Perovskitas dobles codopantes para simples

Jul 05, 2023

22 de mayo de 2023

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por el Instituto de Tecnología de Beijing Press Co., Ltd

Un nuevo artículo publicado en Energy Material Advances explora la codificación de perovskitas dobles Eu3+-Bi3+ para diodos emisores de luz blanca de un solo componente.

"Con las perovskitas de haluro de plomo alcanzando una etapa de investigación madura que se acerca a la comercialización del producto, persisten las preocupaciones sobre la estabilidad de los materiales y la toxicidad de las sales a base de plomo", dijo el autor del artículo, Hongwei Song, profesor de la Facultad de Ciencias Electrónicas e Ingeniería de la Universidad de Jilin.

Las perovskitas dobles con composición Cs2AgInCl6, a menudo dopadas con varios elementos, han sido el centro de atención debido a sus intrigantes propiedades ópticas, a saber, la emisión de excitones autoatrapados (STE) y la fotoluminiscencia inducida por dopantes. Este interés ha suscitado diferentes enfoques de síntesis tanto de cristales como de nanocristales, y la exploración de muchas composiciones de aleaciones con cationes monovalentes y trivalentes distintos de Ag+ e In3+.

Song explicó que, en el desarrollo de materiales de perovskita sin plomo, lo primero que se piensa es reemplazar el elemento Pb con un elemento no tóxico. Para reemplazar el Pb en la perovskita de haluro, los investigadores eligieron varios cationes de baja toxicidad en el mismo período más cercano, como Sn, Ge, Bi, Sb, In, etc., porque tienen un orbital de capa inactiva similar.

Esta es la clave de las propiedades fotoeléctricas únicas de los materiales de perovskita. Los materiales de perovskita a base de plomo han atraído una gran atención en el área de iluminación de estado sólido debido a su alta eficiencia, alta reproducción cromática y rendimiento de luminiscencia ajustable. Esta es tanto una oportunidad como un desafío para el desarrollo general de la industria fotoeléctrica.

"Desde el trabajo pionero sobre Cs2AgInCl6 en 2017 informado por Giustino et al. y Zhou et al. casi simultáneamente, se han dedicado muchos esfuerzos a su síntesis, modificación de su composición, estudio de su estructura electrónica, propiedades optoelectrónicas y aplicaciones. Recientemente , Luo et al. lograron un récord de emisión de luz blanca con un 86 % de PLQY mediante la aleación simultánea de Ag+ con dopaje de Na+ y Bi3+, lo que marca un hito importante en el desarrollo de materiales relacionados con Cs2AgInCl6", dijo Song.

"A pesar de varias ventajas, los principales problemas con estas perovskitas de haluro de plomo siguen siendo su baja estabilidad y toxicidad. Para resolver tales problemas, se han realizado varios intentos para reducir la toxicidad de las perovskitas y al mismo tiempo mantener sus propiedades ópticas eficientes".

La existencia de iones Bi3+ disminuye la energía de excitación (absorción), proporciona un nuevo canal de absorción y aumenta la tasa de transferencia de energía a los iones Eu3+. Mediante el ajuste de las concentraciones de Bi3+ y Eu3+, se obtiene una eficiencia de fotoluminiscencia máxima (PLQY) del 80,1 % en DP de Cs2AgInCl6 co-dopado con 6 % de Eu3+ y 0,5 % de Bi3+.

"La eficiencia de transferencia de energía se puede ajustar con las tasas de decaimiento bajo diferentes concentraciones de dopaje de Bi3+. Se puede ver que la tasa de transferencia de energía mejora en conjunto con el aumento de la concentración de dopaje de Bi3+, y la tasa de transferencia de energía óptima correspondiente a la La concentración de Bi3+ es del 0,5 %. A continuación, realizamos la prueba PLQY en los materiales. Para los DP Cs2AgInCl6 sin dopar, el PLQY es solo del 0,5 %, lo que aumenta drásticamente al 20,1 % después de la adición de Bi3+. Después de [ser] co-dopados con Eu3+ y iones Bi3+, PLQY sigue aumentando y alcanza el máximo de 80,1 % cuando la concentración de Eu alcanza el 6 %", dijo Song.

"Aquí, proponemos un posible mecanismo para describir la emisión de Eu3+ en Bi/Eu3+: Cs2AgInCl6. Cs2AgInCl6 DP es un semiconductor de banda prohibida directa. El dopaje con Bi3+ proporciona un nuevo canal de absorción para el material, que puede ser causado por la contribución del orbital Bi3+ en el borde de la banda, rompiendo la transición de prohibición de compatibilidad de estado STE, generando un nuevo canal de absorción de luz a una energía más baja y promoviendo el PLQY emitido por STE. Para la emisión Eu3+, creemos que hay dos vías. Primero, la transferencia de energía de STE a iones Eu3+ es posible ya que hemos observado la emisión de Eu3+ en los DP Cs2AgInCl6 dopados con Eu3+. En segundo lugar, la emisión de Eu3+ puede provenir principalmente de la transferencia de energía de los iones Bi3+ a los iones Eu3+. Los iones Bi3+ absorben la luz de excitación y transfieren la energía de los niveles 1P1, 3P2, 3P1, 3P0 de iones Bi3+ a los niveles 5D3, 5D2, 5D1 y 5D0 de iones Eu3+ La emisión característica de iones Eu3+ se forma a través de 5D0→7Fj(j=0,1,2,3) transiciones".

"Finalmente, preparamos los diodos emisores de luz blanca basados ​​en Cs2AgInCl6 DP codopados con Bi3+ y Eu3+ que se fabricaron con un índice de reproducción cromática óptimo de 89, una eficiencia luminosa óptima de 88,1 lm/W y una vida media de 1493 h. Esta estrategia de impartir funciones ópticas a los DP de haluros metálicos puede conducir a aplicaciones futuras, como comunicaciones de fibra óptica, iluminación diaria, industria militar, pantallas y otros campos", dijo Song.

Más información: Tianyuan Wang et al, Eu3+-Bi3+ Codopaje de perovskitas dobles para diodos emisores de luz blanca de un solo componente, Energy Material Advances (2023). DOI: 10.34133/energymatadv.0024

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Beijing Press Co., Ltd