La Universidad de Shenzhen y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China logran nuevos avances en el campo de los LEDs de perovskita

Recientemente, un equipo interdisciplinario liderado por el profesor auxiliar Huang Pu, el profesor He Tingchao y la profesora auxiliar Li Guijun de la Escuela de Física e Ingeniería Optoelectrónica de la Universidad de Shenzhen ha logrado un avance importante en la investigación de LEDs azules de perovskita. Los hallazgos se publicaron bajo el título "Modulación de la tensión reticular hacia diodos emisores de luz de perovskita azul eficientes" en Science Advances, una revista internacional de primer nivel bajo el paraguas de Science. La Universidad de Shenzhen figura como institución principal, con Huang Pu, He Tingchao y Li Guijun como autores correspondientes, y el investigador postdoctoral Liu Baoxing como autor principal. Esta investigación avanza aún más la aplicación industrial de los LEDs azules de perovskita.

据悉，该研究首次提出组合钙钛矿中的双极化跃迁通道增强蓝光跃迁的新思想，并通过应变工程实现破纪录的钙钛矿蓝光发射。研究不仅为钙钛矿蓝光LED的产业化应用迈出了重要一步，更为以实际应用为目标导向的材料设计和器件研究提供了一条标准范式。

La luz azul es un componente indispensable de los tres colores primarios (rojo/verde/azul) en la naturaleza. Los materiales de luz azul y sus diodos emisores de luz (LEDs) desempeñan un papel crucial en los campos de iluminación de estado sólido y pantallas planas. En los últimos años, los materiales de perovskita de haluro con alta eficiencia cuántica de fluorescencia y alta saturación han mostrado amplias perspectivas de aplicación en los campos de iluminación de estado sólido y pantallas debido a sus ventajas únicas como bajo costo y buena conductividad, convirtiéndolos en una opción ideal para la iluminación de próxima generación que ahorra energía. Actualmente, la eficiencia cuántica externa (EQE) de los LEDs de perovskita verdes, rojos e infrarrojos cercanos es muy alta, habiendo superado ya el 20% y acercándose al rendimiento de dispositivos de puntos cuánticos comerciales y LEDs orgánicos. Sin embargo, como la última piedra angular importante para la iluminación de luz blanca y las pantallas a todo color, los LEDs de perovskita azules se rezagan significativamente en eficiencia.

Tendencias de desarrollo de los LED de perovskita rojo/verde/azul desde 2014

Para abordar este problema, el equipo de investigación propuso por primera vez el concepto físico de mejorar las transiciones de luz azul mediante canales de transición de doble polarización en perovskitas combinadas. Típicamente, lograr una emisión eficiente de luz azul en semiconductores requiere materiales con un gap directo, un ancho de banda prohibida dentro del espectro de luz azul y una paridad no prohibida de las funciones de onda en los bordes de banda. Además, debido a diferencias de simetría, las funciones de onda de los estados energéticos cerca de la banda de conducción y de valencia exhiben selectividad hacia los modos de polarización de los fotones absorbidos/emitidos, como se observa en semiconductores anisotrópicos. Por lo tanto, aprovechar razonablemente la selectividad de polarización de las transiciones electrón/hueco en los bordes de banda basándose en las características de simetría del material es de gran importancia para lograr la manipulación de polarización y la mejora del rendimiento en dispositivos optoelectrónicos.

该研究从半导体发光的电子结构角度出发，到设计增强蓝光跃迁的物理模型，再到基于构效关系的理论+实验双重验证，最后实现器件研发和性能调控，为以实际应用为目标导向的材料设计和器件研究提供了一条标准范式。研究所提出的操控极化跃迁通道的物理模型和应变工程策略，不仅可以成功应用于钙钛矿蓝光器件的性能提升，更可以推广到光电、光伏、电子、能源催化等领域的多种材料体系，通过合理调控载流子的跃迁极化特征来实现相关器件的性能调制，或基于此构筑极化依赖的新原理器件原型。

Paradigma de investigación estándar de teoría + experimento, imagen de caricatura del canal de transición de polarización única a polarización dual

Este trabajo de investigación ha recibido un alto elogio de "Science Advances" y fue apoyado por la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Guangdong, el Programa Nacional de I+D Clave, el Equipo Peacock de Shenzhen, la Disposición de Disciplinas Básicas y los proyectos del Fondo Conjunto de Guangdong-Hong Kong-Macao.

