Blaue Leuchtdioden (LEDs) sind als eine der drei Primärfarben und Anregungslichtquelle für Anwendungen in Vollfarbdisplays, Allgemeinbeleuchtung und Signalübertragung von großer Bedeutung. Metallhalogenid-Perowskite haben sich in den letzten Jahren aufgrund ihrer hohen Photolumineszenz-Quantenausbeute, hohen Farbreinheit und einfachen Verarbeitbarkeit aus Lösungen als vielversprechende Kandidaten für kostengünstige blaue LEDs der nächsten Generation erwiesen. Um leistungsstarke blaue Perowskit-LEDs zu realisieren, haben Forscher verschiedene Strategien vorgeschlagen, darunter Materialoptimierung, Grenzflächen-Engineering und die Entwicklung von Bauelementstrukturen. Bislang wurde für blaue Perowskit-LEDs eine externe Quanteneffizienz von bis zu 26,4 % erreicht, die Leistungseffizienz – ein wichtiger Indikator für den Stromverbrauch von LEDs – ist jedoch weiterhin unbefriedigend.
Angesichts des enormen globalen Energieverbrauchs der LED-Technologie und des naturgemäß höheren Energieverbrauchs blauer Perowskite aufgrund ihrer größeren Bandlücke im Vergleich zu ihren roten und grünen Pendants ist die Verbesserung der Lichtausbeute (PE) blauer Perowskit-LEDs entscheidend für die Entwicklung energieeffizienter optoelektronischer Bauelemente. Der PE-Wert wird durch die Formel PE = (π × L)/(J × V) bestimmt, wobei L, J und V für Luminanz, Stromdichte bzw. Ansteuerspannung stehen. Um eine hohe Lichtausbeute zu erzielen, ist es daher notwendig, die Helligkeit bei gleichzeitig reduzierter Ansteuerspannung und einer bestimmten Stromdichte zu maximieren. Im Vergleich zu LEDs auf Basis polykristalliner Perowskit-Dünnschichten bieten Quantenpunkt-LEDs (QD-LEDs) vielversprechende Möglichkeiten für eine höhere Lichtausbeute, da der QD-Emitter selbst starke Ladungsträger-Einschluss-Eigenschaften aufweist, die eine nahezu theoretische Lichtausbeute ermöglichen. Die elektrischen Isolationseigenschaften organischer Liganden in QDs behindern jedoch den Ladungsträgertransport und die Rekombination erheblich, was die Ansteuerspannung erhöht und somit zu einer relativ niedrigen Lichtausbeute dieser Bauelemente führt.
Song Jizhong, Yao Jisong und weitere Wissenschaftler der Universität Zhengzhou konnten die Ansteuerspannung reduzieren und die strahlende Rekombination blauer Perowskit-QLEDs verbessern, indem sie geordnete Dipolstrukturen aus Poly(1,1-difluorethylen) (PVDF) in die Quantenpunkt-Emitterschicht einfügten. Die durch PVDF gebildeten Polymerdipole leiten Elektronen und Löcher zur strahlenden Rekombination in den zentralen Bereich der Emitterschicht, wodurch die Ansteuerspannung des Bauelements gesenkt wird. Gleichzeitig passiviert der elektronenziehende Effekt der Fluoratome im PVDF unkoordinierte Pb²⁺-Ionen effektiv, während die entsprechenden Wasserstoffatome mit Halogenidionen in den Perowskit-Quantenpunkten interagieren und so die nicht-strahlende Rekombination wirksam unterdrücken. Dadurch wurde eine rekordverdächtige Lichtausbeute von 43,9 lm/W bei blauen Perowskit-QLEDs und eine beeindruckende Helligkeit von 5474 cd/m² erzielt. Darüber hinaus wiesen die optimierten Bauelemente stabile Emissionsspektren und eine deutlich verbesserte Betriebsstabilität auf, was das große Potenzial der vorgeschlagenen blauen Perowskit-QLED-Strategie für praktische Anwendungen unterstreicht.
