Mejora del rendimiento de LED de perovskita mediante tratamiento de capa de transporte de huecos PEDOT:PSS con alcoholes de alta polaridad

Resumen

Los diodos emisores de luz de perovskita (PeLED) construidos sobre pila ITO/PEDOT:PSS/CH₃NH₃PbBr₃/TPBi/Ag se benefician sustancialmente de un simple tratamiento por centrifugado de la capa PEDOT:PSS con alcoholes de alta polaridad. El tratamiento con metanol (MeOH) eleva la luminancia máxima a 2075 cd m⁻² y la eficiencia de corriente a 0,38 cd A⁻¹, superando dispositivos sin tratar (261 cd m⁻², 0,10 cd A⁻¹). La mejora proviene de dos efectos sinérgicos: (1) inyección de huecos mejorada debido a mayor conductividad del PEDOT:PSS, y (2) cristalinidad y cobertura de MAPbBr₃ mejoradas impulsadas por mayor energía superficial de la capa tratada. Este método sencillo ofrece una ruta escalable a PeLED de alto rendimiento.

Antecedentes

Las perovskitas híbridas combinan bajo coste, procesabilidad en solución, alta movilidad de portadores y bandas prohibidas ajustables, haciéndolas atractivas para aplicaciones de visualización e iluminación de estado sólido. Su estrecho ancho a media altura (FWHM) y alto rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY) las posicionan favorablemente frente a LEDs orgánicos, permitiendo fabricación roll-to-roll y complejidad de manufactura reducida.

Desde el primer PeLED procesado en solución reportado en 2014, los hitos de rendimiento han aumentado dramáticamente: de 364 cd m⁻² luminancia y 0,1 % EQE, a 42,9 cd A⁻¹ eficiencia de corriente via optimización de precursores, a 11,7 % EQE usando pozos cuánticos auto-organizados, y 92 % PLQY logrados incorporando polímeros de baja constante dieléctrica.

La arquitectura de dispositivo típicamente sigue ánodo/HTL/Capa emisora/ETL/cátodo. PEDOT:PSS es la HTL más común debido a su transparencia y compatibilidad con solución, sin embargo su alta barrera de inyección de huecos (0,4–0,7 eV) relativa al HOMO de perovskita (5,6–5,9 eV) limita el balance de carga. Estrategias convencionales de reducción de barrera involucran dopar PEDOT:PSS con ionómeros perfluorados o MoO₃, que aunque efectivos, complican la fabricación a gran escala.

Este estudio introduce un enfoque sin dopaje: centrifugado de alcoholes de alta polaridad sobre PEDOT:PSS previo al recocido. Aprovechando la polaridad del disolvente para apantar interacciones Coulombianas PEDOT/PSS, removemos selectivamente PSS aislante y aumentamos conductividad de PEDOT, mientras simultáneamente mejoramos la energía superficial que promueve granos MAPbBr₃ más finos y bien cubiertos.

Métodos

Estructura del Dispositivo – ITO (15 Ω sq⁻¹)/PEDOT:PSS (70 nm)/MAPbBr₃ (70 nm)/TPBi (40 nm)/Ag (100 nm). ITO y Ag sirven como ánodo y cátodo respectivamente.

Preparación del Sustrato – Obleas ITO limpiadas secuencialmente en detergente, acetona, agua desionizada e IPA (15 min cada) en baño ultrasónico, seguido de 15 min plasma de O₂.

Tratamiento PEDOT:PSS – Centrifugado 5000 rpm por 60 s. Muestras control se recocieron a 120 °C por 20 min sin disolvente. Muestras experimentales recibieron 30 s centrifugado de MeOH, EtOH o IPA a 5000 rpm, luego recocidas bajo mismas condiciones.

Capa Perovskita – 5 % en peso MAPbBr₃ en DMF, centrifugado 500 rpm/20 s y 3000 rpm/60 s con gota de 400 µL clorobenceno a 40 s. Recocido a 100 °C por 10 min.

ETL y Cátodo – 40 nm TPBi evaporado, luego 100 nm Ag depositado en alto vacío. Área activa: 0,2 cm².

Medidas eléctricas y ópticas emplearon fuente Keithley 4200, espectrofotómetro OPT‑2000 y sonda de cuatro puntas para conductividad. Morfología examinada vía AFM y SEM; cristalinidad vía XRD; fotoluminiscencia resuelta en tiempo (TRPL) usó láser pulsado 368 nm con FL‑TCSPC.

Resultados y Discusión

Rendimiento del Dispositivo

La Figura 2 ilustra la luminancia, densidad de corriente y eficiencia de corriente de dispositivos con PEDOT:PSS sin tratar y tratado con alcoholes. El tratamiento MeOH produce luminancia máxima de 2075 cd m⁻² y eficiencia de corriente de 0,38 cd A⁻¹, comparado con 261 cd m⁻² y 0,10 cd A⁻¹ para dispositivos sin tratar. Tratamientos EtOH e IPA proveen mejoras intermedias (1166 cd m⁻², 0,16 cd A⁻¹; 863 cd m⁻², 0,22 cd A⁻¹ respectivamente), confirmando efecto dependiente de polaridad.

Los espectros de electroluminiscencia permanecen centrados a 532 nm con FWHM 27 nm en todos los dispositivos, indicando que la emisión proviene únicamente de MAPbBr₃.

Conductividad y Morfología de PEDOT:PSS

Medidas de conductividad muestran aumento claro con polaridad del disolvente: sin tratar (0,1 S cm⁻¹), IPA (230,2 S cm⁻¹), EtOH (327,5 S cm⁻¹) y MeOH (605,0 S cm⁻¹). Correspondientemente, el espesor de película disminuye de 40 nm (sin tratar) a 27–35 nm tras tratamiento, reflejando remoción de PSS.

AFM revela superficies más lisas: rugosidad RMS cae de 2,53 nm (sin tratar) a 0,90–1,97 nm (tratado), con MeOH proveyendo morfología más uniforme. Medidas en dispositivos solo-huecos confirman mayor densidad de corriente para películas tratadas con MeOH, demostrando inyección de huecos mejorada.

Cristalización y Morfología de MAPbBr₃

AFM de la capa perovskita muestra rugosidad RMS reducida (46,2 nm a 38,2–39,5 nm) y tamaños de grano menores (328 nm a 232–273 nm) tras tratamiento, especialmente con MeOH. SEM confirma mayor cobertura superficial (24,95 % → 37,34 %) y distribución de grano más fina.

Patrones XRD exhiben picos agudos (100) y (200) a 14,602° y 29,845°, inalterados por tratamiento, indicando estructura cristalina cúbica preservada. El decaimiento TRPL se acorta tras tratamiento MeOH, significando mayor eficiencia de recombinación radiativa.

Conclusiones

El centrifugado de alcoholes de alta polaridad sobre PEDOT:PSS antes del recocido mejora marcadamente el rendimiento de PeLED. El tratamiento con metanol entrega los mejores resultados, logrando 2075 cd m⁻² luminancia y 0,38 cd A⁻¹ eficiencia de corriente. Los beneficios duales —inyección de huecos mejorada through mayor conductividad de PEDOT y cristalización de perovskita mejorada via mayor energía superficial— destacan este enfoque como ruta escalable e industrialmente amigable a PeLED de alto brillo.