Perovskitpartiklar kan förbättra prestandan hos solceller och lysdioder via en enkel process för att stabilisera nanokristallytan.

En metod för att kemiskt stabilisera optiska nanokristaller, utan att försämra deras elektriska egenskaper, har utvecklats av forskare vid KAUST.

Halidperovskiter är i en spännande klass av material för optoelektronik och solceller. Dessa material absorberar effektivt synligt ljus, har långa laddningsbärare diffusionslängder och är enkla och billiga att tillverka. Prestanda hos optiska enheter kan också förbättras genom att införliva partiklar i nanometerskala, som har mycket överlägsna ljusavgivande och -absorberande egenskaper än bulkmaterialet från vilket de härrör. Så det är inte förvånande att forskare är angelägna om att kombinera dessa två tillvägagångssätt. Utmaningen är att små perovskitpartiklar inte alltid är kemiskt stabila, och deras atomära kristallstruktur är svår att kontrollera.

Att fästa molekyler, kallas ligander, kan stabilisera en nanokristall. Men denna så kallade passivering kan bilda ett elektriskt isolerande skal runt partikeln som hämmar deras effektivitet i elektroniska enheter.

Nu, Osman Bakrs grupp, och medarbetare från KAUST och ShanghaiTech University, har skapat halogenid perovskit nanokristaller gjorda av cesium-bly-jodid passiverad av 2, 2'-iminodibensoesyra (IDA) ligander. De visar att detta ger den nödvändiga kemiska stabiliteten samtidigt som det är användbart för optoelektronik. Och passiveringen var enkel:att bara lägga till IDA-pulver i nanokristalllösningen och använda en centrifug för att ta bort eventuellt överskott.

Teamet valde IDA eftersom det är en tvåtandad ligand, vilket betyder att den binder till nanokristallen på två ställen. "De konventionella liganderna som används i dessa applikationer, som oljesyra, är dynamiska på ytan av perovskit-nanokristallerna och lossnar lätt, säger Jun Pan, den första författaren på tidningen. "Det är därför vi applicerar en dubbel karboxylgrupp för att starkt binda på ytan, som också stabiliserar perovskitkristallfasen vid rumstemperatur."

Pan och hans team jämförde de optiska egenskaperna hos både passiverade och opassiverade prover och observerade att behandlingen förbättrade det fotoluminescerande kvantutbytet - ett mått på hur många fotoner som emitteras för varje absorberad foton - från 80 procent till över 95 procent. Och medan intensiteten av ljus som emitterats från de opassiverade nanokristallerna hade sjunkit avsevärt fem dagar senare, de IDA-behandlade proverna avgav fortfarande ljus vid 90 procent av sin ursprungliga nivå 15 dagar senare.

Teamet visade att deras stabiliserade halogenidperovskit-nanokristaller var lämpliga för optoelektroniska applikationer genom att använda dem för att bygga ljusemitterande dioder. De rödljusgenererande enheterna överträffade återigen den oppassiverade styrenheten när det gäller maximal luminans och ljuseffekteffektivitet.

"Nästa steg är att realisera mer stabila perovskitstrukturer och att skapa en LED med prestanda över 10 procent baserat på perovskit-nanokristaller, säger Pan.