I semiconduttori ibridi organico-inorganico a base di perovskite hanno attirato molta attenzione grazie alle loro eccellenti proprietà optoelettroniche e sono ampiamente utilizzati in celle solari, celle fotoelettrochimiche, laser e diodi a emissione luminosa (LED). Tra questi, i LED a base di perovskite (in particolare quelli che utilizzano CH₃NH₃PbBr₃) sono diventati un'area di ricerca molto promettente nell'ultimo decennio. Tuttavia, gli stati intrappolati (soprattutto quelli alle interfacce) limitano gravemente le prestazioni e la stabilità dei LED a base di perovskite. Questi stati localizzati energeticamente all'interno del band gap intrappolano e rilasciano i portatori di carica, riducendo così la mobilità dei portatori, aumentando la ricombinazione non radiativa e portando a una diminuzione dell'efficienza del dispositivo. Gli stati intrappolati nei LED a base di perovskite hanno origine principalmente dai bordi di grano, dai difetti intrinseci e dalle interazioni di interfaccia. Ad esempio, difetti puntiformi specifici come le vacanze di alogeno e le vacanze del sito A, gli antisiti piombo-alogeno e gli interstizi di alogeno possono causare perdite non radiative. Le lacune degli alogeni formano siti caricati positivamente, introducendo stati difettosi nel gap di banda, intrappolando così gli elettroni e neutralizzando le lacune, portando alla ricombinazione elettrone-lacuna assistita dalla trappola, che riduce significativamente l'efficienza del dispositivo.
Wu et al. hanno precedentemente fornito prove dirette di tali trappole in film sottili di perovskite di ioduro di piombo e metilammonio utilizzando la spettroscopia fotoelettronica ultravioletta. Al contrario, un eccesso di alogeni nell'ambiente può portare alla formazione di strati superficiali ricchi di alogeni, con conseguente effetto di auto-passivazione, promozione della generazione di eccitoni e aumento del tasso di ricombinazione radiativa. La ricombinazione non radiativa assistita dalle trappole è un fattore importante che porta alla perdita di efficienza luminosa, soprattutto a basse densità di portatori. Oltre a promuovere la ricombinazione, gli stati intrappolati possono anche diventare canali per la migrazione di ioni, aggravando ulteriormente il degrado delle prestazioni del dispositivo. Un altro problema importante è lo squilibrio nell'iniezione di portatori nei diodi a emissione luminosa perovskite, che porta all'accumulo di portatori all'interfaccia, innescando la ricombinazione non radiativa e un significativo quenching luminoso. Per affrontare questo problema, bilanciare la mobilità dei portatori tra lo strato di trasporto degli elettroni e lo strato di trasporto delle lacune si è dimostrata una strategia efficace per garantire un'iniezione bilanciata dei portatori all'interno dei diodi a emissione luminosa perovskiti. Inoltre, la migrazione ionica indotta dal campo elettrico aggrava queste sfide, portando a comportamenti anomali come l'isteresi fotocorrente, l'isteresi corrente-tensione, la polarità commutabile del dispositivo e una costante dielettrica statica anormalmente elevata. La migrazione ionica aggrava ulteriormente la formazione e l'attivazione di stati intrappolati, amplificandone gli effetti negativi sulle prestazioni del dispositivo.
Il team di ricerca ha precedentemente dimostrato che la passivazione mediante organocloruri (come il cloruro di colina) può sopprimere efficacemente la migrazione ionica e ridurre gli stati intrappolati nei LED a perovskite, migliorando così la stabilità spettrale e le prestazioni del dispositivo. Studi recenti hanno ulteriormente confermato l'efficacia delle strategie di passivazione dei difetti nel migliorare l'efficienza del dispositivo riducendo gli stati intrappolati e la migrazione ionica. Ad esempio, Xu et al. hanno dimostrato la realizzazione di LED a perovskite blu intenso stabili nel colore utilizzando l'ingegneria degli organocloruri, la cui chiave è la riduzione degli stati intrappolati e della migrazione ionica. Analogamente, Yun et al. hanno evidenziato le sfide poste dalla migrazione ionica e dagli stati intrappolati nei LED a perovskite blu al bromuro di cesio e piombo e hanno proposto l'utilizzo di bromidrato di idrazina per l'ingegneria compositiva al fine di controllare i livelli di difetto e ridurre l'accoppiamento fononico, migliorando così l'efficienza del dispositivo. Tuttavia, questi studi si concentrano principalmente sull'ingegneria dei materiali e non esplorano direttamente la dinamica dei portatori interfacciali né analizzano quantitativamente la ricombinazione assistita da trappola. Inoltre, sebbene sia stato dimostrato che le strategie di passivazione dei difetti sopprimono la migrazione degli ioni, il loro impatto sul bilancio dell'iniezione di carica deve ancora essere esplorato in profondità.
I ricercatori della National Cheng Kung University di Taiwan, guidati da Tzung-Fang Guo, hanno utilizzato la spettroscopia di ammettenza per studiare gli stati intrappolati, la dinamica dell'interfaccia e la dinamica dei portatori di diodi a emissione di luce (LED) perovskiti a base di CH₃NH₃PbBr₃, esplorando come la passivazione dei difetti con cloruro di colina migliori la dinamica dei portatori interfacciali. Questa tecnica consente di studiare il comportamento elettrico del dispositivo, rivelando come gli stati intrappolati influenzino i processi di capacità, iniezione dei portatori e ricombinazione, cruciali per migliorare l'efficienza e la stabilità del dispositivo. Lo studio dimostra che un'efficace passivazione dei difetti sopprime significativamente la ricombinazione non radiativa, mitiga la migrazione degli ioni e garantisce un'iniezione e un trasporto di carica più equilibrati. Per analizzare questi effetti, sono state derivate e valutate la capacità dipendente dalla tensione, le relazioni luminanza-capacità-tensione e la capacità dipendente dalla frequenza. Queste analisi mostrano che i dispositivi passivati presentano una ridotta densità di trappola, una polarizzazione ionica soppressa e una migliore ricombinazione radiativa, confermando così il miglioramento nella dinamica dei portatori interfacciali. Rispetto a studi precedenti che si concentravano principalmente sulle tendenze prestazionali dei dispositivi e sulla caratterizzazione elettrica supplementare, questo articolo si concentra su un processo di analisi diagnostica basato sulla spettroscopia di ammettenza. L'analisi è stata estesa alle funzioni di risposta risolte in frequenza e alle mappature delle regioni di polarizzazione, e la risposta della trappola elettronica è stata chiaramente distinta dal contributo ionico più lento, fornendo così una spiegazione più meccanicistica per l'accumulo di carica, la ricombinazione e la stabilità.
