Perovskiet-LED's zijn een opkomende technologie voor display, verlichting en communicatie van de volgende generatie. Hoewel perovskiet-LED's eenvoudig en tegen lage kosten kunnen worden geproduceerd, vertonen ze duidelijke technologische voordelen. Ze zijn lichtgewicht en bieden flexibiliteit die vergelijkbaar is met OLED's, en ze hebben kleurzuiverheid en afstembaarheid vergelijkbaar met LED's op basis van III-V-halfgeleiders. Met slechts een paar jaar onderzoek door wetenschappers over de hele wereld, kan de efficiëntie van perovskiet-LED's al concurreren met meer volwassen technologieën.

Echter, vergelijkbaar met perovskiet-zonnecellen, vormt de slechte apparaatstabiliteit van perovskiet-LED's de grootste uitdaging voor commerciële toepassingen. Typische levensduur van perovskiet-LED's is in de orde van 10 tot 100 uur. Daarentegen is de minimale levensduur die nodig is voor een OLED-scherm 10.000 uur. Onderzoekers hebben grote moeite om deze drempel te bereiken, aangezien halide-perovskiet-halfgeleiders intrinsiek onstabiel kunnen zijn vanwege de ionische aard van hun kristalstructuren - de ionen kunnen bewegen wanneer spanningen op de LED's worden toegepast, wat leidt tot materiaaldegradatie.

Onlangs heeft een onderzoeksgroep onder leiding van Prof. Di Dawei en Prof. Zhao Baodan van het College of Optical Science and Engineering van de Zhejiang University een belangrijke doorbraak bereikt op dit gebied. Ze ontdekten dat het mogelijk is om met behulp van een dipolaire moleculaire stabilisator efficiënte en stabiele perovskiet-LED's te maken met een ultralange levensduur, die voldoen aan de eisen van commerciële toepassingen. Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met de onderzoeksgroepen van Prof. Li Cheng van Xiamen University, Prof. Hong Zijian van Zhejiang University en Prof. Li Weiwei van NUAA en voorheen van Cambridge University. Een paper met de titel "Ultrastable near-infrared perovskite light-emitting diodes" werd op 8 augustus 2022 door de onderzoekers gepubliceerd in Nature Photonics .

"Onze gestabiliseerde perovskiet-LED's vertoonden geen prestatievermindering gedurende 5 maanden (3.600 uur) continu gebruik onder een stroomsterkte van 5 mA/cm ² . Sommige van de metingen zijn nog aan de gang", zegt Di, corresponderend auteur van het artikel. "Dit is echt spannend en boven verwachting. De apparaten zijn zeer stabiel en sommige lopende metingen zullen waarschijnlijk niet binnen een jaar of zelfs langer worden voltooid. Om de levensduurgegevens binnen een redelijk tijdsbestek te verkrijgen, moeten we versnelde verouderingstesten gebruiken die algemeen worden gebruikt voor LED's, "zei Di.

De nabij-infrarode perovskiet-LED's laten een buitengewone levensduur zien. Bijvoorbeeld de geschatte T₅₀ levensduur (de tijd die nodig is om de initiële straling te laten dalen tot 50%) is 32.675 uur (3,7 jaar) bij een initiële straling van 2,1 W sr ^-1 m ^-2 (3,2 mA/cm ² ). Deze uitstraling is ongeveer hetzelfde optische vermogen voor een commerciële groene OLED die werkt met een hoge helderheid van 1.000 cd/m ² . Bij een lage initiële straling van 0,21 W sr ^-1 m ^-2 (een tiende van de bovenstaande helderheidsinstelling) of 0,7 mA/cm ² , de voorspelde T₅₀ levensduur is 2,4 miljoen uur (2,7 eeuwen).

Guo Bingbing, een postdoctorale student aan de Zhejiang University en de eerste auteur van het artikel, zei:"We vinden het belangrijk om robuuste levensduuranalyses uit te voeren voor de nieuwe klasse LED's met zoveel mogelijk datapunten. Om dit doel te bereiken, we hebben 62 datapunten verzameld van experimenten met versnelde veroudering over een breed stroomdichtheidsbereik van 10 tot 200 mA/cm ² ." De maximale externe kwantumefficiëntie en energieconversie-efficiëntie van de apparaten bereikten respectievelijk 22,8% en 20,7%. Dit zijn de hoogste efficiëntiewaarden voor nabij-infrarood perovskiet-LED's.

De onderzoekers ontdekten dat de gestabiliseerde perovskietmaterialen hun kristalstructuren in de loop van de tijd zeer goed vasthouden. "De kristalstructuren zijn gedurende meer dan 322 dagen niet veranderd", zegt Zhao, een corresponderende auteur van het artikel. "Dit betekent dat de dipolaire moleculaire stabilisator de perovskiet helpt om zijn oorspronkelijke, opto-elektronisch actieve kristalfase te behouden. Daarentegen veranderden de onbehandelde perovskietmonsters hun kristalstructuur en ontbonden ze in ongeveer twee weken," zei Zhao.

De beweging van ionen in de perovskietmaterialen is een bron van instabiliteit. Een dergelijk probleem wordt veel erger onder externe spanningen tijdens LED-bedrijf. "Onze experimenten en berekeningen toonden aan dat de dipolaire moleculen chemisch binden of interageren met alle positieve en negatieve ionen aan de perovskietkristalkorrelgrenzen," zei Guo, "en dit kan de reden zijn waarom ionenmigratie moeilijker wordt in de gestabiliseerde perovskiet."

"De onderdrukking van ionische beweging is te zien aan de elektrische en optische metingen die wij en onze medewerkers hebben uitgevoerd," merkte Zhao op.

De levenslange resultaten suggereren dat perovskiet-apparaten niet "genetisch gebrekkig" zijn in termen van stabiliteit. "Metaalhalogenide-perovskieten, als een opkomende klasse van halfgeleiders, werden algemeen beschouwd als intrinsiek onstabiel, vooral in LED-toepassingen waar hoge elektrische velden aanwezig zijn," zei Di, "onze resultaten laten zien dat het maken van stabiele perovskiet-apparaten geen 'mission impossible' is. '"

De ultralange levensduur zal naar verwachting het vertrouwen op het gebied van perovskiet-LED's vergroten, aangezien ze nu voldoen aan de stabiliteitseis voor commerciële OLED's. De nabij-infrarode LED's kunnen nuttig zijn bij infraroodweergave, communicatie en biologische toepassingen. Hoewel verdere inspanningen nodig zijn bij het ontwikkelen van zichtbare apparaten met een vergelijkbare levensduur voor kleurenschermen, heeft de demonstratie van ultrastabiele perovskiet-LED's de weg vrijgemaakt voor industriële toepassingen. + Verder verkennen

Germanium-lood perovskiet-LED's:een nieuwe manier om toxiciteit te verminderen