Prijeđite na glavni sadržaj

Manje topline, više učinkovitosti, manje cijene, više svjetlosti – perovskitne svjetleće diode

24.8.2021.

Znanstvenici Zavoda za fiziku materijala (Jasminka Popović, Juraj Ovčar i Sanja Burazer) i Zavoda za teorijsku fiziku (Ivor Lončarić i Luca Grisanti) Instituta Ruđer Bošković te kolege s Fizičkog odsjeka Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu (Željko Skoko), Hong Kong University (Aleksandra Djurišić), Hong Kong University of Science and Technology (Kam Sing Wong) i City University of Hong Kong (Andrey Rogach) tijekom prvih 18 mjeseci istraživanja provedenih u okviru projekta "2D i kvazi-2D perovskiti: od ciljanog strukturnog dizajna do poboljšane učinkovitosti i stabilnosti" (HRZZ-PZS-2019-02-2068) jasno su demonstrirali izuzetnu važnost sinergije između velikog broja različitih eksperimentalnih metoda te naprednih teorijskih računa za razumijevanje i unaprjeđivanje optoelektroničkih performansi perovskitnih svjetlosnih dioda.

Manje topline, više učinkovitosti, manje cijene, više svjetlosti – perovskitne svjetleće diode

Rezultate svojih dosadašnjih istraživanja objavili su u vrhunskim međunarodnim časopisima kao što su Advanced Optical materials (IF=9.93), Advanced Functional Materials (IF=18.80), Advanced Energy Materials (IF=29.37) i Journal of Materials Chemistry C (IF=7.39).

Rezultati, kojima je demonstrirano da performanse LED dioda ovise o vrsti ali i omjeru malih organskih kationa unutar perovskitnog sloja, objavljeni su u prestižnom časopisu Advanced Optical materials (IF=9.93). Najbolje LED diode dobivene su kada su za male organske katione korišteni cezijev (Cs) i formamidinijev kation (FA) u omjeru 1:1.

Takve svjetlosne diode pokazuju maksimalnu efikasnost (EQE) od 12,1% te maksimalnu svjetlosnu jakost od 15070 cd /m2 što je 3 puta više u odnosu na uređaje koji sadrže isključivo FA kation (EQE 4,1%, maksimalna svjetlosna jakost od 4521 cd/m2) ili samo Cs kation (EQE 4,0%, maksimalna svjetlosna jakost od 4886 cd/m2). Kvantni prinos fotoluminiscencije za uzorke sa Cs i FA također je značajno poboljšan te iznosi 21,3% (u usporedbi sa svega 5,4% i 6% za uzorke samo s FA i Cs).

Pomoću rendgenske difrakcijske analize i DFT izračuna pokazano je da perovskit sa Cs i FA kationima kristalizira u tetragonskom sustavu Cs0.5FA0.5PbBr3 za razliku od kubne FAPbBr3 i ortorompske CsPbBr3 faze. Takva tetragonska struktura, s izraženom preferencijalnom orijentacijom i značajnom kristalnošću, dovodi do smanjenje broja centara za neradijativne rekombinacije što dovodi do značajnog poboljšanja performansi. 

Način funkcioniranja zelenog LED-a

Slično je pronađeno i u slučaju kada se umjesto jedne vrste velikog organskog (spacer) kationa u perovskitu koriste dva različita kationa što je objavljeno u Journal of Materials Chemistry C (IF=7.39) kojeg izdaje prestižni britanski izdavač Royal Society of Chemistry. U radu je demonstrirano da svjetlosna dioda koja sadrži istovremeno i butiamonijev i fenijetilamonijev kation pokazuje značajno veću ambijentalnu stabilnost i značajno poboljšana optoelektrična svojstva u odnosu na materijale koji su građeni samo od jedne vrste spacer kationa.

Istraživanja perovskitnih materijala dodatno su proširena s olovnih na kositrene perovskite. Bezolovni 2D perovskiti koji kristaliziraju u tipu Dion-Jacobson struktura, privlače veliku pozornost zbog svoje značajno veće stabilnosti u odnosu na Rudlesden-Popper strukture no nerijetko takvi bezolovni perovskiti ne emitiraju u vidljivom području spektra što onemogućuje primjenu u svjetlosnim diodama.

