Reine Rot-Perowskit-Licht emittierende Dioden (PeLEDs) gelten als eine der vielversprechendsten Technologien der nächsten Generation für Display- und Beleuchtungsanwendungen. Sie kombinieren hervorragende Farbsättigung mit potenziell niedrigen Produktionskosten und einfacher Herstellbarkeit. Dennoch standen reine Rot-Perowskit-LEDs bislang vor großen Herausforderungen, insbesondere bei der Erhaltung hoher Effizienz unter intensiver Beleuchtung. Die bahnbrechende Entdeckung eines Forscherteams der University of Science and Technology of China (USTC) bietet nun einen entscheidenden Durchbruch, indem sie prinzipielle Effizienzprobleme durch eine innovative 3D-Intragrain-Heterostruktur löst. Diese Entwicklung setzt neue Maßstäbe bezüglich Lichteffizienz, Helligkeit und Stabilität dieser LEDs und könnte damit die Zukunft von Displays und Beleuchtung grundlegend beeinflussen.
Im Folgenden werden die wissenschaftlichen Hintergründe, die konkreten Innovationen und die bedeutenden Implikationen dieser Technologie detailliert erläutert. Perowskite: Das Material der Zukunft für Lichtemission Perowskite sind eine Klasse von kristallinen Materialien, deren besonderer Vorteil in ihrer flexiblen chemischen Zusammensetzung und hervorragenden optischen Eigenschaften liegt. Insbesondere hybride anorganisch-organische Perowskite zeigen ausgeprägte Leuchteigenschaften bei gleichzeitig einfacher Synthese. Deshalb werden sie intensiv zur Herstellung von Solarzellen und LEDs erforscht. Für reine Rot-LEDs sind Perowskite mit zugeschnittenen Bandlücken essentiell, um die reine rote Farbe mit tief gesättigtem Spektrum darzustellen.
Die Herausforderung bestand bisher darin, diese Materialien so zu stabilisieren und zu optimieren, dass sie bei hohen elektrischen Strömen effizient und langlebig arbeiten. Effizienzverlust bei hohen Helligkeiten: Die Herausforderung für rote PeLEDs Ein großes Hindernis für den praktischen Einsatz von reinen Rot-Perowskit-LEDs war der sogenannte Effizienzabfall bei hoher Helligkeit. Trotz vielversprechender Anfangsergebnisse stürzten die Effizienzen dieser LEDs ab, wenn die Helligkeit stieg. Die vermuteten Ursachen waren bislang hauptsächlich „Carrier Leakage“, also das unerwünschte Entweichen von Ladungsträgern wie Löchern und Elektronen an den Grenzflächen innerhalb des Halbleiters. Diese Verluste reduzieren die Effizienz der Strahlung drastisch und führen zu vorzeitigem Materialverschleiß.
Ein innovativer Durchbruch dank 3D-Intragrain-Heterostrukturen Das Forscherteam unter Leitung von Prof. Yao Hongbin und Kollegen der USTC entwickelte eine neuartige Herangehensweise: Anstatt nur die Oberfläche oder Grenzflächen zu optimieren, wurde innerhalb der Perowskitkörner ein dreidimensionales Heterostruktur-Design implementiert. Diese sogenannte 3D-Intragrain-Heterostruktur besteht aus einem kontinuierlichen [PbX₆]⁴⁻ Framework, in das schmalbandige, rot leuchtende Regionen eingebettet sind, die von breitabigen Barrieren umgeben werden. Diese Architektur ermöglicht die lokale Bandlückenanpassung, wodurch Ladungsträger wie Elektronen und Löcher effektiv in den gewünschten Bereichen gehalten und vor unkontrolliertem Entweichen geschützt werden. Im Kern sorgt dieses Design für eine verbesserte Ladungskonfinierung mit gleichzeitiger Erhaltung hoher Mobilität innerhalb des Materials.
