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Neuer Wirkungsgradrekord für Perowskit-LEDs

07.11.2018

University of Cambridge

Dies ist ein künstlerischer Blick auf die Perowskit-Polymer-Heterostruktur, die in LEDs verwendet wird.

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 im Nahinfrarotbereich liegenden Spektren 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 ermöglicht.

Diese Perowskit-Materialien sind vom gleichen Typ wie diejenigen, die hocheffiziente Solarzellen bilden, 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 aufgrund winziger Defekte in der Kristallstruktur der Perowskitschicht schränkten ihre Effizienz bei der Lichtemission ein.

Jetzt haben Cambridge-Forscher derselben Gruppe und ihre Kollegen gezeigt, dass es durch die Bildung einer Verbundschicht aus Perowskiten und einem Polymer möglich ist, wesentlich höhere Lichtemissionswerte zu erreichen, die nahe an der theoretischen Effizienzgrenze von Dünnschicht-OLEDs liegen.

"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 korrespondierenden Autoren der Arbeit. "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 Blockheterostruktur bezeichnet wird, besteht aus zwei- und dreidimensionalen Perowskit-Komponenten und einem isolierenden Polymer. Wenn ein ultraschneller Laser auf die Strukturen trifft, bewegen sich Paare von elektrischen Ladungen, die Energie übertragen, in einer Billionendstelsekunde von den 2D-Bereichen zu den 3D-Bereichen: viel schneller im Vergleich zu früheren, geschichteten Perowskitstrukturen, die in LEDs verwendet werden. Getrennte Ladungen in den 3D-Bereichen rekombinieren und emittieren das Licht dann äußerst effizient.

"Da die Energiemigration von 2D- zu 3D-Bereichen 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 einen Energieverlust", sagt Di.

"Die besten externen Quantenwirkungsgrade dieser Vorrichtungen liegen bei über 20% bei den aktuellen Displaydichten, die für Anwendungen relevant sind, was einen neuen Rekord für Perowskit-LEDs darstellt, das ist ein ähnlicher Effizienzwert wie die besten OLEDs auf dem heutigen Markt", sagte Baodan Zhao, der Hauptautor der Studie.

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 Abbau-Mechanismen der LEDs ist ein Schlüssel zu zukünftigen Verbesserungen", sagt Di.

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