Leuchtdioden mit Perowskit und Quantenpunkten

Perwoskit-Kristalle werden in Solarzellen verwendet, die innerhalb weniger Jahre Wirkungsgrade von über zwanzig Prozent erreicht haben. Wissenschaftler aus Spanien entwickelten aus diesem lichtaktiven Material nun auch Leuchtdioden. In Kombination mit Quantenpunkten stellten sie neue Leuchtquellen für den nahen Infrarotbereich her. Dies berichten die Forscher in der Fachzeitschrift „Science Advances“.

Horizontale Schichten mit unterschiedlicher Struktur und Dicke. Die Beschriftung gibt die Dicke der verschiedenen Materialien an.
Vielschichtiger Aufbau

„Die Wellenlänge dieser Leuchtdioden lässt sich über die Größe der Quantenpunkte gezielt verändern“, sagt Iván Mora Seró von Universität Jaume I in Castellón de la Plana, Spanien. Gemeinsam mit Kollegen von der Universität von Valencia deponierte er in einem nasschemischen Verfahren dünne Schichten aus bleihaltigen Perowskit-Kristallen auf einer leitfähigen Unterlage. Danach ergänzten die Forscher zwei bis drei Nanometer kleine Nanopartikel aus Blei- und Cadmiumsulfid – einmal auf der Perowskitschicht und einmal darunter. Abgedeckt wurde dieser Stapel lichtaktiver Substanzen mit hauchdünnen und transparenten Goldfilmen, über die elektrischer Strom fließen konnte.

Mit geringen Spannungen von weniger als einem Volt versorgt, strahlten diese Leuchtdioden Infrarotlicht mit Intensitätsmaxima zwischen 800 und 1400 Nanometer Wellenlänge aus. Die Kombination mit größeren Quantenpunkten emittierte dabei bevorzugt bei den kürzeren Wellenlängen und kleinere Quantenpunkte führten zu einer langwelligeren Strahlung. Zusätzlich beeinflusste die Höhe der Versorgungsspannung die emittierte Wellenlänge: je geringer die Spannung war, desto mehr längerwelliges Licht wurde ausgesendet. Verantwortlich für diese Lichtemission machten Mora Seró und seine Kollegen die spezielle elektronische Struktur dieser Materialkombination. Dabei beeinflussten sich die verschiedenen elektronischen Eigenschaften von Perowskit-Kristallen und Quantenpunkten gegenseitig. Es bildeten sich spezielle Bandstrukturen aus, die auch als Exciplex-Zustände bezeichnet werden.

Diese ersten Prototypen waren noch nicht auf eine möglichst hohe Lichtausbeute abgestimmt. Die Wissenschaftler wollten vielmehr prinzipiell zeigen, dass sich dank der Mischung von Quantenpunkten und Perowskit-Kristallen die Wellenlängen des ausgesendeten Lichts gezielt verändern ließen. In weiteren Versuchen könnten nun sowohl die Effizienz erhöht als auch die Farbe des emittierten Lichts in den sichtbaren Bereich des Lichtspektrums verschoben werden. Doch auch eine neue Infrarot-Lichtquelle ließe sich für die optische Übertragung digitaler Daten nutzen.

Mora Seró ist davon überzeugt, dass sein Ansatz nicht nur zu einer neuen Klasse von Leuchtdioden und gar Lasern verschiedener Farben führt, die sich sehr günstig mit nasschemischen Verfahren fertigen ließen. Auch Perowskit-Solarzellen könnten durch die Einbettung von winzigen Quantenpunkten weiter verbessert werden. Denn diese Materialkombination böte einen geeigneten Ansatz, um einen größeren Teil des Sonnenspektrums für die photovoltaische Stromerzeugung nutzen zu können. Dieses Ziel erreichen bisher nur gestapelte Tandem- oder Tripelsolarzellen.