Neuer Effizienzrekord für Perowskit-LEDs aufgestellt

Forscher haben einen neuen Effizienzrekord für LEDs auf Basis von Perowskit-Halbleitern aufgestellt, der mit den besten organischen LEDs (OLEDs) konkurriert.

Im Vergleich zu OLEDs, die in der High-End-Verbraucherelektronik weit verbreitet sind, können die von Forschern der Universität Cambridge entwickelten LEDs auf Perowskitbasis zu wesentlich geringeren Kosten hergestellt und so abgestimmt werden, dass sie Licht in hoher Farbreinheit über die sichtbaren und nahen Infrarotspektren emittieren.

Die Forscher haben die Perowskitschicht in den LEDs so konstruiert, dass sie eine nahezu 100%ige interne Lumineszenzleistung aufweist, die zukünftige Anwendungen in den Bereichen Display, Beleuchtung und Kommunikation sowie Solarzellen der nächsten Generation eröffnet.

Diese Perowskit-Materialien sind vom gleichen Typ wie diejenigen, die hocheffiziente Solarzellen herstellen, die eines Tages kommerzielle Silizium-Solarzellen ersetzen könnten. Obwohl LEDs auf Perowskitbasis bereits entwickelt wurden, waren sie bei der Umwandlung von Strom in Licht nicht annähernd so effizient wie herkömmliche OLEDs.

Frühere hybride Perowskit-LEDs, die vor vier Jahren von der Gruppe von Professor Sir Richard Friend am Cavendish Laboratory der Universität entwickelt wurden, waren vielversprechend, aber Verluste aus der Perowskitschicht, verursacht durch winzige Defekte in der Kristallstruktur, schränkten ihre Lichtemissionseffizienz ein.

Jetzt haben Cambridge-Forscher derselben Gruppe und ihre Mitarbeiter gezeigt, dass es durch die Bildung einer Verbundschicht aus den Perowskiten zusammen mit einem Polymer möglich ist, wesentlich höhere Lichtemissionswerte zu erreichen, die nahe an der theoretischen Effizienzgrenze von Dünnschicht-OLEDs liegen. Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.

„Diese Perovskit-Polymerstruktur eliminiert effektiv nicht-emittierende Verluste, zum ersten Mal in einem Perovskit-basierten Gerät“, sagte Dr. Dawei Di vom Cambridge Cavendish Laboratory, einem der entsprechenden Autoren des Papiers. „Durch die Vermischung der beiden können wir grundsätzlich verhindern, dass sich die Elektronen und positiven Ladungen über die Defekte in der Perowskitstruktur rekombinieren.“

Die in den LED-Geräten verwendete Perowskit-Polymer-Mischung, die als Massenheterostruktur bezeichnet wird, besteht aus zwei- und dreidimensionalen Perowskit-Komponenten und einem isolierenden Polymer. Wenn ein ultraschneller Laser auf die Strukturen scheint, bewegen sich Paare von elektrischen Ladungen, die Energie übertragen, in einer Billionendstelsekunde von den 2D-Bereichen in die 3D-Bereiche: viel schneller als früher geschichtete Perowskitstrukturen, die in LEDs verwendet werden. Getrennte Ladungen in den 3-D-Bereichen rekombinieren und emittieren das Licht dann äußerst effizient.

„Da die Energiemigration von 2D- in 3D-Bereiche so schnell erfolgt und die Ladungen in den 3D-Bereichen durch das Polymer von den Defekten isoliert werden, verhindern diese Mechanismen, dass die Defekte beteiligt werden und verhindern so Energieverluste“, sagt Di.

„Die besten externen Quantenwirkungsgrade dieser Vorrichtungen liegen bei über 20% bei den aktuellen Dichten, die für Display-Anwendungen relevant sind, und stellen einen neuen Rekord für Perowskit-LEDs auf, was einem ähnlichen Effizienzwert entspricht wie die besten OLEDs auf dem heutigen Markt“, sagte Baodan Zhao, der erste Autor des Papiers.

Während LEDs auf Perowskitbasis beginnen, in puncto Effizienz mit OLEDs zu konkurrieren, brauchen sie noch mehr Stabilität, wenn sie in der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden sollen. Bei der ersten Entwicklung von LEDs auf Perowskitbasis hatten sie eine Lebensdauer von nur wenigen Sekunden. Die in der aktuellen Forschung entwickelten LEDs haben eine Halbwertszeit von fast 50 Stunden, was eine enorme Verbesserung in nur vier Jahren bedeutet, aber noch lange nicht annähernd die Lebensdauer für kommerzielle Anwendungen, die ein umfangreiches industrielles Entwicklungsprogramm erfordern. „Das Verständnis der Degradationsmechanismen der LEDs ist ein Schlüssel zu zukünftigen Verbesserungen“, sagt Di.

Mehr Informationen:
Baodan Zhao et al, Hocheffiziente Perovskit-Polymer-Massenheterostruktur-Leuchtdioden, Nature Photonics (2018). DOI: 10.1038/s41566-018-0283-4

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