Les LED à pérovskite sont une technologie émergente pour l'affichage, l'éclairage et les communications de nouvelle génération. Bien que les LED à pérovskite puissent être produites simplement et à faible coût, elles présentent des avantages technologiques évidents. Ils sont légers et offrent une flexibilité comparable aux OLED, et ils ont une pureté de couleur et une accordabilité similaires aux LED basées sur des semi-conducteurs III-V. Avec seulement quelques années de recherche effectuées par des scientifiques du monde entier, l'efficacité des LED à pérovskite rivalise déjà avec des technologies plus matures.

Cependant, à l'instar des cellules solaires à pérovskite, la faible stabilité des LED à pérovskite constitue le plus grand défi pour les applications commerciales. Les durées de vie typiques des LED à pérovskite sont de l'ordre de 10 à 100 heures. En revanche, la durée de vie minimale requise pour un écran OLED est de 10 000 heures. Les chercheurs ont beaucoup de mal à atteindre ce seuil, car les semi-conducteurs halogénures pérovskites peuvent être intrinsèquement instables en raison de la nature ionique de leurs structures cristallines. Les ions peuvent se déplacer lorsque des tensions sont appliquées aux LED, entraînant une dégradation du matériau.

Récemment, un groupe de recherche dirigé par le professeur Di Dawei et le professeur Zhao Baodan du Collège des sciences et de l'ingénierie optiques de l'Université du Zhejiang a fait une percée importante dans ce domaine. Ils ont découvert qu'en utilisant un stabilisateur moléculaire dipolaire, il est possible de fabriquer des LED de pérovskite efficaces et stables avec des durées de vie ultralongues, répondant aux exigences des applications commerciales. La recherche a été menée en collaboration avec les groupes de recherche du professeur Li Cheng de l'Université de Xiamen, du professeur Hong Zijian de l'Université de Zhejiang et du professeur Li Weiwei de la NUAA et anciennement de l'Université de Cambridge. Un article intitulé "Ultrastable near-infrared perovskite light-emitting diodes" a été publié par les chercheurs le 8 août 2022 dans Nature Photonics .

"Nos LED de pérovskite stabilisées n'ont montré aucune dégradation des performances sur 5 mois (3 600 heures) de fonctionnement continu sous un courant de 5 mA/cm ² . Certaines des mesures sont toujours en cours », a déclaré Di, auteur correspondant de l'article. « C'est vraiment excitant, et c'est complètement au-delà des attentes. Les appareils sont très stables et il est peu probable que certaines mesures en cours se terminent dans un an ou même plus. Pour pouvoir obtenir les données de durée de vie dans un délai raisonnable, nous devons utiliser des tests de vieillissement accéléré largement utilisés pour les LED », a déclaré Di.

Les LED de pérovskite proche infrarouge présentent des durées de vie extraordinaires. Par exemple, le T₅₀ estimé la durée de vie (temps nécessaire pour que le rayonnement initial tombe à 50 %) est de 32 675 heures (3,7 ans) à un rayonnement initial de 2,1 W sr ^-1 m ^-2 (3,2 mA/cm ² ). Cette luminosité correspond à peu près à la même puissance optique pour une OLED verte commerciale fonctionnant à une luminosité élevée de 1 000 cd/m ² . À un faible rayonnement initial de 0,21 W sr ^-1 m ^-2 (un dixième du réglage de luminosité ci-dessus) ou 0,7 mA/cm ² , le T₅₀ prévu la durée de vie est de 2,4 millions d'heures (2,7 siècles).

Guo Bingbing, étudiant de troisième cycle à l'Université du Zhejiang et premier auteur de l'article, a déclaré :« Nous pensons qu'il est important d'effectuer des analyses de durée de vie robustes pour la nouvelle classe de LED en utilisant autant de points de données que possible. Pour atteindre cet objectif, nous avons collecté 62 points de données à partir d'expériences de vieillissement accéléré sur une large plage de densité de courant de 10 à 200 mA/cm ² ." L'efficacité quantique externe maximale et l'efficacité de conversion d'énergie des appareils ont atteint respectivement 22,8 % et 20,7 %. Il s'agit des valeurs d'efficacité les plus élevées pour les LED à pérovskite dans le proche infrarouge.

Les chercheurs ont découvert que les matériaux pérovskites stabilisés conservent très bien leurs structures cristallines dans le temps. "Les structures cristallines n'ont pas changé pendant plus de 322 jours", a déclaré Zhao, un auteur correspondant de l'article. "Cela signifie que le stabilisateur moléculaire dipolaire aide la pérovskite à conserver sa phase cristalline optoélectroniquement active d'origine. En revanche, les échantillons de pérovskite non traités ont changé leur structure cristalline et se sont décomposés en environ deux semaines", a déclaré Zhao.

Le mouvement des ions dans les matériaux pérovskites est une source d'instabilité. Un tel problème s'aggrave sous des tensions externes pendant le fonctionnement de la LED. "Nos expériences et nos calculs ont montré que les molécules dipolaires se lient chimiquement ou interagissent avec tous les ions positifs et négatifs aux limites des grains cristallins de la pérovskite", a déclaré Guo, "et cela peut être la raison pour laquelle la migration des ions devient plus difficile dans la pérovskite stabilisée".

"La suppression du mouvement ionique peut être vue à partir des mesures électriques et optiques que nous et nos collaborateurs avons effectuées", a commenté Zhao.

Les résultats de durée de vie suggèrent que les dispositifs à pérovskite ne sont pas "génétiquement défectueux" en termes de stabilité. "Les pérovskites aux halogénures métalliques, en tant que classe émergente de semi-conducteurs, étaient largement considérées comme intrinsèquement instables, en particulier dans les applications LED où des champs électriques élevés sont présents", a déclaré Di, "nos résultats montrent que la fabrication de dispositifs pérovskites stables n'est pas 'mission impossible. '"

Les durées de vie ultralongues devraient renforcer la confiance dans le domaine des LED à pérovskite, car elles satisfont désormais aux exigences de stabilité des OLED commerciales. Les LED proches de l'infrarouge peuvent être utiles dans l'affichage infrarouge, les communications et les applications biologiques. Alors que des efforts supplémentaires sont nécessaires pour développer des dispositifs visibles avec une longévité similaire pour les écrans couleur, la démonstration de LED à pérovskite ultrastables a ouvert la voie vers des applications industrielles. + Explorer plus loin

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