Neuer Wirkungsgradrekord bei Perowskit-LEDs

12. November 2018, 13:12 Uhr
Perowskit. Bild: University of Cambridge.
Perowskit. Bild: University of Cambridge.
Forscher der University of Cambridge haben einen neuen Effizienzrekord für LEDs auf Basis von Perowskit-Halbleitern aufgestellt, der mit den besten organischen LEDs (OLEDs) vergleichbar ist.

Im Vergleich zu den bei besseren TVs und Smartphones breit eingesetzten OLEDs können die neuen LEDs auf Perowskit-Basis wesentlich preiswerter hergestellt und so abgestimmt werden, dass sie Licht in hoher Farbreinheit im sichtbaren und nahen IR-Bereich emittieren. Die Perowskit-Schicht der LEDs wurde so konstruiert, dass ihre interne Lumineszenz nahezu 100 % erreicht, was zukünftige Anwendungen in den Bereichen Display, Beleuchtung oder Solarzellen der nächsten Generation denkbar werden lässt.

Das verwendete Perowskit-Material entspricht dem, woraus hocheffiziente Solarzellen hergestellt werden, die eines Tages kommerzielle Silizium-Solarzellen ersetzen sollen. Bisherige Perowskit-LEDs erreichten bei weitem nicht den hohen Wirkungsgrad von OLEDs. Das ist nun anders. Frühere hybride Perowskit-LEDs waren zwar vielversprechend, aber durch winzige Defekte in der Kristallstruktur der Perowskitschicht verursachte Verluste schränkte die Abstrahlleistung ein.

Jetzt haben Forscher aus Cambridge gezeigt, dass es durch die Bildung einer Verbundschicht aus den Perowskit und einem Polymer möglich ist, wesentlich höhere Lichtemissionen zu erreichen, die nahe am theoretischen maximalen Wirkungsgrad von Dünnschicht-OLEDs liegen. Ihre Ergebnisse werden unter dem Titel „High-efficiency perovskite-polymer bulk heterostructure light-emitting diodes“ in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.

Die Perovskit-Polymer-Struktur eliminiert zum ersten Mal deutlich die Verluste. Durch Vermischung kann man verhindern, dass die Elektronen und positiven Ladungen über die Defekte in der Perowskit-Struktur rekombinieren.

Die in den neuen LEDs verwendete Perowskit-Polymer-Mischung (Massenheterostruktur) besteht aus zwei- und dreidimensionalen Perowskit-Komponenten und einem isolierenden Polymer. Wenn ein ultraschneller Laser auf die Strukturen trifft, bewegen sich Paare von elektrischen Ladungen, die Energie übertragen, in einer Billionstelsekunde von den 2D-Bereichen zu den 3D-Bereichen. Getrennte Ladungen in den 3D-Bereichen rekombinieren und emittieren das Licht dann äußerst effizient. Durch das hohe Tempo werden die Ladungen in den 3D-Bereichen durch das Polymer von den Defekten isoliert und verhindern so Energieverluste. Die Wirkungsgrade erreichten jetzt >20 % und liegen daher in einem Bereich, der für Display-Anwendungen relevant ist.

Was für den praktischen Einsatz noch fehlt ist die Stabilität. Hatten die ersten Perowskit-LEDs noch eine Lebensdauer von nur wenigen Sekunden, so erreichen aktuelle Konstruktionen bereits eine Halbwertszeit von fast 5 h. Dies ist eine enorme Verbesserung in nur vier Jahren, aber erreicht leider noch lange nicht annähernd die Lebensdauer für kommerzielle Anwendungen.
 
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