I LED perovskite sono una tecnologia emergente per display, illuminazione e comunicazioni di prossima generazione. Sebbene i LED in perovskite possano essere prodotti in modo semplice ea basso costo, mostrano evidenti vantaggi tecnologici. Sono leggeri e offrono una flessibilità paragonabile agli OLED e hanno purezza del colore e sintonizzabilità simili ai LED basati su semiconduttori III-V. Con solo pochi anni di ricerca condotta da scienziati di tutto il mondo, l'efficienza dei LED in perovskite è già paragonabile a tecnologie più mature.

Tuttavia, analogamente alle celle solari a perovskite, la scarsa stabilità del dispositivo dei LED a perovskite rappresenta la sfida più grande per le applicazioni commerciali. La durata tipica dei LED di perovskite è dell'ordine di 10-100 ore. Al contrario, la durata minima richiesta per un display OLED è di 10.000 ore. I ricercatori incontrano grandi difficoltà a raggiungere questa soglia, poiché i semiconduttori di perovskite ad alogenuri potrebbero essere intrinsecamente instabili a causa della natura ionica delle loro strutture cristalline:gli ioni possono spostarsi quando vengono applicate tensioni ai LED, portando al degrado del materiale.

Di recente, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Di Dawei e dal Prof. Zhao Baodan presso il College of Optical Science and Engineering dell'Università di Zhejiang ha compiuto un importante passo avanti in questo settore. Hanno scoperto che, utilizzando uno stabilizzatore molecolare dipolare, è possibile realizzare LED perovskite efficienti e stabili con durate ultra lunghe, soddisfacendo le esigenze delle applicazioni commerciali. La ricerca è stata condotta in collaborazione con i gruppi di ricerca del Prof. Li Cheng dell'Università di Xiamen, del Prof. Hong Zijian dell'Università di Zhejiang e del Prof. Li Weiwei del NUAA e in precedenza dell'Università di Cambridge. L'8 agosto 2022 i ricercatori hanno pubblicato un documento intitolato "Diodi a emissione di luce perovskite nel vicino infrarosso ultrasottile" su Nature Photonics .

"I nostri LED a perovskite stabilizzata non hanno mostrato alcun degrado delle prestazioni in 5 mesi (3.600 ore) di funzionamento continuo con una corrente di 5 mA/cm ² . Alcune delle misurazioni sono ancora in corso", ha affermato Di, corrispondente autore dell'articolo. "Questo è davvero eccitante ed è completamente oltre le aspettative. I dispositivi sono molto stabili ed è improbabile che alcune misurazioni in corso finiscano in un anno o anche più a lungo. Per essere in grado di ottenere i dati sulla durata in un lasso di tempo ragionevole, dobbiamo utilizzare test di invecchiamento accelerato ampiamente utilizzati per i LED", ha affermato Di.

I LED perovskite nel vicino infrarosso mostrano una durata straordinaria. Ad esempio, il T₅₀ stimato la durata (il tempo necessario affinché la radianza iniziale scenda al 50%) è di 32.675 ore (3,7 anni) con una radianza iniziale di 2,1 W sr ^-1 m ^-2 (3,2 mA/cm ² ). Questa luminosità è più o meno la stessa potenza ottica di un OLED verde commerciale che funziona a un'elevata luminosità di 1.000 cd/m ² . A una bassa radianza iniziale di 0,21 W sr ^-1 m ^-2 (un decimo dell'impostazione di luminosità sopra) o 0,7 mA/cm ² , il T₅₀ previsto la durata è di 2,4 milioni di ore (2,7 secoli).

Guo Bingbing, uno studente post-laurea presso l'Università di Zhejiang e il primo autore dell'articolo, ha affermato:"Riteniamo che sia importante eseguire solide analisi della durata della nuova classe di LED utilizzando il maggior numero possibile di punti dati. Per raggiungere questo obiettivo, abbiamo raccolto 62 punti dati da esperimenti di invecchiamento accelerato in un ampio intervallo di densità di corrente da 10 a 200 mA/cm ² ." L'efficienza quantistica esterna di picco e l'efficienza di conversione energetica dei dispositivi hanno raggiunto rispettivamente il 22,8% e il 20,7%. Questi sono i valori di efficienza più elevati per i LED a perovskite nel vicino infrarosso.

I ricercatori hanno scoperto che i materiali di perovskite stabilizzata mantengono le loro strutture cristalline molto bene nel tempo. "Le strutture cristalline non sono cambiate per più di 322 giorni", ha detto Zhao, un corrispondente autore dell'articolo. "Ciò significa che lo stabilizzatore molecolare dipolare aiuta la perovskite a mantenere la sua fase cristallina originale optoelettronicamente attiva. Al contrario, i campioni di perovskite non trattati hanno cambiato le loro strutture cristalline e si sono decomposti in circa due settimane", ha affermato Zhao.

Il movimento degli ioni nei materiali perovskite è fonte di instabilità. Tale problema peggiora molto con tensioni esterne durante il funzionamento del LED. "I nostri esperimenti e calcoli hanno mostrato che le molecole dipolari si legano chimicamente o interagiscono con tutti gli ioni positivi e negativi ai bordi dei grani del cristallo di perovskite", ha detto Guo, "e questo potrebbe essere il motivo per cui la migrazione ionica diventa più difficile nella perovskite stabilizzata".

"La soppressione del movimento ionico può essere vista dalle misurazioni elettriche e ottiche eseguite da noi e dai nostri collaboratori", ha commentato Zhao.

I risultati della durata suggeriscono che i dispositivi di perovskite non sono "geneticamente difettosi" in termini di stabilità. "Le perovskiti ad alogenuri metallici, in quanto classe emergente di semiconduttori, erano ampiamente ritenute intrinsecamente instabili, in particolare nelle applicazioni LED in cui sono presenti campi elettrici elevati", ha affermato Di, "i nostri risultati mostrano che rendere stabili i dispositivi di perovskite non è una missione impossibile. '"

Si prevede che la durata ultralunga aumenterà la fiducia nel campo dei LED perovskite, poiché ora soddisfano i requisiti di stabilità per gli OLED commerciali. I LED nel vicino infrarosso possono essere utili nei display a infrarossi, nelle comunicazioni e nelle applicazioni biologiche. Sebbene siano necessari ulteriori sforzi nello sviluppo di dispositivi visibili con una durata simile per display a colori, la dimostrazione di LED perovskite ultrastabili ha aperto la strada alle applicazioni industriali. + Esplora ulteriormente

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