Międzynarodowy zespół badaczy z udziałem naukowca z Politechniki Wrocławskiej opracował diodę LED o wysokiej jasności i wydajności. Warstwa emitująca światło wykonana jest w niej z hybrydowego perowskitu.
Diody LED opanowały rynek ze względu na swoją wydajność, która znacznie przekracza możliwości klasycznych żarówek i świetlówek. Obecnie poszukuje się nowych materiałów, które mogłyby nie tylko zwiększyć funkcjonalności LEDów, ale też potencjalnie obniżyć koszty ich produkcji. Takie rozwiązania nowej generacji, tworzone m.in. na bazie półprzewodników organicznych (OLED), zbudowane są z cienkich warstw (poniżej 100 nm), dzięki czemu zostały powszechnie zaadaptowane w wyświetlaczach urządzeń mobilnych, takich jak telefony i tablety. Przy okazji badań nad fotowoltaiką perowskitową okazało się, że również perowskity – przy drobnych modyfikacjach – mogą być użyte w diodach świecących.
Pozwala to na tworzenie konkurencyjnych rozwiązań, mogących być alternatywą dla nawet najlepszych znanych obecnie rozwiązań pod względem wydajności, chromatyczności (czystości koloru), czy dowolności procesu nanoszenia w warunkach przemysłowych – wyjaśnia dr inż. Szymon Zelewski z z Katedry Inżynierii Materiałów Półprzewodnikowych na Wydziale Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej.
Opracowaniem tej technologii zajęło się, w ramach projektu prof. Neila Greenhama z Uniwersytetu w Cambridge, kilka zespołów należących do grupy Optoelectronics w Laboratorium Cavendisha. Grupa ta od wielu lat wiedzie prym w dziedzinie rozwoju diod świecących nowej generacji. To tutaj powstały najczęściej cytowane w historii publikacje dotyczące tematyki OLED, zainicjowanej i kontynuowanej do dzisiaj przez prof. Sir Richarda Frienda z Uniwersytetu w Cambridge.
Międzynarodowy zespół, którego członkiem jest dr Szymon Zelewski, opracował diodę elektroluminescencyjną (LED) o wysokiej wydajności konwersji energii oraz jasności, w której warstwa emitująca światło wykonana jest z hybrydowego perowskitu (formamidyniowy jodek ołowiu, FAPbI3).
Pasywacja materiału za pomocą molekuły organicznej (MSPE) zwiększyła jego intensywność luminescencji przez zneutralizowanie defektów materiału wpływających niekorzystnie na jego właściwości, a jednocześnie usprawniła transport nośników ładunku (elektronów i dziur) między warstwą perowskitu a sąsiadującymi warstwami, służącymi jako elektrody – mówi badacz z PWr.
Doprowadziło to do uzyskania jednych z rekordowych parametrów diod tego typu, co uznawane jest za znaczące osiągnięcie w dziedzinie nowych materiałów do konwersji energii, szczególnie w dobie kryzysu energetycznego.
Optyczne pomiary i specjalna procedura
W ramach swoich zadań dr Zelewski wykonał pomiary optyczne wykazujące tworzenie się dodatkowych stanów energetycznych na interfejsie między warstwami elektrod w „kanapkowej” strukturze LED.
Są one odwzorowaniem pogorszonego przepływu prądu przez warstwę aktywną diody i wyemitowanie fotonów – tłumaczy. – Zamiast tego wstrzykiwane nośniki ładunku zostają uwięzione i powodują straty energetyczne w postaci ciepła, stąd ich nazwa „stany pułapkowe”.
Ich obserwacja wymaga specjalnych metod eksperymentalnych, ponieważ stosunkowo słabo pochłaniają światło, co sprawia, że są poza zasięgiem klasycznych spektrometrów stosowanych w laboratoriach. Skuteczna okazała się w tym wypadku metoda defleksji fototermicznej (photothermal deflection spectroscopy, PDS). Polega ona na wzbudzeniu materiału światłem, a następnie detekcji jego zmian temperatury na powierzchni za pomocą wiązki laserowej. Lokalne podgrzanie specjalnej cieczy zmienia jej współczynnik załamania, prowadząc do zmiany kierunku wiązki.
Na potrzeby projektu opracowałem również nową procedurę umożliwiającą badanie nanocząstek w roztworze, z którego wytwarzana jest warstwa służąca jako przeźroczysta elektroda. Dzięki temu udało się również pokazać związek między nieporządkiem strukturalnym materiału a wydajnością diody, dotychczas obserwowany powszechnie w ogniwach fotowoltaicznych – opisuje dr Szymon Zelewski, jeden z autorów artykułu w Nature.
Na University of Cambridge młody badacz realizuje dwuletni staż podoktorski (w ramach stypendium im. Bekkera Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej). Pracuje obecnie w zespole Optoelectronic Materials and Device Spectroscopy prowadzonym przez prof. Samuela Stranksa, laureata nagrody LEM Prize 2022. Od ponad roku jest opiekunem laboratorium PDS w Cambridge.
źródło: PWr