LED Quantistici Tandem Faccia a Faccia: Efficienza Record e Funzioni Incredibili!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che sta letteralmente illuminando il futuro della tecnologia dei display e dell’illuminazione: i LED a punti quantici, o QLED. Sicuramente ne avrete sentito parlare. Con i loro colori super saturi, spettri di emissione regolabili e la possibilità di essere prodotti con processi a soluzione (più semplici ed economici), i QLED sono pronti a diventare i protagonisti della prossima generazione di schermi e luci. Il potenziale di mercato? Enorme!

Negli ultimi anni, noi ricercatori abbiamo spinto al massimo le prestazioni dei QLED singoli, avvicinandoci ai limiti teorici di efficienza quantica esterna (EQE), che misura quanti fotoni vengono emessi per ogni elettrone iniettato. Pensate che l’efficienza di estrazione della luce (OCE) di un QLED piatto è tipicamente limitata al 20-40%, ma siamo riusciti a raggiungere EQE notevoli anche senza strutture aggiuntive per estrarre più luce. Nel nostro lavoro precedente, ad esempio, abbiamo ottenuto un QLED rosso a emissione dall’alto (top-emitting, TE) con un EQE del 37.5%!

Ma come superare questi limiti? La risposta è la struttura tandem. Immaginate di impilare due o più unità luminose (LEU) una sopra l’altra, collegate da uno strato intermedio (ICL). In teoria, in una struttura tandem con due LEU collegate in serie, un singolo elettrone può generare due fotoni! Questo significa raddoppiare luminosità, efficienza di corrente (CE) ed EQE rispetto a un dispositivo normale. Il vantaggio? Si può ottenere un’alta luminosità con una corrente molto più bassa, prolungando significativamente la vita del dispositivo. Con i migliori QLED singoli che superano il 30% di EQE, ci aspetteremmo che i tandem superino il 60%. Eppure, finora, il record riportato era solo del 49%. Perché?

Le Sfide dei QLED Tandem Tradizionali

Realizzare QLED tandem processati in soluzione è una vera sfida tecnica. I problemi principali sono:

• Bassa Efficienza di Estrazione della Luce (OCE): Le strutture tandem hanno molti strati funzionali con indici di rifrazione diversi. Questo complica la propagazione della luce. Inoltre, le due unità emettitrici sono a diverse profondità, e ottimizzare l’OCE per entrambe contemporaneamente è difficile. Risultato: l’OCE non raddoppia come ci si aspetterebbe.
• Strato Interconnettente (ICL) Inefficiente: Trovare un ICL stabile ed efficiente, processabile in soluzione, che colleghi perfettamente le due LEU è complicato. Molti dispositivi tandem soffrono di tensioni di pilotaggio troppo alte, iniezione sbilanciata di portatori di carica e degrado rapido.
• Danni da Solvente: La fabbricazione di QLED tandem richiede molteplici passaggi di deposizione da soluzione (spin-casting) e trattamenti termici ad alta temperatura. Questi processi possono danneggiare gli strati sottostanti, peggiorando le prestazioni. Per evitarlo, bisogna scegliere attentamente solventi “ortogonali” (che non sciolgano gli strati precedenti), limitando la scelta dei materiali e la struttura del dispositivo.

Già nel 2017, il nostro gruppo aveva riportato il primo QLED tandem processato in soluzione, ma le prestazioni erano lontane dai valori teorici. Per aggirare il problema dei solventi, molti QLED tandem ad alte prestazioni usano strutture “invertite” dove alcuni strati sono depositati per evaporazione sotto vuoto, un processo non compatibile con la produzione a basso costo basata su soluzioni. Inoltre, queste strutture invertite spesso mostrano tensioni di accensione elevate e bassa efficienza energetica. Insomma, c’era un enorme margine di miglioramento.

La Nostra Soluzione: Integrazione Faccia a Faccia!

Ecco dove entra in gioco la nostra idea: un QLED tandem ad alte prestazioni realizzato integrando “faccia a faccia” un QLED a emissione dall’alto (TE) con un QLED trasparente (TR). Come funziona? Semplice ed elegante: fabbrichiamo indipendentemente il QLED TE sul suo substrato e il QLED TR sul suo. Poi, li assembliamo faccia a faccia e li incapsuliamo l’uno con l’altro.

I vantaggi sono enormi:

• Niente Danni da Solvente: Poiché le due unità sono fabbricate separatamente, evitiamo completamente i danni causati dai processi multipli in soluzione.
• Connessione Elettrica Stabile: Le unità sono collegate fisicamente tramite i loro elettrodi, garantendo una connessione stabile e superando i problemi di degrado legati agli ICL inefficienti dei tandem convenzionali.
• Controllo Indipendente e Multifunzionalità: Grazie all’approccio a doppio substrato, possiamo controllare le due unità indipendentemente. Questo permette al nostro QLED tandem di operare in diverse modalità: serie, parallelo e a colore variabile.
• Ottimizzazione Ottica: Abbiamo progettato attentamente le cavità ottiche. L’unità superiore (TR) ha un’alta trasmittanza (~95%) e quella inferiore (TE) un’alta riflettanza (~95%), riducendo le perdite di luce. L’OCE totale (75.9%) è paragonabile a quella dei tandem convenzionali (77.2%), ma senza i loro svantaggi!

Le prestazioni che abbiamo ottenuto sono davvero notevoli, superando di gran lunga i tandem convenzionali e aprendo la strada a QLED con prestazioni elevate e multifunzionalità. Vediamo nel dettaglio.

Modalità Serie: Efficienza da Record!

