Forskare har satt ett nytt effektivitetsrekord för lysdioder baserade på perovskithalvledare, konkurrerar med de bästa organiska lysdioderna (OLED).

Jämfört med OLED, som används i stor utsträckning inom avancerad hemelektronik, de perovskitbaserade lysdioderna, utvecklad av forskare vid University of Cambridge, kan göras till mycket lägre kostnader, och kan ställas in för att avge ljus över de synliga och nära-infraröda spektra med hög färgrenhet.

Forskarna har konstruerat perovskitskiktet i lysdioderna för att visa nära 100 % intern luminescenseffektivitet, öppna framtida applikationer i displayen, belysning och kommunikation, samt nästa generations solceller.

Dessa perovskitmaterial är av samma typ som de som har visat sig göra högeffektiva solceller som en dag skulle kunna ersätta kommersiella kiselsolceller. Medan perovskitbaserade lysdioder redan har utvecklats, de har inte varit tillnärmelsevis lika effektiva som konventionella OLED:er för att omvandla elektricitet till ljus.

Tidigare hybrid perovskite lysdioder, utvecklades först av professor Sir Richard Friends grupp vid universitetets Cavendish Laboratory för fyra år sedan, var lovande, men förluster från perovskitskiktet, orsakas av små defekter i kristallstrukturen, begränsade deras ljusutsläppseffektivitet.

Nu, Cambridge-forskare från samma grupp och deras medarbetare har visat att genom att bilda ett kompositskikt av perovskiterna tillsammans med en polymer, det är möjligt att uppnå mycket högre ljusemissionseffektivitet, nära den teoretiska effektivitetsgränsen för tunnfilms-OLED. Deras resultat redovisas i tidskriften Nature Photonics .

"Denna perovskit-polymerstruktur eliminerar effektivt icke-emitterande förluster, första gången detta har uppnåtts i en perovskite-baserad enhet, " sa Dr Dawei Di från Cambridges Cavendish Laboratory, en av motsvarande författare till tidningen. "Genom att blanda de två, vi kan i princip förhindra att elektroner och positiva laddningar rekombineras via defekterna i perovskitstrukturen."

Perovskit-polymerblandningen som används i LED-enheterna, känd som en bulk heterostruktur, är gjord av tvådimensionella och tredimensionella perovskitkomponenter och en isolerande polymer. När en ultrasnabb laser lyser på strukturerna, par av elektriska laddningar som bär energi flyttar sig från 2-D-regionerna till 3-D-regionerna på en biljondels sekund:mycket snabbare än tidigare skiktade perovskitstrukturer som används i lysdioder. Separerade laddningar i 3D-regionerna rekombineras sedan och avger ljus extremt effektivt.

"Eftersom energimigreringen från 2D-regioner till 3D-regioner sker så snabbt, och laddningarna i 3D-regionerna är isolerade från defekterna av polymeren, dessa mekanismer förhindrar att defekterna blir inblandade, förhindrar därmed energiförlust, sa Di.

"Den bästa externa kvanteffektiviteten för dessa enheter är högre än 20 % vid strömtätheter som är relevanta för visningsapplikationer, sätta ett nytt rekord för perovskite lysdioder, vilket är ett liknande effektivitetsvärde som de bästa OLED:erna på marknaden idag, sa Baodan Zhao, tidningens första författare.

Medan perovskitbaserade lysdioder börjar konkurrera med OLED när det gäller effektivitet, de behöver fortfarande bättre stabilitet om de ska användas i hemelektronik. När perovskitbaserade lysdioder först utvecklades, de hade en livstid på bara några sekunder. Lysdioderna som utvecklats i den aktuella forskningen har en halveringstid på nära 50 timmar, vilket är en enorm förbättring på bara fyra år, men fortfarande inte i närheten av de livstider som krävs för kommersiella tillämpningar, vilket kommer att kräva ett omfattande industriutvecklingsprogram. "Förstå degraderingsmekanismerna för lysdioderna är en nyckel till framtida förbättringar, sa Di.