L'asimmetria è la chiave per la stabilità dei LED di perovskite blu / Asymmetry is key to stable blue perovskite LEDs

L'asimmetria è la chiave per la stabilità dei LED di perovskite blu / Asymmetry is key to stable blue perovskite LEDs

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori dell'unità OIST Energy Materials and Surface Sciences hanno creato LED blu che utilizzano una nuova struttura per migliorare la stabilità /  Researchers from the OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit have created blue LEDs that use a new structure to enhance stability  (Credit: OIST)

I ricercatori hanno sviluppato LED blu basati su una perovskite ad alogenuri metallici che utilizza ponti asimmetrici per tenere insieme gli strati di perovskite, creando una struttura più stabile.

Lo studio, condotto presso l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) e pubblicato  sul  Journal of American Chemical Society , potrebbe avvicinare i LED perovskite alla commercializzazione.

"Le perovskiti hanno il potenziale per essere un vero punto di svolta nel settore dell'illuminazione", ha affermato il primo autore, il dottor Yuqiang Liu, ex ricercatore post-dottorato presso l'unità OIST Energy Materials and Surface Sciences e attualmente professore all'Università di Qingdao, in Cina . "In solo pochi anni, l'efficienza dei LED perovskite - quanto bene possono trasferire l'energia elettrica in energia luminosa - ha raggiunto un livello che rivaleggia con i LED tradizionali e presto li supererà".

I LED perovskite hanno anche il potenziale per produrre colori più luminosi e puri ad una frazione del costo di produzione.

Tuttavia, la stabilità dei LED in perovskite rimane un'enorme barriera, con la durata operativa anche dei LED più stabili che dura solo poche centinaia di ore. I LED blu sono rimasti indietro rispetto ai LED di colore rosso e verde con una durata inferiore alle due ore e circa la metà del livello di efficienza.

Senza LED blu, le applicazioni pratiche che utilizzano le perovskiti nei display a colori o come sorgenti luminose sono limitate, poiché la luce rossa, verde e blu deve essere miscelata per produrre l'intera gamma di colori, ha affermato il professor Yabing Qi, autore senior dell'articolo e responsabile di l'Unità OIST Energy Materials and Surface Sciences.

"I LED blu vincitori del premio Nobel, realizzati per la prima volta utilizzando nitruro di gallio, hanno impiegato tre decenni in più per svilupparsi rispetto ai LED rossi e verdi - e anche ora, la creazione di cristalli grandi e di alta qualità di nitruro di gallio rimane impegnativa e costosa", ha affermato il prof. Qi. "Quindi, c'è davvero bisogno di ricerca su nuovi materiali che emettono blu, come le perovskiti".

Nello studio, gli scienziati hanno affrontato la questione della segregazione degli alogenuri. Quando si formano cristalli di perovskite agli alogenuri metallici, gli alogenuri si legano a forma ottaedrica attorno a un atomo di metallo. Uno ione positivo si trova tra quattro di queste forme ottaedriche.

Quando viene applicata una tensione attraverso un LED di perovskite, anche gli ioni alogenuri negativi che formano la struttura ottaedrica si separano e migrino verso l'estremità positiva del LED. Gli ioni positivi tra le forme ottaedriche migrano anche verso l'estremità negativa del LED. Questa migrazione ionica degrada la struttura della perovskite, facendo precipitare l'efficienza del LED ed il colore blu passa ad una tonalità più verde.

Per ovviare a questo, i ricercatori hanno creato LED blu con una struttura di fase Dion-Jacobson, in cui strati 2D di cristallo di perovskite sono impilati uno sopra l'altro. Gli strati di perovskite vengono quindi collegati tra loro da ponti molecolari, aumentando la stabilità dell'intera struttura.

Nella ricerca precedente, i ponti molecolari erano simmetrici. Per la prima volta i ricercatori hanno esaminato se l'utilizzo di un ponte asimmetrico influisse sulle proprietà complessive del LED di perovskite.

