Rekordhög effektivitet i lysdioder av perovskit

Perovskiterna, en grupp material som definieras av sin kristallstruktur, har de senaste tio åren rönt ett stort intresse i forskarvärlden, till en början för solceller med de senaste åren också för lysdioder. Materialen har goda ljusemitterande egenskaper och är enkla att tillverka. Effektiviteten i lysdioderna, det vill säga hur stor andel av de laddningsbärare som skickas in i materialet som blir till ljus, har begränsats av att det uppstår defekter i materialet vid tillverkningen. Defekterna fungerar som fällor för laddningsbärarna vilket leder till energiförluster.

Passivitetsmolekyler

Men nu har forskare vid Linköpings universitet, tillsammans med kollegor i Kina, Italien, Singapore och Schweiz, hittat en lösning. Ett sätt att komma åt defekterna är att komplettera med så kallade passivitetsmolekyler - molekyler som binder upp de atomer som orsakar defekterna. Tidigt hittade forskarna en molekyl med en aminogrupp i vardera änden som fungerade till viss del. Men när de valde en molekyl som även innehöll syreatomer ökades effektiviteten rejält.
Foto Thor Balkhed
– Vi förstår nu att det är vätebindningarna mellan passivitetsmolekylen och perovskit-materialet som orsakar problemen. Det innebar att vi kunde söka efter en molekyl som var helt perfekt för ändamålet, säger Feng Gao, universitetslektor vid avdelningen Biomolekylär- och organisk elektronik, vid Linköpings universitet.

Den molekyl de hittat har aminogrupper i ändarna, men också syreatomer på lämpliga avstånd mellan dem. Syreatomerna minskar möjligheten för aminogrupperna att skapa vätebindningar och ökar därmed möjligheten att de istället interagerar med defekterna. Antal fällor minskar dramatiskt i perovskit-materialet, vilket betyder att laddningsbärarna, kan rekombinera, slå sig ihop, och skicka ut ljus.

Rekordhög effektivitet

– Med det här speciella perovskit-materialet får vi högeffektiva lysdioder nära det infraröda ljuset. Lysdioder nära infrarött är speciellt användbara för medicinska ändamål och för telekommunikation, men vårt resultat kan användas för att öka effektiviteten även i lysdioder med andra färger, säger Feng Gao.

Effektiviteten ligger på rekordhöga 21,6 procent.

– Vi har fått fram de bästa lysdioderna hittills i perovskit-material. De står sig också väl i konkurrensen med lysdioder i exempelvis organiska material, säger Weidong Xu, postdoktor vid avdelningen Biomolekylär- och organisk elektronik, LiU.

Forskningen har bland annat finansierats via Feng Gaos ERC Starting Grant. Feng Gao är också Wallenberg Academic fellow och Weidong Xu, Wenner-Gren Postdoc fellow.

Rational molecular passivation for high-performance perovskite light-emitting diodes
Weidong Xu, Qi Hu, Sai Bai, Chunxiong Bao, Yanfeng Miao, Zhongcheng Yuan, Tetiana Borzda, Alex J. Barker, Elizaveta Tyukalova, Zhangjun Hu, Maciej Kawecki, Heyong Wang, Zhibo Yan, Xianjie Liu, Xiaobo Shi, Kajsa Uvdal, Mats Fahlman, Wenjing Zhang, Martial Duchamp, Jun-Ming Liu, Annamaria Petrozza, Jianpu Wang, Li-Min Liu, Wei Huang, and Feng Gao. Nature Photonics 2019. doi 10.1038/s41566-019-0390-x