Dies adressiert direkt das Problem der Löcher, die bisher in den Elektronentransportbereich verloren gingen und somit für den Effizienzabfall verantwortlich waren. Mit Hilfe einer eigens entwickelten Messmethode, der elektrisch angeregten transienten Absorptionsspektroskopie (EETA), konnten die Wissenschaftler erstmals in Echtzeit die Ladungsdynamik in den funktionierenden LEDs beobachten. Diese Untersuchung bestätigte, dass das Hauptproblem der Effizienzrolloff durch Lochleckage verursacht wurde. Die implementierte 3D-Heterostruktur minimierte diese Verluste signifikant. Der Schlüsselfaktor: Das multifunktionale Molekül p-Toluolsulfonyl-L-arginin Für die Realisierung der 3D-Intragrain-Heterostruktur spielten chemische Modifikatoren eine zentrale Rolle.
Das Molekül p-Toluolsulfonyl-L-arginin (PTLA) wurde speziell ausgewählt, da es sich mit mehreren funktionellen Gruppen – darunter Guanidino, Carboxyl, Amino- und Sulfonylgruppen – stark und stabil an das Perowskitgitter bindet. Die PTLA-Moleküle erzeugen lokale Gitterexpansionen, die zur Bildung von breitbandigen Phasen führen, ohne die strukturelle Kontinuität zu unterbrechen. Diese lokale Erweiterung und Anpassung der Bandlücke sorgt dafür, dass elektronische Barrieren entstehen, die Ladungsträger präzise in den Leuchtregionen halten und gleichzeitig den Ladungstransport durch das 3D-Netzwerk nicht hemmen. Die Fähigkeit von PTLA, die Gitterstruktur individuell zu modifizieren und gleichzeitig kristalline Defekte zu minimieren, war ein maßgeblicher Erfolgsfaktor. Beispiellose Leistungswerte und Stabilität Die mit dieser Methode hergestellten reinen Rot-Perowskit-LEDs erzielten bahnbrechende Werte.
Die Spitzen-EQE (externe Quanteneffizienz) erreichte beeindruckende 24,2 %, während eine maximale Helligkeit von 24.600 cd/m² gemessen wurde – der höchste Wert für reine Rot-PeLEDs bislang. Besonders bemerkenswert ist der extrem geringe Effizienzabfall: Selbst bei 22.670 cd/m² (ca. 90 % der Spitzenhelligkeit) blieb die EQE bei über 10,5 %, was weit bessere Werte als bisherige Technologien bedeutet.
Neben der Effizienz überzeugten die LEDs auch durch bemerkenswerte Stabilität. Die Lebensdauer, ausgedrückt als Halbwertszeit bei 100 cd/m², wurde auf über 127 Stunden bestätigt, ohne nennenswerte Verschiebung im Emissionsspektrum. Die Kombination aus langlebiger Materialstruktur und hoher Effizienz macht die Technologie damit besonders attraktiv für kommerzielle Anwendungen. Implikationen für die Optoelektronik und die Displaytechnologie Die Entwicklung der 3D-Intragrain-Heterostruktur ist nicht nur ein wissenschaftlicher Meilenstein, sondern öffnet auch neue Wege für die praktische Anwendung von Perowskit-LEDs. Reines Rot wird oftmals als kritisch für hochqualitative Displays und Beleuchtungssysteme angesehen, da es Farbgenauigkeit und Farbräume entscheidend erweitert.
Durch die Lösung der bisherigen Effizienz- und Stabilitätsprobleme könnten reine Rot-PeLEDs zukünftig in Fernsehern, Smartphones, Augmented-Reality-Displays und energieeffizienten Leuchten eingesetzt werden. Zudem unterstreicht die Arbeit der USTC-Forscher den großen Vorteil der Kombination aus innovativen Materialdesigns und fortschrittlichen Diagnosemethoden. Die Möglichkeit, Ladungsträgerdynamiken in realen Betriebssituationen zu beobachten, beschleunigt die gezielte Entwicklung weiterer Optimierungen und Einsichten in Halbleiterprozesse. Ein Blick in die Zukunft Das vorgestellte 3D-Intragrain-Heterostrukturkonzept ist eine wegweisende Plattform, deren Prinzipien auch auf andere Halbleitermaterialien und Leuchtdiodentechnologien übertragbar sind. Künftige Forschungen werden sich vermutlich darauf konzentrieren, die Syntheseprozesse weiter zu vereinfachen, die Skalierbarkeit für industrielle Massenproduktion zu verbessern und die Lebensdauer zusätzlich zu erhöhen.
