В красном перовскитном светодиоде остановили утечку дырок

Китайские материаловеды выяснили, что перовскитные светодиоды плохо работают из-за утечки дырок. Чтобы справиться с проблемой, на каждом зерне перовскита вырастили запирающий слой с более широкой запрещенной зоной. Это позволило получить устройство с рекордной яркостью и эффективностью. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Полупроводниковый светодиод работает так: под действием электрического поля электроны и дырки движутся навстречу друг другу и рекомбинируют, а избыток энергии выделяется в виде излучения. Его длина волны (то есть цвет) зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника. Например, для красного света лучше всего подходят полупроводники типа AlGaInP или GaAsP. Несколько лет назад ученые начали разрабатывать и более дешевые аналоги на основе свинцово-галогенидных перовскитов, однако яркость и эффективность таких устройств пока что невысока.

Способ решения проблемы предложили китайские химики под руководством Хун Биня Яо (Hong-Bin Yao) из Китайского Научно-технического Университета в Хэфэе. Ученые работали с перовскитом состава CsPbI₃₋ₓBrₓ. Подобрав оптимальную долю брома, они добились ширины запрещенной зоны, необходимой для чистого красного излучения (≈ 620 нанометров). Но, как и в предыдущих работах, эффективность устройства оставалась низкой.

Изучив динамику впрыска электронов и дырок, ученые выяснили, что причиной потери эффективности была утечка дырок (носителей положительного заряда). Это не совсем типичный результат: в большинстве полупроводников подвижность дырок существенно ниже подвижности электронов, поэтому чаще наблюдается утечка электронов. Однако, в перовскитах подвижность дырок бывает близка к подвижности электронов, а в данном конкретном составе она оказалась даже чуть выше. В итоге именно дырки мигрировали в соседние слои. Там они уже не могли рекомбинировать с электронами и генерировать свет, поэтому эффективность устройства снижалась.

Чтобы затормозить утечку дырок, исследователи решили добавить тонкий запирающий слой с более широкой запрещенной зоной. Для этого надо было немного расширить решетку перовскита, ослабляя электронные перекрывания, но при этом не разрушить ее скелет из PbX₆⁴⁻ октаэдров. С помощью термохимических расчетов, авторы «примерили» разные варианты добавок и выбрали молекулу p-толуолсульфонил-L-аргинина (PTLA) с четырьмя функциональными группами — карбоксильной, аминной, сульфонильной и гуанидиновой. Все четыре хвоста могут связаться со свинцом в перовските, и ни один из них не выпирает наружу, деформируя решетку. Расчеты показали, что добавка PTLA делает перовскит даже немного стабильнее. Кроме того, метод хорош своей простотой: достаточно только обработать готовый перовскит раствором PTLA и нужный широкозонный слой сам выстроится на поверхности каждого зерна.

Результаты эксперимента подтвердили, что утечка дырок замедлилась: светодиод с добавками PTLA, показал максимальную яркость 24600 кандела на квадратный метр и рекордную в 24,2 процента, при этом более 10 процентов EQE сохранялось даже при пиковых нагрузках в 22670 кандела на квадратный метр. Это очень заметный шаг вперед: ранее яркость красных перовскитных диодов вообще не удавалось поднять выше 10000 кандела на квадратный метр.

Несмотря на существенный прогресс группы Яо, перовскитные светодиоды пока что находятся в стадии разработки. А вот солнечные элементы на основе перовскитов и кремния осенью прошлого года наконец вышли на рынок. О том как они устроены, можно прочитать в нашем материале.