Ученые из Китая и России разработали архитектуру перовскитных светодиодов с красным излучением (PeLED), которая позволяет минимизировать потери оптической энергии, значительно увеличить эффективность и длительность срока их службы. Работа открывает перспективу создания высокопроизводительных светодиодов для осветительных приборов, дисплеев телевизоров, компьютеров, планшетов, смартфонов и других электронных устройств. Их преимущества — энергоэкономичность и вместе с тем высокая яркость и большая длительность работы. Статья с изложением содержания и результатов исследований опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Как правило, потери оптической энергии возникают в перовскитных светодиодах с плоской структурой межслойных интерфейсов. Это происходит из-за отражения и частичного поглощения функциональными слоями светодиода (перовскитным, дырочно-транспортным, электронно-транспортным слоями и слоем стекла) квантов света — фотонов.
«Наш исследовательский коллектив решил проблему, модифицировав органический перовскитный излучатель PeLED и его световыводящие наноструктуры. Так, поверхность светодиода была усложнена определенным порядком многочисленных „узоров“ — „полусфер“ высотой несколько нанометров. Это привело к существенному улучшению светоотдачи и, как следствие, к значительному уменьшению повторного поглощения фотонов», — объясняет доцент кафедры электрофизики УрФУ, участник исследований и соавтор статьи Иван Жидков.
При повышении светоотдачи напряжение электрического тока, необходимого для обеспечения яркости свечения светодиода, может быть снижено. Поэтому, когда поглощается меньшее количество фотонов, уменьшается и так называемый джоулев нагрев — тепловыделение внутри светодиодного устройства, которое вызывается электрическим током.
Если в плоском светодиоде температура поверхности уже через 20 секунд повышалась до 32°C, а через 50 секунд — до 35°C, то в устройстве с узорчатой поверхностью температура достигала за 100 секунд 30°C и затем стабилизировалась на этом уровне. Снижение температуры светодиода предотвращало его термическую деградацию и продлевало срок его службы.
Экспериментально установлено, что пиковая квантовая эффективность (то есть соотношение вложенной и вышедшей энергии) светодиодного устройства с узорчатой поверхностью — 21,2% — вдвое выше, чем у светодиода с плоской поверхностью. При одинаковом напряжении тока модифицированный светодиод светит почти в 2,5 раза ярче, а длительность периода его продуктивной работы в 1,75 раза больше.
«При длине волны 666 нанометров и начальной яркости свечения 100 кандел/квадратный метр полученная пиковая квантовая эффективность модифицированного светодиода наблюдалась в течение почти 4807 часов. Это самый долгий срок высокопроизводительной службы в сравнении с аналогичными PeLED, имеющимися в мире. К примеру, длительность эксплуатации светодиода с такими же параметрами яркости и показателем эффективности 21,3% — всего 5 минут. КПД светодиода, срок службы которого при аналогичной яркости составляет 694 часа, — 6,2%», — подчеркивает Иван Жидков.
Добавим, что в статье, опубликованной тем же научным коллективом в журнале Advanced Science, описывается процесс создания новых высокопроизводительных PeLED с небесно-голубым излучением. Способ получения этих светодиодных устройств отличается простотой и эффективностью, а сами светодиоды обладают большими для данного класса устройств размерами (100 и 400 мм2) и значительной пиковой квантовой эффективностью — 9,2% и 6,1% соответственно.
В исследованиях участвовали представители Университета Сучжоу, Китайской академии наук, Восточно-Китайского педагогического университета (Шанхай) и Уральского федерального университета.