Przełom w Stanford ma swoją cenę

Dodatek molekularny ulepsza diody LED nowej generacji, ale skraca ich żywotność

Manipulując składem fizycznym perowskitowych diod LED, tańszego i łatwiejszego w produkcji typu diod LED, badacze ze Stanford dokonali skoku w zakresie jasności i wydajności, ale zauważyli, że ich światła gasną po kilku minutach użytkowania.

Ekran, na którym czytasz, prawdopodobnie świeci dzięki diodom elektroluminescencyjnym, powszechnie znanym jako diody LED. Ta wszechobecna technologia zapewnia energooszczędne oświetlenie wnętrz i coraz częściej oświetla ekrany komputerów, telewizorów i ekranów smartfonów. Niestety wymaga to również stosunkowo żmudnego i kosztownego procesu produkcyjnego.

Dążenie Uniwersytetu Stanforda do niedrogiego i wydajnego oświetlenia

Mając nadzieję zaradzić temu niedociągnięciu, naukowcy z Uniwersytetu Stanforda przetestowali metodę zwiększającą jasność i wydajność perowskitowych diod LED, czyli PeLED, tańszych i łatwiejszych w produkcji alternatyw. Jednak wprowadzone w nim ulepszenia spowodowały zgaszenie świateł w ciągu kilku minut, ukazując subtelne kompromisy, które należy wziąć pod uwagę, aby opracować tę klasę materiałów.

„Poczyniliśmy duże postępy w kierunku zrozumienia, dlaczego ulega degradacji. Pytanie brzmi: czy możemy znaleźć sposób, aby to złagodzić, zachowując jednocześnie wydajność?, mówi Dan Congreve, profesor nadzwyczajny elektrotechniki i starszy autor artykułu, który został opublikowany na początku tego miesiąca w czasopiśmie urządzenie. „Jeśli nam się to uda, myślę, że naprawdę możemy zacząć pracować nad realnym rozwiązaniem komercyjnym”.

W laboratorium Congreve świeci osiem zielonych perowskitowych diod LED domieszkowanych manganem, gdy badacze przepuszczają przez nie prąd elektryczny. Źródło: Sebastian Fernandez/Uniwersytet Stanforda

Co wyróżnia diody perowskitowe?

Mówiąc prościej, diody LED przekształcają energię elektryczną w światło, przepuszczając prąd elektryczny przez warstwy półprzewodnikowe krystalicznego materiału emitującego światło pod przyłożonym polem elektrycznym. Ale stwórz je Półprzewodniki Stają się one złożone i kosztowne w porównaniu z mniej energooszczędnymi lampami, takimi jak lampy żarowe i fluorescencyjne.

„Wiele z tych materiałów hoduje się na bardzo drogich powierzchniach, takich jak podłoże szafirowe o średnicy czterech cali” – mówi Sebastian Fernandez, doktorant w laboratorium Congreve i główny autor artykułu. „Samo zakup tego podłoża kosztuje kilkaset dolarów”.

W diodach PeLED zastosowano półprzewodnik znany jako perowskit metalohalogenkowy, który składa się z mieszaniny różnych pierwiastków. Inżynierowie mogą hodować kryształy perowskitu na podłożach szklanych, oszczędzając znaczną ilość w porównaniu ze zwykłymi diodami LED. Mogą również rozpuścić perowskit w roztworze i „powlec” go na szkło, tworząc powłokę emitującą światło, co jest prostszym procesem produkcyjnym niż wymagają tego standardowe diody LED.

Zastosowania i ograniczenia lamp perowskitowych

Dzięki tym zaletom możliwe jest energooszczędne oświetlenie wewnętrzne w większej części środowiska zabudowanego, zmniejszając zapotrzebowanie na energię. PeLEDs mogą także zwiększyć czystość kolorów ekranów smartfonów i telewizorów. „Zielony jest bardziej zielony, niebieski jest bardziej niebieski” – mówi Congreve. „Dosłownie widać więcej kolorów na urządzeniu”.

Jednak większość współczesnych diod PeLED blaknie już po kilku godzinach. Często nie dorównują one efektywności energetycznej standardowym diodom LED ze względu na przypadkowe luki w strukturze atomowej perowskitów, zwane defektami. „Musi być kukurydza „Tutaj, ale nie tam” – wyjaśnia Congreve. „Zasilanie dociera do tego miejsca, ale światło nie gaśnie, co negatywnie wpływa na ogólną wydajność urządzenia”.

