Diodos emissores de luz (LEDs) são dispositivos que emitem luz quando a corrente elétrica flui por eles, tradicionalmente fabricados com materiais semicondutores. Nos últimos anos, cientistas e engenheiros eletrônicos têm explorado o potencial dos LEDs feitos de perovskitas, uma classe de materiais muito utilizada para criar a tecnologia fotovoltaica (PV) com muitas composições possíveis e inúmeras propriedades potenciais, como supercondutividade e magnetorresistência.
Embora alguns LEDs baseados em perovskita tenham alcançado recentemente eficiências quânticas externas acima de 20%, particularmente aqueles feitos de perovskitas halogenadas, seu desempenho pode ser afetado negativamente por perdas de recombinação não radiativa. Além disso, as perovskitas só podem ser depositadas em uma gama limitada de materiais de transporte de carga, o que pode limitar seu potencial para a fabricação de LEDs com desempenho aprimorado.
Pesquisadores da Universidade de Cambridge e da Universidade de Zhejiang recentemente criaram LEDs altamente eficientes depositando perovskitas de dimensões mistas em uma interface fina de fluoreto de lítio. A estratégia de fabricação que eles usaram, delineada no artigo de capa da última edição da Nature Electronics, resultou em LEDs com notável eficiência quântica externa, ao mesmo tempo em que possibilitou a deposição de perovskitas em um material com o qual eles são tipicamente incompatíveis.
Os pesquisadores vêm conduzindo pesquisas em LEDs baseados em perovskita há alguns anos. Em 2018, eles criaram um LED infravermelho próximo usando heteroestruturas de polímero de perovskita que alcançou eficiências quânticas externas de mais de 20% e eficiências quânticas internas de quase 100%.
Enquanto eles estavam fabricando este LED, assim como outros dispositivos, os pesquisadores encontraram dificuldades em fundir camadas de perovskita com camadas de transporte de carga incompatíveis com processos de deposição de perovskita. Por exemplo, eles tentaram usar TFB, um semicondutor polimérico de transporte de buracos que haviam usado anteriormente para criar OLEDs processados por solução de alta eficiência para construir LEDs verdes de perovskita eficientes; no entanto, eles alcançaram resultados ruins.
“Percebemos que não era possível formar camadas emissivas de perovskita no polímero TFB devido à forte hidrofobicidade da superfície do polímero”, diz Prof. Dawei Di da Universidade de Zhejiang, que supervisionou o trabalho em conjunto com o Prof. Richard Friend da Universidade de Cambridge. “Portanto, a motivação de nosso novo estudo foi depositar de forma confiável filmes emissores de luz de perovskita de dimensões mistas em camadas de transporte de carga adequadas para LEDs de alto desempenho. Felizmente, descobrimos que revestindo a superfície TFB com uma interface dielétrica polar, como um camada nanométrica de fluoreto de lítio, é possível formar camadas de perovskita altamente luminescentes para LEDs eficientes.”
Para fabricar seus LEDs baseados em perovskita de dimensões mistas, os pesquisadores primeiro prepararam uma solução precursora de perovskita. Eles então procederam com a deposição de revestimento giratório de TFB de polímero transportador de furo em um substrato de vidro revestido com ITO. Isso foi seguido por um tratamento de recozimento térmico e a evaporação térmica de uma fina camada de fluoreto de lítio na superfície do TFB.
A solução precursora de perovskita foi depositada no TFB revestido com fluoreto de lítio e uma camada de transporte de elétrons orgânico TPBi foi criada por evaporação térmica. Finalmente, os pesquisadores evaporaram termicamente os contatos de fluoreto de lítio/alumínio por meio de uma máscara de sombra e encapsularam o LED.
“A principal diferença entre este novo design e aqueles que criamos no passado é que agora inserimos uma fina camada de fluoreto de lítio entre a camada de transporte de buraco de polímero e a camada de perovskita”, disse Di. “A camada de fluoreto mantém unida a estrutura multicamada do dispositivo ‘tipo sanduíche’. Importante, como descobrimos em nosso estudo anterior, a chave para a alta eficiência do LED de perovskita é a eliminação das perdas de energia não radiativa interfacial. A interface de fluoreto serve a esse propósito muito bem.”
O novo design do LED tem muitas vantagens. O mais notável, entretanto, é que ele permite a combinação de perovskitas com uma variedade de camadas poliméricas de transporte de orifícios que são tipicamente incompatíveis com elas, introduzindo uma interface de fluoreto de lítio altamente polar entre os dois materiais. Essa interface torna as superfícies poliméricas hidrofóbicas, permitindo que as perovskitas se formem em cima dela.
“Observamos que a eficiência quântica de fotoluminescência dos filmes de perovskita que preparamos estava relacionada à polaridade das ligações químicas na interface em que foram depositados”, Baodan Zhao e Yaxiao Lian, co-autores do artigo.
A relação entre a eficiência quântica de fotoluminescência dos filmes de perovskita e a polaridade das ligações químicas na interface revelada pelos pesquisadores tem implicações importantes. Na verdade, isso significa essencialmente que a eficiência de emissão do LED à base de perovskita pode ser facilmente controlada alterando as propriedades químicas dos substratos em que são colocados.
“Descobrimos que usando camadas interfaciais de flúor ultrafinas, é possível formar e integrar camadas de perovskita altamente luminescentes em estruturas de dispositivos LED semelhantes a OLEDs processados por solução de alta eficiência”, disse Di. “Nosso dispositivo alcançou uma alta eficiência quântica externa de> 19,1% com alto brilho (> 1500 cd/m2) relevante para aplicações de exibição. Nossas descobertas expandem a biblioteca atualmente limitada de arquiteturas de dispositivos LED de perovskita e podem acelerar o desenvolvimento nesta área.”
Ao permitir a deposição de perovskitas em polímeros com os quais são normalmente incompatíveis, a nova estratégia de fabricação abre possibilidades interessantes para o desenvolvimento de dispositivos baseados em perovskita. Em seu trabalho futuro, os pesquisadores continuarão investigando o potencial da estratégia de design que identificaram, enquanto também exploram abordagens alternativas para a criação de LEDs.
“Agora planejamos melhorar ainda mais a eficiência de emissão de luz dos LEDs de perovskita usando mecanismos como a reciclagem de fótons, um processo que pode reutilizar fótons que de outra forma seriam perdidos nos dispositivos”, disse Di. “Também trabalharemos com LEDs de perovskita azul e as questões relacionadas à estabilidade operacional.” Conclui.
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