Recientemente, el grupo de investigación dirigido por el profesor Xiao Zhengguo de la Facultad de Física de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, en colaboración con los grupos de los profesores Wang Jianpu y Wang Nana de la Universidad Tecnológica de Nanjing, ha logrado avances significativos en la preparación de películas de perovskita y en el estudio de dispositivos emisores de luz.

Los materiales de perovskita tienen importantes perspectivas de aplicación en células solares, LED y detectores fotónicos debido a sus excelentes propiedades optoelectrónicas. La calidad de la película y la microestructura de las películas de perovskita desempeñan un papel crucial en el rendimiento de los dispositivos optoelectrónicos.

Mediante la creación de nanoestructuras en la superficie de la perovskita, este equipo de investigación aumentó la dispersión de fotones en la superficie de la película delgada, logrando un avance en el límite de eficiencia de los dispositivos LED de perovskita. Los hallazgos relacionados se publicaron en Advanced Materials con el título "Superando el límite de extracción de luz de diodos emisores de luz de perovskita con nanoestructuras formadas artificialmente".

Los LED de perovskita ofrecen ventajas como longitud de onda de emisión ajustable, ancho de banda semipico estrecho y facilidad de fabricación. Sin embargo, la eficiencia del dispositivo de los LED de perovskita está actualmente limitada principalmente por la eficiencia de extracción de luz. Por lo tanto, aumentar la eficiencia de extracción de luz de los dispositivos es una dirección de investigación muy importante.

En los LED orgánicos y los LED de puntos cuánticos, generalmente se requiere una capa adicional de extracción de luz para aumentar la extracción de fotones, como el uso de matrices de lentes micrométricas, estructuras nanométricas biomiméticas tipo ojo de polilla y capas de acoplamiento de bajo índice de refracción. Sin embargo, estos métodos hacen que el proceso de fabricación del dispositivo sea más complejo y aumentan los costos de fabricación.

El grupo de investigación de Xiao Zhengguo reportó un método que puede formar espontáneamente estructuras texturizadas en la superficie de películas de perovskita, aumentando así la eficiencia de extracción de luz de los LED de perovskita mediante el aumento de la dispersión de fotones en la superficie de la película.

Durante el proceso de preparación de la película delgada, controlar el tiempo de residencia del antisolvente en la superficie de la película permite regular el proceso de cristalización de la perovskita, logrando así una superficie con textura. Para películas con un espesor promedio de 1.5 μm, la rugosidad superficial puede controlarse continuamente desde 15.3 nm hasta 241 nm, y la nebulosidad aumenta correspondientemente del 6% a más del 90%.

Gracias al aumento de la dispersión de fotones en la superficie de la película delgada, la eficiencia de extracción de luz de los LED de perovskita con estructura texturizada ha aumentado del 11,7% de los LED planos de perovskita al 26,5%, y la eficiencia correspondiente del dispositivo de los LED de perovskita también ha mejorado significativamente del 10% al 20,5%.

El trabajo anterior proporciona un nuevo método para fabricar nanoestructuras de extracción de luz en dispositivos optoelectrónicos de perovskita. Las películas de perovskita con estructuras micro-nano se asemejan a la morfología texturizada en las células solares de silicio cristalino, prometiendo mejorar la eficiencia de absorción de luz y el rendimiento de las células solares de perovskita.

Figura: Diagramas esquemáticos de la extracción de fotones desde diferentes superficies de películas delgadas de perovskita (a). Eficiencia de extracción de luz (b) y eficiencia del dispositivo (c) de los LED de perovskita preparados con diferentes antisolventes.

El Prof. Xiao Zhengguo de la Facultad de Física de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China, junto con el Prof. Wang Jianpu y la Prof.ª Wang Nana de la Universidad Tecnológica de Nanjing, son los autores correspondientes de este artículo. Los investigadores postdoctorales Chen Wenjing, los estudiantes de máster Chen Jia y Huang Zongming de la Facultad de Física, y el estudiante de doctorado Gu Lianghui de la Universidad Tecnológica de Nanjing son los primeros autores de este artículo.

Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, los Fondos de Investigación Básica para las Universidades Centrales y el Instituto de Investigación Energética del Centro Científico Nacional Integral de Hefei.

Fuente: Universidad de Ciencia y Tecnología de China, Guangxing Tianxia, Universidad de Shenzhen