Perovskite LED är en framväxande teknik för nästa generations display, belysning och kommunikation. Medan perovskite LED kan tillverkas enkelt och till låg kostnad, visar de tydliga tekniska fördelar. De är lätta och erbjuder flexibilitet som är jämförbar med OLED, och de har färgrenhet och inställningsförmåga som liknar lysdioder baserade på III-V-halvledare. Med bara några år av forskning utförd av forskare runt om i världen, konkurrerar effektiviteten hos perovskite LED redan mer mogen teknik.

Men i likhet med perovskite-solceller, står den dåliga enhetsstabiliteten hos perovskite-lysdioder som den största utmaningen mot kommersiella tillämpningar. Typiska livslängder för perovskite lysdioder är i storleksordningen 10 till 100 timmar. Däremot är den minsta livslängden som krävs för en OLED-skärm 10 000 timmar. Forskare har stora svårigheter att nå denna tröskel, eftersom halogenidperovskithalvledare kan vara i sig instabila på grund av den joniska naturen hos deras kristallstrukturer – jonerna kan röra sig när spänningar appliceras på lysdioderna, vilket leder till materialförsämring.

Nyligen gjorde en forskargrupp ledd av Prof. Di Dawei och Prof. Zhao Baodan vid College of Optical Science and Engineering vid Zhejiang University ett viktigt genombrott på detta område. De upptäckte att genom att använda en dipolär molekylär stabilisator är det möjligt att göra effektiva och stabila perovskit-lysdioder med ultralång livslängd, som uppfyller kraven från kommersiella applikationer. Forskningen har utförts i samarbete med forskargrupperna för Prof. Li Cheng vid Xiamen University, Prof. Hong Zijian vid Zhejiang University och Prof. Li Weiwei vid NUAA och tidigare vid Cambridge University. En artikel med titeln "Ultrastable near-infrared perovskite light-emitting diodes" publicerades av forskarna den 8 augusti 2022 i Nature Photonics .

"Våra stabiliserade perovskite-lysdioder visade ingen prestandaförsämring under 5 månader (3 600 timmar) av kontinuerlig drift under en ström på 5 mA/cm ² . En del av mätningarna pågår fortfarande", säger Di, motsvarande författare till tidningen. "Det här är verkligen spännande och är helt över förväntan. Enheterna är mycket stabila och vissa pågående mätningar kommer sannolikt inte att slutföras om ett år eller ännu längre. För att kunna erhålla livstidsdata inom en rimlig tidsram måste vi använda accelererade åldringstester som används allmänt för lysdioder," sa Di.

De nära-infraröda perovskite-lysdioderna visar extraordinära livslängder. Till exempel den uppskattade T₅₀ livslängden (tiden som krävs för att den initiala strålglansen ska sjunka till 50 %) är 32 675 timmar (3,7 år) vid en initial strålglans på 2,1 W sr ^-1 m ^-2 (3,2 mA/cm ² ). Denna utstrålning är ungefär samma optiska kraft för en kommersiell grön OLED som arbetar med en hög ljusstyrka på 1 000 cd/m ² . Vid en låg initial radians på 0,21 W sr ^-1 m ^-2 (en tiondel av ovanstående ljusstyrkeinställning) eller 0,7 mA/cm ² , den prognostiserade T₅₀ livslängden är 2,4 miljoner timmar (2,7 århundraden).

Guo Bingbing, en doktorand vid Zhejiang University och den första författaren till artikeln, sa:"Vi tror att det är viktigt att utföra robusta livstidsanalyser för den nya klassen av lysdioder med så många datapunkter som möjligt. För att uppnå detta mål, vi samlade in 62 datapunkter från experiment med accelererat åldrande över ett brett strömtäthetsintervall på 10 till 200 mA/cm ² ." Den maximala externa kvanteffektiviteten och energiomvandlingseffektiviteten för enheterna nådde 22,8 % respektive 20,7 %. Dessa är de högsta effektivitetsvärdena för nära-infraröda perovskite-LED.

Forskarna fann att de stabiliserade perovskitmaterialen håller sina kristallstrukturer mycket bra över tiden. "Kristallstrukturerna förändrades inte på mer än 322 dagar", säger Zhao, motsvarande författare till tidningen. "Detta betyder att den dipolära molekylära stabilisatorn hjälper perovskiten att behålla sin ursprungliga, optoelektroniskt aktiva kristallfas. Däremot ändrade de obehandlade perovskitproverna sina kristallstrukturer och sönderdelade på ungefär två veckor", säger Zhao.

Rörelsen av joner i perovskitmaterialen är en källa till instabilitet. Sådana problem blir mycket värre under externa spänningar under LED-drift. "Våra experiment och beräkningar visade att de dipolära molekylerna kemiskt binder eller interagerar med alla positiva och negativa joner vid perovskitkristallkornens gränser", sa Guo, "och detta kan vara anledningen till att jonmigrering blir svårare i den stabiliserade perovskiten."

"Undertryckandet av jonisk rörelse kan ses från de elektriska och optiska mätningarna vi och våra medarbetare utförde," kommenterade Zhao.

Livstidsresultaten tyder på att perovskite-enheter inte är "genetiskt felaktiga" när det gäller stabilitet. "Metalhalogenidperovskiter, som en framväxande klass av halvledare, ansågs allmänt vara instabila i sig, särskilt i LED-applikationer där höga elektriska fält är närvarande," sa Di, "våra resultat visar att att göra stabila perovskitenheter inte är 'omöjligt'. '"

De ultralånga livslängderna förväntas öka förtroendet inom området perovskite-LED, eftersom de nu uppfyller stabilitetskraven för kommersiella OLED. De nära-infraröda lysdioderna kan vara användbara i infraröd display, kommunikation och biologiska tillämpningar. Även om ytterligare ansträngningar behövs för att utveckla synliga enheter med liknande livslängd för fullfärgsskärmar, har demonstrationen av ultrastabila perovskite-LED banat vägen mot industriella tillämpningar. + Utforska vidare

Germanium-bly perovskite LEDs:Ett nytt sätt att minska toxicitet