Jasność a trwałość

Aby złagodzić te problemy, Fernandez oparł się na technice zademonstrowanej po raz pierwszy przez Congreve’a i Mahesha Gangishettiego, adiunkta chemii na Uniwersytecie Stanowym Mississippi i współautora artykułu. W perowskitach występuje wiele luk marnujących energię, tam gdzie powinny znajdować się atomy ołowiu. Zastępując 30 procent perowskitu ołowiowego atomami manganu, co pomaga wypełnić te luki, zespół był w stanie podwoić jasność swoich diod PeLED, prawie potroić ich wydajność i wydłużyć żywotność świateł z mniej niż jednej minuty do 37 minuty.

Technologia ta może również powodować przesuwanie igły pod względem zagrożeń dla zdrowia. „Ołów jest bardzo ważny dla emisji światła w tym materiale, ale jednocześnie wiadomo, że jest toksyczny” – mówi Fernandez. Ołów tego typu jest również rozpuszczalny w wodzie, co oznacza, że ​​może przedostać się np. przez pęknięty ekran smartfona. „Ludzie są podejrzliwi wobec toksycznej technologii komercyjnej, dlatego też zacząłem rozważać inne materiały”.

Więcej zmian i wyzwań

Ale Fernandez poszedł dalej, mieszając tlenek fosfiny zwany TFPPO w perowskitach. „Dodałem to i zauważyłem, że wydajność wzrosła” – mówi. Dodatek sprawił, że światła były nawet pięciokrotnie bardziej energooszczędne niż te z dodatkiem manganu i wydobyły jeden z najjaśniejszych blasków ze wszystkich zarejestrowanych do tej pory urządzeń PeLED.

Jednak korzyści miały też wadę: światła przygasły do ​​połowy maksymalnej jasności w ciągu zaledwie dwóch i pół minuty. (Z drugiej strony perowskit, który nie został poddany działaniu TFPPO, był wersją, która zachowała swoją jasność przez 37 minut.)

Zrozumienie kompromisu

Fernandez uważa, że ​​z czasem konwersja energii elektrycznej na światło w diodach PeLED z TFPPO staje się mniej wydajna niż w diodach bez TFPPO, głównie ze względu na zwiększone bariery w transporcie ładunku w PeLED. Zespół sugeruje również, że chociaż TFPPO początkowo wypełnia pewne luki w strukturze atomowej perowskitów, luki te szybko się otwierają, powodując niską efektywność energetyczną i trwałość.

W przyszłości Fernandez ma nadzieję wypróbować różne dodatki w postaci tlenku fosfiny, aby sprawdzić, czy prowadzą one do różnych efektów i dlaczego.

„Oczywiście ten dodatek jest niesamowity pod względem wydajności” – mówi Fernandez. „Aby jednak była jakakolwiek nadzieja na komercjalizację tej substancji, należy stłumić jej wpływ na stabilność”.

Laboratorium Congreve pracuje również nad wyeliminowaniem innych ograniczeń PeLED, takich jak trudności w wytwarzaniu światła ultrafioletowego i fioletowego. winnym niedawny artykuł w dzienniku Temat Prowadzone przez doktoranta Manchena Hu (jest także współautorem książki urządzenie papier) zespół odkrył, że dodając wodę do roztworu, w którym tworzą się kryształy perowskitu, można wyprodukować diody PeLED pięciokrotnie wydajniej emitujące jasne fioletowe światło. Dzięki dalszym ulepszeniom lampy UV PeLED mogą sterylizować sprzęt medyczny, oczyszczać wodę i pomagać w uprawie roślin w pomieszczeniach zamkniętych – a wszystko to przy niższych kosztach, niż pozwalają na to obecne diody LED.

Odniesienie:Kompromis pomiędzy wydajnością i stabilnością manganu²⁺Diody elektroluminescencyjne z perowskitów”, Sebastian Fernandez, William Michaels, Manchin Ho, Purnima Narayanan, Natalia Morita, Arin O’Gallegos, Ghada H. Ahmed, Johnroy Liu, Mahesh K. Gangeshetti i Daniel N. Congreve, 1 sierpnia , 2023., urządzenie.
doi: 10.1016/j.device.2023.100017

Dodatkowymi współautorami tego artykułu ze Stanford są student studiów licencjackich William Michaels, student studiów magisterskich Purnima Narayanan, studentka studiów licencjackich Natalia Morita, studentka studiów magisterskich Erin Gallegos, badacz ze stopniem doktora Ghada Ahmed i absolwent Junroy Liu.

Badanie to zostało sfinansowane przez Akademickie Stowarzyszenie Dywersyfikacji, Doskonałość Zatrudnienia (DARE), Departament Energii USA, Stanford Graduate Fellowships in Science and Engineering (P. Michael Farmwald Fellow, Gabilan Fellow, Scott A. i Geraldine D. Macomber Fellow) oraz Konsorcjum GEM National, Wydział Inżynierii Elektrycznej Stanforda i Narodowa Fundacja Nauki. Część tych prac wykonano w Stanford Nano Shared Facilities przy wsparciu National Science Foundation.