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为钙钛矿LED设定新的效率记录

研究人员为基于钙钛矿半导体的LED设定了新的效率记录,可与最佳有机LED(OLED)相媲美。与广泛用于高端消费电子产品的OLED相比,由剑桥大学的研究人员开发的基于钙钛矿的LED可以以更低的成本制造,并且可以调整为在可见光和近处发光。 - 具有高色纯度的红外光谱。研究人员设计了LED中的钙钛矿层,以显示接近100%的内部发光效率,开辟了显示器,照明和通信以及下一代太阳能电池的未来应用。

这些钙钛矿材料与那些制造高效太阳能电池的材料相同,有朝一日可以取代商用硅太阳能电池。虽然已经开发出基于钙钛矿的LED,但它们在将电能转化为光的过程中并不像传统的OLED那样有效。早在四年前由大学卡文迪什实验室的理查德弗里德教授小组开发的早期混合钙钛矿LED很有前景,但由晶体结构中的微小缺陷引起的钙钛矿层损失限制了它们的发光效率。

现在,来自同一集团的剑桥研究人员及其合作者已经表明,通过与聚合物一起形成钙钛矿复合层,可以实现更高的发光效率,接近薄膜OLED的理论效率极限。他们的研究结果发表在Nature Photonics杂志上。“这种钙钛矿 - 聚合物结构有效地消除了非发射性损失,这是第一次在基于钙钛矿的设备中实现,”剑桥卡文迪什实验室的Dawei Di博士说,该论文的相应作者之一。“通过混合这两者,我们基本上可以防止电子和正电荷通过钙钛矿结构中的缺陷重新组合。”

用于LED器件的钙钛矿 - 聚合物共混物,称为体异质结构,由二维和三维钙钛矿组分和绝缘聚合物制成。当超快激光照射在结构上时,携带能量的电荷对以万亿分之一秒的速度从2D区域移动到3D区域:比LED中使用的早期分层钙钛矿结构快得多。然后,3D区域中的分离电荷非常有效地重新组合并发光。

“由于从2D区域到3D区域的能量迁移发生得如此之快,并且3D区域中的电荷与聚合物的缺陷隔离,这些机制可以防止缺陷,从而防止能量损失,”Di说。“在与显示器应用相关的电流密度下,这些器件的最佳外部量子效率高于20%,创造了钙钛矿LED的新记录,这与目前市场上最好的OLED具有相似的效率值,”Baodan Zhao说,该论文的第一作者。

虽然基于钙钛矿的LED在效率方面开始与OLED竞争,但如果要在消费电子产品中采用,它们仍需要更好的稳定性。当首次开发基于钙钛矿的LED时,它们的寿命仅为几秒钟。在目前的研究中开发的LED具有接近50小时的半衰期,这在短短四年内是一个巨大的改进,但仍远未达到商业应用所需的寿命,这将需要广泛的工业发展计划。“了解LED的退化机制是未来改进的关键,”迪说。该研究由工程和物理科学研究委员会(EPSRC)和欧洲研究理事会(ERC)资助。

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