Quando colleghiamo le due unità in serie, la luminosità a parità di corrente è molto più alta rispetto ai dispositivi singoli. Questo porta a miglioramenti incredibili in CE, EQE e durata. La cosa più impressionante? Abbiamo ottenuto una tensione di accensione (VT) ultra-bassa di soli 3.3 V, circa la somma delle VT delle singole unità. Questo significa nessuna perdita di tensione nella connessione, ed è la VT più bassa mai riportata per un dispositivo tandem!

Ma il dato che fa davvero scalpore è l’efficienza quantica esterna (EQE): abbiamo raggiunto un incredibile 60.7%! Questo è un record assoluto, con l’unità inferiore che contribuisce per il 36.2% e quella superiore per il 24.5%. Anche l’efficienza energetica (PE) è da primato, raggiungendo 48.3 lm/W, e l’efficienza di corrente (CE) tocca i 97.1 cd/A⁻¹. In pratica, per ottenere 100.000 cd/m⁻² di luminosità, il nostro dispositivo in serie consuma quasi la metà della corrente rispetto agli altri. Questo, come vedremo, è fondamentale per la durata.

Modalità Parallelo: Luminosità Mai Vista Prima!

Se invece colleghiamo le unità in parallelo, otteniamo una corrente più alta alla stessa tensione, permettendo di raggiungere luminosità estreme a basse tensioni di pilotaggio. Per spingerci oltre, abbiamo usato substrati ad alta conducibilità termica (Silicio e Zaffiro invece del vetro) per dissipare meglio il calore generato ad alte correnti (effetto Joule). Questo è cruciale, perché il calore può causare cali di efficienza e degrado.

Grazie a questa gestione termica, i nostri dispositivi possono operare a correnti elevatissime. In modalità parallelo, abbiamo raggiunto una luminosità sbalorditiva di oltre 4.8 milioni di cd/m⁻²! È il valore più alto riportato fino ad oggi per i QLED. L’EQE in parallelo è la media delle due unità, raggiungendo un ottimo 27.1%. Anche il calo di efficienza ad alte correnti (“efficiency roll-off”) è significativamente ridotto.

Ma non ci siamo fermati qui. Pilotando il dispositivo con impulsi di corrente (con pause per dissipare il calore), abbiamo superato i 1200 A/cm⁻² di densità di corrente di picco, raggiungendo una luminosità superiore a 10 milioni di cd/m⁻²! Questo apre applicazioni come sorgenti di pompaggio ottico per laser. Immaginate: una luminosità di 7000 cd/m⁻² a soli 2.8 V!

Stabilità e Durata: Una Promessa Mantenuta

Uno dei grandi vantaggi attesi dalle strutture tandem è una maggiore durata. Ebbene, i nostri test lo confermano pienamente. Sia la connessione in serie che quella in parallelo migliorano la vita operativa del dispositivo. Abbiamo misurato la T95 (il tempo necessario affinché la luminosità scenda al 95% del valore iniziale) a una luminosità iniziale di 1000 cd/m⁻². I risultati?

• Dispositivo TE di controllo: 10.509 ore
• Dispositivo Tandem in Serie: 28.668 ore
• Dispositivo Tandem in Parallelo: 30.586 ore

Parliamo di un miglioramento di quasi 2.8 volte rispetto ai dispositivi di controllo! Questo incredibile aumento di stabilità è dovuto alla connessione efficiente e conduttiva tra le unità e all’eliminazione dei danni legati ai processi di fabbricazione tradizionali.

Modalità Colore Variabile: Un Arcobaleno a Comando

La nostra struttura tandem face-to-face apre anche la porta a QLED con colore regolabile in modo semplice ed efficiente. Immaginate di integrare un’unità blu superiore con un’unità inferiore che è a sua volta un tandem composto da un QLED rosso e uno verde. Estraendo tutti gli elettrodi, possiamo controllare indipendentemente le unità rossa (R), verde (G) e blu (B).

Questo ci permette di ottenere QLED full-color, dove possiamo regolare separatamente colore, luminosità e temperatura del colore. Il range di colori che possiamo coprire è enorme, raggiungendo il 114% dello standard NTSC. Possiamo creare qualsiasi colore all’interno del triangolo definito dalle emissioni R/G/B, inclusi bianco a diverse temperature di colore, colori primari e complementari (ciano, magenta, giallo). Basta regolare le tensioni applicate a ciascuna unità. Questo è estremamente attraente per applicazioni di illuminazione decorativa e colorata.

Conclusioni e Prospettive Future

In sintesi, abbiamo sviluppato un QLED tandem multifunzionale e ad altissime prestazioni integrando faccia a faccia un dispositivo TE e uno TR. Questa architettura supera i limiti dei tandem convenzionali, offrendo:

• Fabbricazione semplice e compatibile con processi a soluzione.
• Eliminazione dei danni da solvente.
• Interconnessione efficiente e conduttiva.
• Controllo indipendente delle unità per multifunzionalità (serie, parallelo, colore variabile).
• Efficienza record (EQE 60.7% in serie).
• Luminosità estrema (oltre 4.8M cd/m⁻² in parallelo).
• Durata eccezionale (T95 quasi 30.000 ore a 1000 cd/m⁻²).
• Ampia gamma di colori regolabili (114% NTSC).

Questo lavoro offre una soluzione concreta per realizzare QLED tandem multifunzionali con vantaggi enormi in termini di efficienza, luminosità, durata e versatilità cromatica. Le applicazioni possibili sono vastissime: dall’illuminazione generale ai display di nuova generazione, dal pompaggio laser alla terapia luminosa indossabile. Credo davvero che questa tecnologia rappresenti un passo avanti significativo e non vedo l’ora di vedere dove ci porterà!

Fonte: Springer