L'Université de Shenzhen et l'Université des sciences et technologies de Chine font de nouveaux progrès dans le domaine des LED à pérovskite

Récemment, une équipe interdisciplinaire dirigée par le professeur assistant Huang Pu, le professeur He Tingchao et la professeure assistante Li Guijun de l'École de physique et d'ingénierie optoélectronique de l'Université de Shenzhen a réalisé une percée majeure dans la recherche sur les diodes électroluminescentes (LED) bleues à pérovskite. Les résultats ont été publiés sous le titre « Modulation de la contrainte du réseau vers des diodes électroluminescentes à pérovskite bleue efficaces » dans Science Advances, une revue internationale de premier plan sous l'égide de Science. L'Université de Shenzhen est indiquée comme institution principale, avec Huang Pu, He Tingchao et Li Guijun en tant qu'auteurs correspondants, et le chercheur postdoctoral Liu Baoxing en tant que premier auteur. Cette recherche fait progresser davantage l'application industrielle des LED bleues à pérovskite.

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 lumière bleue est un composant indispensable des trois couleurs primaires (rouge/vert/bleu) dans la nature. Les matériaux de lumière bleue et leurs diodes électroluminescentes (DEL/LED) jouent un rôle crucial dans les domaines de l'éclairage à semi-conducteurs et des écrans plats. Ces dernières années, les matériaux pérovskites à halogénure présentant un rendement quantique de fluorescence élevé et une forte saturation ont montré de vastes perspectives d'application dans les domaines de l'éclairage à semi-conducteurs et des écrans grâce à leurs avantages uniques tels que le faible coût et une bonne conductivité, ce qui en fait un choix idéal pour l'éclairage économe en énergie de prochaine génération. Actuellement, l'efficacité quantique externe (EQE) des DEL/LED pérovskites vertes, rouges et proches infrarouges est très élevée, ayant déjà dépassé 20% et s'approchant des performances des dispositifs commerciaux à points quantiques et des DEL/LED organiques. Cependant, en tant que dernière pierre angulaire importante pour l'éclairage blanc et les affichages en couleur complète, les DEL/LED pérovskites bleues accusent un retard notable en termes d'efficacité.

Évolutions des LED à pérovskites rouge/verte/bleue depuis 2014

Pour résoudre ce problème, l'équipe de recherche a proposé pour la première fois le concept physique d'amélioration des transitions de lumière bleue via des canaux de transition à double polarisation dans les pérovskites combinées. Typiquement, atteindre une émission efficace de lumière bleue à partir de semi-conducteurs nécessite des matériaux avec une bande interdite directe, une largeur de bande interdite située dans le spectre de la lumière bleue et une parité non interdite des fonctions d'onde aux bords de bande. De plus, en raison de différences de symétrie, les fonctions d'onde des états énergétiques proches des bandes de conduction et de valence présentent une sélectivité envers les modes de polarisation des photons absorbés/émis, comme observé dans les semi-conducteurs anisotropes. Par conséquent, exploiter raisonnablement la sélectivité de polarisation des transitions électron/trou aux bords de bande sur la base des caractéristiques de symétrie du matériau est d'une importance significative pour réaliser la manipulation de polarisation et l'amélioration des performances des dispositifs optoélectroniques.

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。

Paradigme de recherche standard théorie + expérience, image de dessin animé du canal de transition de la polarisation unique à la polarisation double

Ce travail de recherche a reçu les éloges de « Science Advances » et a bénéficié du soutien de la Fondation des sciences naturelles de la province du Guangdong, du programme national clé de R&D, de l'équipe Paon de Shenzhen, de la disposition des disciplines de base et du fonds conjoint Guangdong-Hong Kong-Macao.

Récemment, le groupe de recherche dirigé par le professeur Xiao Zhengguo de l'École de physique de l'Université des sciences et technologies de Chine, en collaboration avec les groupes des professeurs Wang Jianpu et Wang Nana de l'Université technologique de Nanjing, a réalisé des progrès importants dans la préparation de films pérovskites et l'étude des dispositifs émetteurs de lumière.