I ricercatori hanno scoperto che quando la molecola ponte era asimmetrica, rallentava la migrazione degli ioni attraverso gli strati di perovskite, migliorando la stabilità della struttura della perovskite.

Il gruppo ha proposto che l'asimmetria provochi cambiamenti nel modo in cui gli elettroni sono distribuiti attraverso la molecola ponte, creando di conseguenza un piccolo campo elettrico dipolo tra gli strati.

"Pensiamo che questo campo elettrico dipolo sia ciò che interferisce con la migrazione ionica e quindi mantiene la stabilità", ha affermato il Prof. Qi.

La strategia dell'utilizzo di ponti asimmetrici potrebbe essere applicata anche ad altri dispositivi a base di perovskite, come le celle solari di perovskite.

"È un entusiasmante progresso verso la creazione di tutti i tipi di dispositivi a perovskite di lunga durata", ha affermato il prof. Qi.

ENGLISH

The study, conducted at Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) and published in the Journal of the American Chemical Society, could bring perovskite LEDs one step closer to commercialisation.

“Perovskites have the potential to be a real game-changer in the lighting industry,” said first author Dr. Yuqiang Liu, a former post-doctoral researcher in the OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit and currently a professor at Qingdao University, China. “In only a few short years, the efficiency of perovskite LEDs – how well they can transfer electrical energy into light energy – has shot up to a level that rivals traditional LEDs, and soon will surpass them.”

Perovskite LEDs also have the potential to produce brighter, purer colours at a fraction of the production cost.

However, the stability of perovskite LEDs remains a huge barrier, with the operational lifetime of even the most stable LEDs lasting only a few hundred hours. Blue LEDs have lagged behind red and green-coloured LEDs with a lifetime of under two hours and around half the level of efficiency.

Without blue LEDs, practical applications using perovskites in colour displays or as light sources are limited, as red, green and blue light need to be mixed to produce the full array of colours, said Professor Yabing Qi, senior author of the paper and head of the OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit.

“The Nobel prize-winning blue LEDs that were first made using gallium nitride took three decades longer to develop than red and green LEDs – and even now, creating large, high-quality crystals of gallium nitride remains challenging and expensive,” said Prof. Qi. “So, there is very much a need for research into new blue-emitting materials, like perovskites.”

In the study, the scientists addressed the issue of halide segregation. When metal halide perovskite crystals form, the halides bond in an octahedral shape around a metal atom. A positive ion is situated in between four of these octahedral shapes.

When a voltage is applied across a perovskite LED it also causes the negative halide ions that form the octahedral structure to separate and migrate towards the positive end of the LED. The positive ions between the octahedral shapes also migrate to the negative end of the LED. This ion migration degrades the perovskite structure, causing the efficiency of the LED to plummet and the blue colour to shift to a greener hue.

To overcome this, the researchers created blue LEDs with a Dion-Jacobson phase structure, where 2D layers of perovskite crystal are stacked on top of each other. The perovskite layers are then linked together by molecular bridges, increasing the stability of the whole structure.

In previous research, the molecular bridges were symmetrical. For the first time the researchers explored whether using an asymmetrical bridge affected the overall properties of the perovskite LED.

The researchers found that when the bridging molecule was asymmetrical, it slowed down the migration of ions across the layers of perovskite, improving the stability of the perovskite structure.

The team proposed that the asymmetry causes changes in how the electrons are distributed across the bridging molecule, consequently creating a small dipole electric field in between the layers.

“We think this dipole electric field is what is interfering with the ion migration, and therefore maintaining stability,” said Prof. Qi.

The strategy of using asymmetrical bridges could also be applied to other perovskite-based devices, such as perovskite solar cells.

“It’s an exciting advancement towards creating all kinds of longer-lived perovskite devices,” Prof. Qi said.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/asymmetry-bridges-stable-blue-perovskite-leds-oist/