A Universidade de Shenzhen e a Universidade de Ciência e Tecnologia da China fazem novos avanços no campo dos LEDs de perovskita

Recentemente, uma equipe interdisciplinar liderada pelo professor assistente Huang Pu, o professor He Tingchao e a professora assistente Li Guijun da Escola de Física e Engenharia Optoeletrônica da Universidade de Shenzhen alcançou um avanço significativo na pesquisa de LEDs azuis de perovskita. Os resultados foram publicados sob o título "Modulação de tensão de rede para diodos emissores de luz de perovskita azul eficientes" no Science Advances, uma revista internacional de topo sob o guarda-chuva da Science. A Universidade de Shenzhen é listada como instituição principal, com Huang Pu, He Tingchao e Li Guijun como autores correspondentes, e o pesquisador pós-doutoral Liu Baoxing como primeiro autor. Esta pesquisa impulsiona ainda mais a aplicação industrial de LEDs azuis 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。

A luz azul é um componente indispensável das três cores primárias (vermelho/verde/azul) na natureza. Os materiais de luz azul e seus diodos emissores de luz (LEDs) desempenham um papel crucial nos campos de iluminação de estado sólido e telas planas. Nos últimos anos, os materiais de perovskita de haleto com alta eficiência quântica de fluorescência e alta saturação mostraram amplas perspectivas de aplicação nos campos de iluminação de estado sólido e telas devido às suas vantagens únicas, como baixo custo e boa condutividade, tornando-os uma escolha ideal para a iluminação de próxima geração que economiza energia. Atualmente, a eficiência quântica externa (EQE) dos LEDs de perovskita verdes, vermelhos e infravermelhos próximos é muito alta, já tendo ultrapassado 20% e aproximando-se do desempenho de dispositivos de pontos quânticos comerciais e LEDs orgânicos. No entanto, como a última pedra angular importante para a iluminação de luz branca e telas em cores completas, os LEDs de perovskita azuis ficam significativamente atrás em eficiência.

Tendências de desenvolvimento de LEDs de perovskita vermelho/verde/azul desde 2014

Para resolver este problema, a equipe de pesquisa propôs pela primeira vez o conceito físico de aprimorar as transições de luz azul por meio de canais de transição de dupla polarização em perovskitas combinadas. Tipicamente, alcançar uma emissão eficiente de luz azul em semicondutores requer materiais com um gap direto, uma largura de banda proibida dentro do espectro de luz azul e paridade não proibida das funções de onda nas bordas da banda. Além disso, devido a diferenças de simetria, as funções de onda dos estados de energia próximas às bandas de condução e de valência exibem seletividade em relação aos modos de polarização dos fótons absorvidos/emitidos, como visto em semicondutores anisotrópicos. Portanto, aproveitar razoavelmente a seletividade de polarização das transições elétron/buraco nas bordas da banda com base nas características de simetria do material é de grande importância para alcançar a manipulação de polarização e o aprimoramento de desempenho em dispositivos optoeletrônicos.

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 pesquisa padrão de teoria + experimento, imagem de desenho animado do canal de transição de polarização única para polarização dupla

Este trabalho de pesquisa recebeu altos elogios da "Science Advances" e foi apoiado pela Fundação de Ciências Naturais da Província de Guangdong, o Programa Nacional de P&D Chave, a Equipe Pavão de Shenzhen, o Layout de Disciplinas Básicas e os projetos do Fundo Conjunto de Guangdong-Hong Kong-Macau.

Recentemente, o grupo de pesquisa liderado pelo professor Xiao Zhengguo da Escola de Física da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, em colaboração com os grupos dos professores Wang Jianpu e Wang Nana da Universidade Tecnológica de Nanquim, alcançou avanços significativos na preparação de filmes de perovskita e no estudo de dispositivos emissores de luz.

