Perovskiter är en familj av material som definieras av sin kristallstruktur. Halida perovskiter är enkla att tillverka i en lösning som består av både metalliska och organiska halider. Det ger perovskiter med utmärkta optiska och elektriska egenskaper lämpade för olika optoelektriska applikationer, som solceller, lysdioder och fotodetektorer.
Tillverkning av lysdioder i perovskit.
Foto Charlotte PerhammarVid tillverkningen uppstår dock defekter i materialet, defekter som försvårar laddningstransporten. När dessa defekter tas om hand, passiviseras, påverkar det kristallisationsprocessen som därför behöver kontrolleras noga. Forskargruppen vid LiU, under ledning av universitetslektor Feng Gao, har tillsammans med forskare vid Nanjing Tech University och Soochow University i Kina, studerat hur de olika komponenterna i lösningen påverkar kristallisationsprocessen och vad som händer i gränsytorna.
Defekterna passiviseras
– Vi och flera andra grupper har insett att vi genom att tillsätta en extra mängd organiska halider i lösningen kan bidra till att passivisera defekterna för att få fram högemitterande filmer i perovskit, säger Zhongcheng Yuan, doktorand vid Institutionen för fysik, kemi och biologi, IFM, vid Linköpings universitet.Men ett överskott av organiska halider medför också att kristallisationsprocessen, som ger den speciella och nödvändiga perovskit-strukturen, försvåras.
Forskarna har nu löst detta dilemma genom att tillsätta en metalloxid, i detta fall zinkoxid, för att stötta kristallisationsprocessen. Zinkoxiden bidrar till att få bort tillräckligt många av de extra organiska katjonerna (positivt laddade joner) så att processen tar fart. Artikeln i Nature Communications visar hur kemiska reaktioner mellan olika metalloxidlager och perovskitlagret påverkar egenskaperna i de tunna filmerna av perovskit, och därmed också prestandan hos lysdioden.
– Vi kan nu kontrollera processen effektivt genom att utnyttja zinkoxidens förmåga att avlägsna de oönskade organiska katjonerna samtidigt som de önskade halida anjonerna blir kvar, säger Sai Bai, forskare vid IFM som tillsammans med Feng Gao är huvudförfattare till artikeln.
Effektivast i världen
Filmen som innehåller zinkoxid, den mörkaste, ger de bästa ljusemitterande egenskaperna. Foto Charlotte PerhammarDenna nya upptäckt, i kombination med tidigare resultat där gruppen hittat lösningar för att hantera defekterna i materialet, har gjort det möjligt att tillverka effektiva ljusemitterande perovskitfilmer i laboratoriet. De lysdioder som blir resultatet har ett ljus nära det infraröda med en effektivitet på 19,6 procent, det vill säga att 19,6 procent av de elektroner som skickas in i materialet ger upphov till ljus, fotoner. Det är ett av de bästa resultaten i världen för lysdioder i perovskit.
– Perovskiter är ett lovande forskningsfält. Vi har sett en rad genombrott se senaste fem åren, men fältet är fortfarande nytt och mycket arbete återstår innan lysdioder i perovskit kan produceras kommersiellt och i stor skala. En kritisk aspekt vi måste förbättra är lysdiodernas stabilitet, säger Feng Gao.
Fotnot: Halider är exempelvis fluorider, klorider brominer, vanliga ämnen med en sak gemensamt - de innehåller en halogen (fluor klor, brom m fl)
Forskningen har bland annat finansierats av Feng Gao:s ERC Starting Grant, Europakommissionens Marie Skłodowska-Curie Actions och the National Key Research and Development Program of China
Unveiling the synergistic effect of precursor stoichiometry and interfacial reactions for perovskite light-emitting diodes, Zhongcheng Yuan, Yanfeng Miao, Zhangjun Hu, Weidong Xu, Chaoyang Kuang, Kang Pan, Pinlei Liu, Jingya Lai, Baoquan Sun, Jianpu Wang, Sai Bai & Feng Gao, Nature Communications 2019, DOI 10.1038/s41467-019-10612-3
