodig is voor commerciële toepassingen, waarvoor een uitgebreid industrieel ontwikkelingsprogramma nodig is. "Het begrijpen van de degradatiemechanismen van de LED's is een sleutel tot toekomstige verbeteringen, " zei Di.