Organisch-anorganische hybride perovskiet-halfgeleiders hebben veel aandacht getrokken vanwege hun uitstekende opto-elektronische eigenschappen en worden veelvuldig gebruikt in zonnecellen, foto-elektrochemische cellen, lasers en lichtemitterende diodes (LED's). Perovskiet-gebaseerde LED's (met name die met CH₃NH₃PbBr₃) zijn de afgelopen tien jaar een veelbelovend onderzoeksgebied geworden. Echter, gevangen toestanden (vooral die aan interfaces) beperken de prestaties en stabiliteit van perovskiet-LED's aanzienlijk. Deze energie-gelokaliseerde toestanden binnen de bandkloof vangen ladingsdragers op en laten ze weer vrij, waardoor de mobiliteit van de ladingsdragers afneemt, niet-radiatieve recombinatie toeneemt en de efficiëntie van het apparaat daalt. Gevangen toestanden in perovskiet-LED's ontstaan voornamelijk door korrelgrenzen, intrinsieke defecten en interacties aan interfaces. Specifieke puntdefecten zoals halogeenvacatures en A-sitevacatures, lood-halogeen-antisites en halogeen-interstitiën kunnen bijvoorbeeld niet-radiatieve verliezen veroorzaken. Halogeenvacatures vormen positief geladen plaatsen, waardoor defecttoestanden in de bandkloof ontstaan. Hierdoor worden elektronen gevangen en gaten geneutraliseerd, wat leidt tot door vallen ondersteunde elektron-gat recombinatie, waardoor de efficiëntie van het apparaat aanzienlijk afneemt.
Wu et al. leverden eerder direct bewijs voor dergelijke vallen in dunne films van methylammoniumloodjodide-perovskiet met behulp van ultraviolette foto-elektronspectroscopie. Omgekeerd kan een overmaat aan halogenen in de omgeving leiden tot de vorming van halogeenrijke oppervlaktelagen, wat resulteert in een zelfpassiverend effect, de excitongeneratie bevordert en de stralingsrecombinatiesnelheid verhoogt. Niet-stralingsrecombinatie met behulp van vallen is een belangrijke factor die leidt tot verlies van lichtrendement, vooral bij lage ladingsdragerdichtheden. Naast het bevorderen van recombinatie kunnen gevangen toestanden ook kanalen vormen voor ionenmigratie, waardoor de prestatievermindering van het apparaat verder wordt verergerd. Een ander groot probleem is de onbalans in de ladingsdragerinjectie in perovskiet-lichtemitterende diodes, wat leidt tot ladingsdrageraccumulatie aan de interface, waardoor niet-stralingsrecombinatie en aanzienlijke lichtdemping worden veroorzaakt. Om dit probleem aan te pakken, is gebleken dat het balanceren van de ladingsdragerbewegelijkheid tussen de elektronentransportlaag en de gatentransportlaag een effectieve strategie is om een evenwichtige ladingsdragerinjectie in perovskiet-lichtemitterende diodes te garanderen. Bovendien verergert de door een elektrisch veld aangedreven ionenmigratie deze problemen, wat leidt tot afwijkend gedrag zoals fotostroomhysterese, stroom-spanningshysterese, schakelbare apparaatpolariteit en een abnormaal hoge statische diëlektrische constante. Ionenmigratie verergert verder de vorming en activering van gevangen toestanden, waardoor hun schadelijke effecten op de apparaatprestaties worden versterkt.
Het onderzoeksteam heeft eerder aangetoond dat passivering met organochloriden (zoals cholinechloride) ionenmigratie effectief kan onderdrukken en het aantal gevangen toestanden in perovskiet-LED's kan verminderen, waardoor de spectrale stabiliteit en de prestaties van het apparaat verbeteren. Recente studies hebben de effectiviteit van defectpassiveringsstrategieën verder bevestigd in het verbeteren van de efficiëntie van apparaten door het verminderen van gevangen toestanden en ionenmigratie. Zo hebben Xu et al. bijvoorbeeld de realisatie van kleurstabiele diepblauwe perovskiet-LED's aangetoond met behulp van organochloride-engineering, waarbij de sleutel lag in de vermindering van gevangen toestanden en ionenmigratie. Op vergelijkbare wijze wezen Yun et al. op de uitdagingen die ionenmigratie en gevangen toestanden vormen voor blauwe cesiumloodbromide-perovskiet-LED's en stelden voor om hydrazinehydrobromide te gebruiken voor compositionele engineering om defectniveaus te beheersen en fononkoppeling te verminderen, waardoor de efficiëntie van het apparaat verbetert. Deze studies richten zich echter voornamelijk op materiaalkunde en onderzoeken niet direct de dynamiek van ladingsdragers aan het grensvlak of analyseren kwantitatief de door vallen ondersteunde recombinatie. Hoewel is aangetoond dat strategieën voor defectpassivering ionenmigratie onderdrukken, moet de impact ervan op de balans van ladingsinjectie nog diepgaand worden onderzocht.
Onderzoekers van de National Cheng Kung University in Taiwan, onder leiding van Tzung-Fang Guo, gebruikten admittantiespectroscopie om de gevangen toestanden, de interfacedynamiek en de ladingsdragerdynamiek van CH₃NH₃PbBr₃-gebaseerde perovskiet-lichtemitterende diodes (LED's) te onderzoeken. Ze onderzochten hoe defectpassivering met cholinechloride de ladingsdragerdynamiek aan de interface verbetert. Deze techniek maakt het mogelijk om het elektrische gedrag van het apparaat te onderzoeken en te onthullen hoe gevangen toestanden de capaciteit, de ladingsdragerinjectie en de recombinatieprocessen beïnvloeden – cruciaal voor het verbeteren van de efficiëntie en stabiliteit van het apparaat. De studie toont aan dat effectieve defectpassivering niet-radiatieve recombinatie significant onderdrukt, ionenmigratie vermindert en zorgt voor een evenwichtigere ladingsinjectie en -transport. Om deze effecten te analyseren, werden spanningsafhankelijke capaciteit, luminantie-capaciteit-spanningsrelaties en frequentieafhankelijke capaciteit afgeleid en geëvalueerd. Deze analyses tonen aan dat gepassiveerde apparaten een lagere valdichtheid, onderdrukte ionenpolarisatie en verbeterde radiatieve recombinatie vertonen, waarmee de verbetering in de dynamiek van de ladingsdragers aan het grensvlak wordt bevestigd. In tegenstelling tot eerdere studies die zich voornamelijk richtten op trends in apparaatprestaties en aanvullende elektrische karakterisering, concentreert dit artikel zich op een diagnostisch analyseproces gebaseerd op admittantiespectroscopie. De analyse werd uitgebreid naar frequentie-opgeloste responsfuncties en bias-gebiedmapping, en de respons van de elektronenval werd duidelijk onderscheiden van de langzamere ionenbijdrage, waardoor een meer mechanistische verklaring wordt geboden voor ladingsaccumulatie, recombinatie en stabiliteit.