Les matériaux pérovskites ont d'importantes perspectives d'application dans les cellules solaires, les DEL et les détecteurs photoniques grâce à leurs excellentes propriétés optoélectroniques. La qualité du film et la microstructure des films pérovskites jouent un rôle crucial dans les performances des dispositifs optoélectroniques.

En créant des nanostructures à la surface du pérovskite, cette équipe de recherche a augmenté la diffusion des photons à la surface du film mince, réalisant une percée dans la limite d'efficacité des dispositifs LED à base de pérovskite. Les résultats connexes ont été publiés dans Advanced Materials sous le titre "Dépasser la limite de couplage externe des diodes électroluminescentes à pérovskite avec des nanostructures artificiellement formées".

Les LED à pérovskite offrent des avantages tels qu'une longueur d'onde d'émission réglable, une largeur de pic à mi-hauteur étroite et une facilité de fabrication. Cependant, l'efficacité des dispositifs à LED à pérovskite est actuellement principalement limitée par l'efficacité d'extraction de la lumière. Par conséquent, augmenter l'efficacité d'extraction de la lumière des dispositifs constitue une direction de recherche très importante.

Dans les LED organiques et les LED à points quantiques, une couche d'extraction de lumière supplémentaire est généralement nécessaire pour augmenter le couplage des photons, comme l'utilisation de réseaux de lentilles micrométriques, de structures nanométriques biomimétiques de type œil de papillon de nuit et de couches de couplage à faible indice de réfraction. Cependant, ces méthodes rendent le processus de fabrication du dispositif plus complexe et augmentent les coûts de fabrication.

Le groupe de recherche de Xiao Zhengguo a rapporté une méthode capable de former spontanément des structures texturées à la surface de films pérovskites, augmentant ainsi l'efficacité d'extraction de lumière des LED pérovskites en améliorant la diffusion des photons à la surface du film.

Lors du processus de préparation du film mince, le contrôle du temps de séjour de l'antisolvant à la surface du film permet de réguler le processus de cristallisation de la pérovskite, obtenant ainsi une surface texturée. Pour les films d'une épaisseur moyenne de 1.5 μm, la rugosité de surface peut être contrôlée continûment de 15.3 nm à 241 nm, et la turbidité augmente en conséquence de 6 % à plus de 90 %.

Grâce à l'augmentation de la diffusion des photons à la surface du film mince, l'efficacité d'extraction de lumière des LED pérovskites à structure texturée est passée de 11,7% pour les LED pérovskites planes à 26,5%, et l'efficacité correspondante du dispositif des LED pérovskites a également considérablement augmenté de 10% à 20,5%.

Le travail ci-dessus fournit une nouvelle méthode pour fabriquer des nanostructures d'extraction de lumière dans les dispositifs optoélectroniques à pérovskite. Les films de pérovskite dotés de structures micro-nano ressemblent à la morphologie texturée des cellules solaires en silicium cristallin, promettant d'améliorer l'efficacité d'absorption lumineuse et les performances des cellules solaires à pérovskite.

Figure : Schémas d'extraction de photons à partir de différentes surfaces de films minces de pérovskite (a). Efficacité d'extraction de lumière (b) et efficacité du dispositif (c) des LED en pérovskite préparées avec différents anti-solvants.

Le Professeur Xiao Zhengguo de l'École de physique de l'Université des sciences et technologies de Chine, ainsi que le Professeur Wang Jianpu et la Professeure Wang Nana de l'Université technologique de Nanjing, sont les auteurs correspondants de cet article. Le chercheur postdoctoral Chen Wenjing, les étudiants en master Chen Jia et Huang Zongming de l'École de physique, et l'étudiant en doctorat Gu Lianghui de l'Université technologique de Nanjing sont les premiers auteurs de cet article.

Cette recherche a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, les fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales et l'Institut de recherche énergétique du centre scientifique national intégré de Hefei.

Source : Université des sciences et technologies de Chine, Guangxing Tianxia, Université de Shenzhen