Os materiais de perovskita têm importantes perspectivas de aplicação em células solares, LEDs e fotodetectores devido às suas excelentes propriedades optoeletrônicas. A qualidade do filme e a microestrutura das filmes de perovskita desempenham um papel crucial no desempenho dos dispositivos optoeletrônicos.

Ao criar nanoestruturas na superfície da perovskita, esta equipe de pesquisa aumentou o espalhamento de fótons na superfície do filme fino, alcançando um avanço no limite de eficiência dos dispositivos LED de perovskita. Os resultados relacionados foram publicados na Advanced Materials sob o título "Superando o Limite de Extração de Luz de Diodos Emissores de Luz de Perovskita com Nanoestruturas Formadas Artificialmente".

Os LEDs de perovskita oferecem vantagens como comprimento de onda de emissão ajustável, largura de pico a meia altura estreita e facilidade de fabricação. No entanto, a eficiência do dispositivo dos LEDs de perovskita é atualmente limitada principalmente pela eficiência de extração de luz. Portanto, aumentar a eficiência de extração de luz dos dispositivos é uma direção de pesquisa muito importante.

Em LEDs orgânicos e LEDs de pontos quânticos, geralmente é necessária uma camada adicional de extração de luz para aumentar a extração de fótons, como o uso de matrizes de lentes micrométricas, estruturas nanométricas biomiméticas do tipo olho de mariposa e camadas de acoplamento de baixo índice de refração. No entanto, esses métodos tornam o processo de fabricação do dispositivo mais complexo e aumentam os custos de fabricação.

O grupo de pesquisa de Xiao Zhengguo relatou um método que pode formar espontaneamente estruturas texturizadas na superfície de filmes de perovskita, aumentando assim a eficiência de extração de luz dos LEDs de perovskita ao melhorar o espalhamento de fótons na superfície do filme.

Durante o processo de preparação do filme fino, controlar o tempo de residência do antissolvente na superfície do filme permite regular o processo de cristalização da perovskita, obtendo assim uma superfície texturizada. Para filmes com espessura média de 1.5 μm, a rugosidade superficial pode ser controlada continuamente de 15.3 nm a 241 nm, e a névoa aumenta correspondentemente de 6% para mais de 90%.

Graças ao aumento da dispersão de fótons na superfície do filme fino, a eficiência de extração de luz dos LEDs de perovskita com estrutura texturizada aumentou de 11,7% para os LEDs planos de perovskita para 26,5%, e a eficiência correspondente do dispositivo dos LEDs de perovskita também melhorou significativamente de 10% para 20,5%.

O trabalho acima fornece um novo método para fabricar nanoestruturas de extração de luz em dispositivos optoeletrônicos de perovskita. Filmes de perovskita com estruturas micro-nano assemelham-se à morfologia texturizada nas células solares de silício cristalino, prometendo melhorar a eficiência de absorção de luz e o desempenho das células solares de perovskita.

Figura: Diagramas esquemáticos da extração de fótons de diferentes superfícies de filmes finos de perovskita (a). Eficiência de extração de luz (b) e eficiência do dispositivo (c) de LEDs de perovskita preparados com diferentes anti-solventes.

O Prof. Xiao Zhengguo da Escola de Física da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, juntamente com o Prof. Wang Jianpu e a Prof.ª Wang Nana da Universidade Tecnológica de Nanquim, são os autores correspondentes deste artigo. O pesquisador pós-doutoral Chen Wenjing, os estudantes de mestrado Chen Jia e Huang Zongming da Escola de Física, e o estudante de doutorado Gu Lianghui da Universidade Tecnológica de Nanquim são os primeiros autores deste artigo.

Esta pesquisa foi apoiada pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China, pelos Fundos de Pesquisa Básica para as Universidades Centrais e pelo Instituto de Pesquisa Energética do Centro Científico Nacional Integrado de Hefei.

Fonte: Universidade de Ciência e Tecnologia da China, Guangxing Tianxia, Universidade de Shenzhen