La tecnología de los diodos emisores de luz basados en perovskita ha emergecido como una frontera prometedora en la optoelectrónica, especialmente en el desarrollo de LEDs con colores puros y alta eficiencia. El interés en los LEDs de perovskita roja pura se ha incrementado significativamente debido a su potencial para transformar industrias como la de pantallas, iluminación avanzada y dispositivos fotónicos. No obstante, hasta ahora, estos dispositivos han enfrentado desafíos críticos, principalmente relacionados con la pérdida de eficiencia a altas intensidades de brillo y la inestabilidad operativa. Recientemente, un equipo de investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC), bajo la guía de destacados científicos como el profesor YAO Hongbin, han descubierto una solución innovadora que supera estas limitaciones, estableciendo un nuevo estándar en el rendimiento de los LEDs rojos puros. El reto fundamental que limitaba el rendimiento de los LEDs de perovskita roja pura reside en el fenómeno llamado "roll-off" de eficiencia, que se produce cuando el dispositivo se opera a altas corrientes de excitación.
A medida que se incrementa la intensidad luminosa, la eficiencia externa cuantificable tiende a decrecer drásticamente, impidiendo que los dispositivos alcancen niveles óptimos de brillo con bajo consumo energético. Este problema persistía porque el comportamiento dinámico de los portadores de carga dentro del material no se podía monitorizar con suficiente precisión en tiempo real para identificar las causas exactas del deterioro. Para abordar esta compleja cuestión, el equipo de USTC desarrolló una técnica diagnóstica innovadora llamada espectroscopía de absorción transitoria excitada eléctricamente (EETA, por sus siglas en inglés). Este método permitió estudiar en detalle cómo los portadores eléctricos, específicamente los electrones y huecos, se comportaban dentro de los materiales activos durante la operación real del dispositivo. Gracias a estas observaciones, los investigadores pudieron determinar que la filtración o fuga de huecos hacia la capa de transporte de electrones era la principal responsable del descenso de eficiencia bajo condiciones de alta corriente.
Este hallazgo fue fundamental para redirigir enfoques de ingeniería y diseño del material perovskita para contener y optimizar la movilidad de los portadores. El avance decisivo del equipo se basa en la creación de una heteroestructura intragrano tridimensional dentro del material perovskita. En esencia, esta estructura logra insertar zonas estrechas de perovskita con banda prohibida pequeña, es decir, regiones que emiten luz roja pura, embebidas dentro de un entramado continuo de [PbX6]⁴⁻, donde X representa halógenos, separadas por barreras de banda prohibida ancha que actúan como confinamiento para los portadores. Esta arquitectura compleja restringe la fuga de huecos y mantiene el equilibrio en el transporte de carga sin fragmentar la estructura cristalina, que es crucial para conservar alta movilidad y eficiencia. Un componente esencial en la formulación de este diseño es la incorporación de la molécula p-Toluensulfonil-L-arginina (PTLA).
Esta molécula presenta múltiples grupos funcionales que interactúan fuertemente con la red perovskita a través de enlaces guanidino, carboxilo, amino y sulfonilo. La unión de PTLA expande localmente la red cristalina, permitiendo la formación de fases con bandas prohibidas amplias sin comprometer la continuidad estructural. Este ajuste químico pulido consigue modificar las propiedades electrónicas del material de forma precisa, facilitando un confinamiento efectivo de portadores y minimizando la recombinación no radiativa que perjudica la eficiencia. El equipo del USTC utilizó técnicas avanzadas como la microscopía electrónica de transmisión de alta resolución y espectroscopía ultrarrápida para confirmar que la transferencia de portadores entre las diferentes fases dentro de la heteroestructura es fluida y sin interrupciones. Esta combinación asegura que los portadores puedan desplazarse con eficacia hacia las zonas emisoras, optimizando la emisión luminosa y evitando pérdidas por fuga o recombinación indeseada.
Los resultados obtenidos por los investigadores son sorprendentes y representan un avance significativo para la tecnología de LEDs basados en perovskita. Los dispositivos fabricados alcanzaron una eficiencia cuántica externa (EQE) máxima del 24.2%, el valor más alto reportado hasta la fecha para LEDs de perovskita roja pura. Además, lograron una luminancia máxima de 24,600 cd/m², destacándose como el LED rojo puro más brillante registrado. Importante también es su desempeño a brillo casi máximo, con un EQE del 10.
5% mantenido a 22,670 cd/m², demostrando estabilidad en condiciones operativas exigentes. La estabilidad es otro aspecto fundamental que fue abordado con éxito. Los dispositivos exhibieron una vida media de 127 horas a una luminancia de 100 cd/m² y mostraron mínimas variaciones en la longitud de onda de emisión durante su operación, señal de una impresionante resistencia al deterioro y degradación. Este es un cambio radical respecto a tecnologías previas que sufrían pérdidas rápidas de eficiencia y cambios espectrales durante el uso continuo. La innovación del diseño 3D intragrano no solo resuelve un problema técnico, sino que abre nuevas posibilidades en la ingeniería de materiales para optoelectrónica.
La comprensión detallada de la dinámica de portadores mediante la técnica EETA combinada con la sutil manipulación molecular representa un enfoque integral que puede ser extendido a otros sistemas y colores de perovskita. La capacidad de controlar con precisión el transporte de carga y las interacciones a escala nanométrica tiene implicaciones directas en el desarrollo de dispositivos más eficientes, estables y brillantes para múltiples aplicaciones. En el contexto tecnológico global, los LEDs de perovskita roja pura son esenciales para mejorar la calidad y nitidez de las pantallas OLED y otras tecnologías de visualización, al ofrecer gamas de color más intensas y precisas. También son cruciales para aplicaciones en iluminación especializada donde el color exacto y la eficiencia energética son críticos. La innovación de USTC posiciona a China en la vanguardia de esta emergente industria, contribuyendo con avances científicos significativos y aplicables comercialmente.