Ipak, istraživanje objavljeno u Advanced Functional Materials (IF= 18.80) pokazalo je da perovskiti ODASnBr4 (ODA=1,8-oktandiamnijev kation) s kristaliziranim molekulama otapala (kloroforma i diklormetana) emitiraju u području 570–608 nm (ovisno o vrsti otapala) pri čemu pokazuju i visoke fotoluminiscencijske kvantne prinose (PLQY 83–88%).

Takva izuzetna optoelektronička svojstva posljedica su jakih vodikovih veza između [SnBr6]4- oktaedara i kiselih donora protona iz molekula kloroforma i diklormetana. Rezultati istraživanje jasno demonstriraju izuzetnu važnost kemijskog inženjeringa perovskitnih materijala te daju smjernice za buduća poboljšanja optoelektroničkih svojstava korištenjem ciljanog dizajna fokusiranog na krojenje svojstva materijala koristeći međumolekulske interakcije kao najvažniji alat za postizanje tog cilja.  

Naslovnica časopisa Advanced Energy Materials

U pozadini velikog interesa znanstvene i tehnološke zajednice oko hibridnih organsko-anorganskih perovskita je zapravo činjenica da se vrući nosioci naboja u njima sporo hlade što je pružilo mogućnost da se proizvedu solarne ćelije puno veće efikasnosti, a ujedno i znatno jeftinije za proizvodnju. Vezanje elektrona i fonona (vibracija) u tim materijalima odgovorno je za ovu pojavu, pa je iznimno bitno razumjeti to vezanje, pogotovo u usporedbi s tradicionalnim poluvodičima.

Korištenjem tranzijentne apsorpcijske spektroskopije pod vodstvom prof. Kam Sing Wonga i teorijskih izračuna na temelju teorije funkcionala gustoće pod vodstvom dr. Ivora Lončarića određeno je elekton-fononsko vezanje u tipičnim 3D olovo halidnim perovskitima. Ovi rezultati pružaju novu perspektivu za kvantificiranje protoka energije u hibridnim halidnim perovskitima te rješavaju postojeće eksperimentalne kontradikcije. Rezultati su objavljeni u iznimno prestižnom časopisu Advanced Energy Materials (IF=29.37) i istaknuti na stražnjoj naslovnici tog izdanja časopisa.

Svjetlosne diode nude performanse koje su bile nedohvatne tehnologiji koja je počivala na žarnim nitima ali budućnost svjetlosnih dioda, popularnih LED-ica, nije samo u efikasnijem osvjetljavanju gradova, infrastrukture i naših domova. Posljednjih godina interes znanstvenika usmjeren je k razvoju Li-Fi (engl. Light Fidelity and Visible Light Communications) sustava. To su sustavi bežične komunikacije gdje se informacije ne prenose radio valovima već se prenose pomoću LED-ica i fotodetektora – ističe dr. Popović.

Modeliranje materijala iz prvih principa je postala neizostavna tehnika za razumijevanje svojstava materijala na atomskoj razini, i to je glavni zadatak teorijskog dijela tima u ovom projektu. Iako modeliranje doseže i razinu prediktivnosti za neka svojstva, pa posjeduje potencijal da postane jeftiniji laboratorij za dizajn novih materijala, često zbog računalne kompleksnosti izračune nije moguće provesti. 

U našem mladom timu stoga razvijamo i metode kojima se postiže jednaka točnost predikcije uz značajno manje računalno vrijeme, koristeći među ostalim i metode strojnog učenja bazirane na umjetnim neuronskim mrežama - objašnjava dr. Lončarić.

Kontaktirajte nas

Više informacija

Jasminka Popović

dr. sc. , Voditelj laboratorija viši znanstveni suradnik

Ova stranica koristi kolačiće

neki od tih kolačića nužni su za ispravno funkcioniranje stranice, dok se drugi koriste za praćenje korištenja stranice radi poboljšanja korisničkog iskustva.

Za više informacija pogledajte naše uvjete korištenja.

  • Kolačići koji su nužni za ispravno funkcioniranje stranice. Moguće ih je onemogućiti u postavkama preglednika.