Propriétés structurales d'échantillons de pérovskite au germanium-plomb. Crédit :Nature Communications
Les pérovskites aux halogénures métalliques sont une nouvelle classe de matériaux semi-conducteurs pour l'affichage à LED et la récupération d'énergie solaire. Cependant, les appareils les plus performants sont souvent fabriqués à partir de pérovskites à base de plomb (Pb), dont la toxicité peut causer des problèmes environnementaux potentiels. Pour résoudre le problème de toxicité, une méthode efficace a été l'utilisation de l'étain (Sn) comme remplacement partiel ou total du plomb dans les matériaux pérovskites. Cette stratégie a été particulièrement réussie pour les cellules solaires à pérovskite. Cependant, les pérovskites à base d'étain (y compris étain-plomb) sont généralement de très mauvais émetteurs de lumière, causant des performances insatisfaisantes des dispositifs électroluminescents (DEL) à base de pérovskite à base d'étain.
Une raison à cela est qu'une forte densité de défauts électroniques peut se former pendant le processus de préparation des pérovskites à base d'étain, comme l'étain (Sn 2+ ) peut s'oxyder et le processus de cristallisation n'est pas bien contrôlé. Des LED pérovskites à base d'étain avec des efficacités quantiques externes de 5% ont été signalées en 2020. Mais ces efficacités n'étaient possibles qu'à faible luminosité (38 cd/m 2 ), bien en deçà des exigences pour les applications d'affichage (500-1000 cd/m 2 ).
Récemment, une équipe de recherche dirigée par le professeur Di Dawei du Zhejiang University College of Optical Science and Engineering a découvert qu'en utilisant du germanium (Ge), un élément du groupe IV respectueux de l'environnement, remplacer partiellement le plomb dans la pérovskite, il est possible de créer des matériaux et des dispositifs de pérovskite hautement luminescents. Un article connexe intitulé « Germanium-plomb perovskite light-emitting diodes » a été publié par l'équipe le 13 juillet dans la revue Communication Nature .
"Dans notre cheminement vers les LED pérovskites à faible toxicité, nous avons recherché des métaux alternatifs respectueux de l'environnement pour remplacer le plomb, " a déclaré Di. " ce fut une agréable surprise que le germanium, l'élément entre le silicium et l'étain (sur le tableau périodique) pourrait fonctionner si bien en tant que substitution du plomb pour les applications LED."
Propriétés optiques d'échantillons de pérovskite au germanium-plomb. Crédit :Nature Communications
Dr Yang Dexin, chercheur postdoctoral dans le groupe Di et premier auteur de l'article, dit "nous étudiions l'effet des ions germanium (Ge 2+ ) dans les alliages de tellurure de germanium, et a constaté que les ions germanium peuvent offrir certains avantages en termes de passivation des défauts."
Les films minces de pérovskite au germanium-plomb ont montré des rendements quantiques de photoluminescence élevés (PLQE) allant jusqu'à 71%. Il s'agissait d'une amélioration relative d'environ 34 % par rapport aux films de pérovskite à base de plomb préparés de manière similaire. Les efficacités de luminescence élevées provenaient des processus radiatifs améliorés et des densités de défauts réduites dans les pérovskites au germanium-plomb.
Mesures de LED pérovskites au plomb germanique. Crédit :Nature Communications
En utilisant ces matériaux, Di et ses collègues ont présenté pour la première fois des LED à pérovskite au germanium. « Dans notre première démonstration, nous avons atteint des efficacités quantiques externes allant jusqu'à 13,1% à haute luminosité (~ 1900 cd/m 2 ) avec une luminosité maximale de plus de 10000 cd/m 2 . Il s'agit d'un record d'efficacité pour les LED à pérovskite à toxicité réduite, " dit Yang.
« Bien que des travaux supplémentaires soient certainement nécessaires pour améliorer les performances et la stabilité de l'appareil, nos résultats suggèrent une voie prometteuse vers des technologies émettrices de lumière respectueuses de l'environnement basées sur des semi-conducteurs pérovskites, " a déclaré Di.
