Perovskite:Ny LED-teknologi overgår livsmilepælen

Perovskite LED'er er en ny teknologi til næste generations display, belysning og kommunikation. Mens perovskite LED'er kan fremstilles enkelt og til lave omkostninger, viser de klare teknologiske fordele. De er lette og tilbyder fleksibilitet, der kan sammenlignes med OLED'er, og de har farverenhed og tunbarhed svarende til LED'er baseret på III-V halvledere. Med kun et par års forskning udført af forskere rundt om i verden, kan effektiviteten af ​​perovskite LED'er allerede konkurrere med mere modne teknologier.

Men i lighed med perovskit-solceller står den dårlige enhedsstabilitet af perovskite-LED'er som den største udfordring mod kommercielle applikationer. Typiske levetider for perovskite LED'er er i størrelsesordenen 10 til 100 timer. I modsætning hertil er den mindste levetid, der kræves for en OLED-skærm, 10.000 timer. Forskere har store problemer med at nå denne tærskel, da halogenid-perovskit-halvledere i sig selv kan være ustabile på grund af den ioniske natur af deres krystalstrukturer – ionerne kan bevæge sig rundt, når der påføres spændinger til lysdioderne, hvilket fører til materialenedbrydning.

For nylig fik en forskergruppe ledet af prof. Di Dawei og prof. Zhao Baodan ved College of Optical Science and Engineering ved Zhejiang University et vigtigt gennembrud på dette område. De opdagede, at ved at bruge en dipolær molekylær stabilisator, er det muligt at lave effektive og stabile perovskit-LED'er med ultralang levetid, der opfylder kravene til kommercielle applikationer. Forskningen blev udført i samarbejde med forskergrupperne af prof. Li Cheng ved Xiamen University, professor Hong Zijian ved Zhejiang University og prof. Li Weiwei ved NUAA og tidligere ved Cambridge University. Et papir med titlen "Ultrastable near-infrared perovskite light-emitting diodes" blev offentliggjort af forskerne den 8. august 2022 i Nature Photonics .

"Vores stabiliserede perovskite LED'er viste ingen ydeevneforringelse over 5 måneder (3.600 timer) med kontinuerlig drift under en strøm på 5 mA/cm ² . Nogle af målingerne er stadig i gang," sagde Di, tilsvarende forfatter til papiret. "Dette er virkelig spændende og er fuldstændig over al forventning. Enhederne er meget stabile, og nogle igangværende målinger er usandsynligt færdige om et år eller endnu længere. For at kunne opnå livstidsdata inden for en rimelig tidsramme, er vi nødt til at bruge accelererede ældningstest, der er udbredt anvendt til LED'er," sagde Di.

De nær-infrarøde perovskite LED'er viser ekstraordinære levetider. For eksempel den anslåede T₅₀ levetid (tid, der kræves for den indledende udstråling at falde til 50%) er 32.675 timer (3,7 år) ved en indledende udstråling på 2,1 W sr ^-1 m ^-2 (3,2 mA/cm ² ). Denne udstråling er omtrent den samme optiske effekt for en kommerciel grøn OLED, der arbejder ved en høj lysstyrke på 1.000 cd/m ² . Ved en lav initial udstråling på 0,21 W sr ^-1 m ^-2 (en tiendedel af ovenstående lysstyrkeindstilling) eller 0,7 mA/cm ² , den forventede T₅₀ levetid er 2,4 millioner timer (2,7 århundreder).

Guo Bingbing, en postgraduate studerende ved Zhejiang University og den første forfatter af papiret, sagde:"Vi mener, det er vigtigt at udføre robuste levetidsanalyser for den nye klasse af LED'er ved at bruge så mange datapunkter som muligt. For at nå dette mål, vi indsamlede 62 datapunkter fra eksperimenter med accelereret ældning over et bredt strømtæthedsområde på 10 til 200 mA/cm ² ." Den maksimale eksterne kvanteeffektivitet og energikonverteringseffektivitet for enhederne nåede henholdsvis 22,8 % og 20,7 %. Dette er de højeste effektivitetsværdier for nær-infrarøde perovskit-LED'er.

Forskerne fandt ud af, at de stabiliserede perovskitmaterialer holder deres krystalstrukturer meget godt over tid. "Krystalstrukturerne ændrede sig ikke i mere end 322 dage," sagde Zhao, en tilsvarende forfatter til papiret. "Det betyder, at den dipolære molekylære stabilisator hjælper perovskitten med at bevare sin oprindelige, optoelektronisk aktive krystalfase. I modsætning hertil ændrede de ubehandlede perovskitprøver deres krystalstrukturer og nedbrydes på omkring to uger," sagde Zhao.

Bevægelsen af ​​ioner i perovskitmaterialerne er en kilde til ustabilitet. Et sådant problem bliver meget værre under eksterne spændinger under LED-drift. "Vores eksperimenter og beregninger viste, at de dipolære molekyler kemisk binder eller interagerer med alle positive og negative ioner ved perovskitkrystalkorngrænserne," sagde Guo, "og dette kan være grunden til, at ionmigrering bliver vanskeligere i den stabiliserede perovskit."

"Undertrykkelsen af ​​ionisk bevægelse kan ses fra de elektriske og optiske målinger, vi og vores samarbejdspartnere udførte," kommenterede Zhao.

Levetidsresultaterne tyder på, at perovskite-enheder ikke er "genetisk defekte" med hensyn til stabilitet. "Metalhalogenidperovskitter, som en ny klasse af halvledere, blev bredt anset for at være iboende ustabile, især i LED-applikationer, hvor der er høje elektriske felter til stede," sagde Di, "vores resultater viser, at det ikke er umuligt at gøre stabile perovskit-enheder. '"

De ultralange levetider forventes at øge tilliden inden for perovskite LED'er, da de nu opfylder stabilitetskravet for kommercielle OLED'er. De nær-infrarøde LED'er kan være nyttige i infrarød skærm, kommunikation og biologiske applikationer. Mens der er behov for yderligere bestræbelser på at udvikle synlige enheder med lignende levetid til fuldfarveskærme, har demonstrationen af ​​ultrastabile perovskite LED'er banet vejen mod industrielle applikationer. + Udforsk yderligere

Germanium-bly perovskite LED'er:En ny måde at reducere toksicitet