L’éclairage artificiel représente un cinquième de la consommation mondiale d’électricité, et le développement de matériaux luminescents efficaces et stables est essentiel pour éviter le gaspillage inutile d’énergie électrique. Les émetteurs uniques à large bande, tels que les pérovskites aux halogénures de plomb, ont récemment suscité une attention considérable pour les applications d’éclairage et d’affichage artificiels. Pour développer des pérovskites sans plomb et stables avec une émission à large bande, des chercheurs chinois ont ciblé des pérovskites aux halogénures de bismuth de faible dimension.
Ils ont publié leur travail le 15 avril dans Progrès des matériaux énergétiques.
« Les émetteurs uniques à émission à large bande peuvent contourner les problèmes critiques rencontrés dans les émetteurs mixtes et multicomposants traditionnels, tels que les pertes d’efficacité causées par l’auto-absorption, la structure complexe de l’appareil et l’instabilité des couleurs due aux différents taux de dégradation des luminophores », a déclaré auteur de l’article Rengui Li, professeur au State Key Laboratory of Catalysis, Dalian National Laboratory for Clean Energy, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences (CAS). « Les pérovskites aux halogénures de plomb sont devenues des matériaux optoélectroniques de nouvelle génération très attrayants pour les applications électroluminescentes en raison de leurs extraordinaires propriétés photoélectriques. »
Li a expliqué que les pérovskites aux halogénures de plomb hybrides organiques-inorganiques de faible dimension dominent la recherche sur l’émission à large bande, bénéficiant de leurs fortes interactions de couplage électron-phonon induisant la génération d’excitons auto-piégés.
« Cependant, la toxicité du plomb et l’instabilité intrinsèque causée par les cations organiques entravent leurs futures applications commerciales », a déclaré Li. « Par conséquent, il est impératif de développer des pérovskites aux halogénures inorganiques sans plomb avec une émission à large bande à haut rendement. »
Les pérovskites aux halogénures à base de bismuth ont attiré une attention considérable dans les domaines optoélectroniques en raison de leur faible toxicité, de leur bonne stabilité chimique et de la configuration isoélectronique de Bi3+ avec Pb2+. Selon Li, le Cs3Bi2Br9 est devenu un émetteur pour les applications d’émission de lumière étant donné une grande énergie de liaison des excitons pour favoriser efficacement la recombinaison des excitons. Cependant, il existe quelques rapports sur Cs3Bi2Br9 pour l’émission de lumière à large bande à température et pression ambiantes, bien que la faible dimensionnalité électronique et le fort confinement quantique apportés par la structure en couches ordonnée par les lacunes lui confèrent ce potentiel.
L’une des principales raisons est que Cs3Bi2Br9 possède un couplage exciton-phonon extrêmement fort en raison de la microstructure localisée et comprimée ; Li a déclaré que cela peut entraîner des excitons auto-piégés responsables de la large bande de photoluminescence étant plus sensibles à l’extinction thermique par l’émission de phonons non radiatifs, ainsi Cs3Bi2Br9 ne présente une émission à large bande qu’à basse température ou haute pression. Li et son équipe ont cherché à développer l’émission à large bande pour Cs3Bi2Br9 et, plus important encore, à comprendre le mécanisme de luminescence.
« Dans cet article, nous avons réussi à incorporer une trace de Sb (0,13 % en poids) dans le Cs3Bi2Br9 sans perturber sa structure à longue portée », a déclaré Li. « Le Cs3Bi2Br9:Sb obtenu présente une émission à large bande importante et une amélioration remarquable du rendement quantique de photoluminescence (PLQY). »
« Le PLQY amélioré est attribué à la régulation des voies de recombinaison des excitons par l’incorporation de Sb et la recombinaison non radiative des excitons auto-piégés diminue », a déclaré Li.
Les spectres d’absorption transitoire femtoseconde révèlent la présence de différents niveaux d’énergie d’excitons auto-piégés, et après la photoexcitation, les excitons libres excités sont transférés aux excitons auto-piégés subissant les niveaux d’énergie du gradient, et les excitons auto-piégés extrinsèques à divers états d’énergie contribuent à l’émission à large bande, a déclaré Li, le Cs3Bi2Br9:Sb présente une excellente stabilité structurelle et optique pendant des mois, ce qui ouvre la voie aux applications potentielles de luminescence pour les pérovskites halogénures sans plomb.
Ming Shi et al, Tuning Exciton Recombination Pathways in Inorganic Bismuth-Based Perovskite for Broadband Emission, Progrès des matériaux énergétiques (2022). DOI : 10.34133/2022/9845942
Fourni par l’Institut de technologie de Pékin