Stanford-Forscher haben die Helligkeit und Effizienz kostengünstiger Perowskit-LEDs verbessert. Ein Nachteil war jedoch, dass diese Lampen innerhalb weniger Minuten durchbrannten. Trotz ihres einfachen Herstellungsprozesses ist es entscheidend, die Einschränkungen in der Atomstruktur der PeLEDs zu beheben. Daher plant das Congreve Lab, die Herausforderungen der PeLEDs bei der Erzeugung von violettem und ultraviolettem Licht anzugehen.
Forschern der Stanford University ist es durch die gezielte Veränderung der Zusammensetzung von Perowskit-LEDs – einer kostengünstigeren und leichter herzustellenden LED-Art – gelungen, die Helligkeit und Effizienz deutlich zu verbessern . Allerdings stießen sie auf ein Problem: Die Lampen funktionierten bereits nach wenigen Minuten nicht mehr.
Forscher testeten eine Methode zur Verbesserung der Helligkeit und Effizienz von Perowskit-LEDs (PeLEDs). Diese stellen eine kostengünstigere und einfacher herzustellende Alternative dar. Der revolutionäre molekulare Zusatzstoff verbessert zwar die LED-Leistung, verkürzt aber gleichzeitig ihre Lebensdauer. Diese Ergebnisse verdeutlichen eindrücklich die notwendigen Kompromisse, die gründlich verstanden werden müssen, um diese Materialklasse weiterzuentwickeln.
Dan Congreve, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Hauptautor der Studie, sagte: „Wir haben wichtige Fortschritte im Verständnis der Ursachen für die Verschlechterung erzielt. Die Frage ist nun, ob wir einen Weg finden können, diese zu verringern und gleichzeitig die Effizienz zu erhalten. Wenn uns das gelingt, können wir meiner Meinung nach wirklich mit der Entwicklung einer tragfähigen kommerziellen Lösung beginnen.“
Perowskit-LEDs sind einzigartig
LEDs wandeln elektrische Energie in Licht um, indem sie einen elektrischen Strom durch ein Halbleitermaterial leiten, das bei Anlegen eines elektrischen Feldes Licht emittiert. Die Herstellung von Halbleitern ist jedoch sowohl aufwendig als auch teuer, insbesondere im Vergleich zu weniger energieeffizienten Beleuchtungsoptionen wie Glüh- und Leuchtstofflampen.
Sebastian Fern×ández , Hauptautor und Doktorand in Congreves Labor, sagte: „Viele dieser Materialien werden auf teuren Oberflächen wie einem vier Zoll großen Saphirsubstrat gezüchtet. Allein der Kauf dieses Substrats kostet mehrere hundert Dollar.“
Perowskit-LEDs (PeLEDs) nutzen einen hochmodernen Halbleiter namens Metallhalogenid-Perowskit , der aus einer harmonischen Mischung verschiedener Elemente besteht. Durch das Aufwachsen von Perowskitkristallen auf Glassubstraten erzielen Ingenieure im Vergleich zu herkömmlichen LEDs erhebliche Kosteneinsparungen . Perowskite lassen sich in Lösung auflösen und auf Glas auftragen, um eine Leuchtschicht zu erzeugen. Dieses Herstellungsverfahren ist deutlich einfacher als bei herkömmlichen LEDs.
Perowskit-LEDs: Erkundung der Möglichkeiten und Einschränkungen.
PeLEDs bieten folgende Vorteile:
- Erhöhen Sie die Rentabilität energieeffizienter Innenbeleuchtung in einem größeren Teil der bebauten Umwelt und senken Sie so den Energieverbrauch.
- PeLEDs besitzen das Potenzial, die Farbreinheit von Smartphone- und TV-Displays zu verbessern.
Um es mit den Worten von Prof. Congreve zu sagen : „Grün ist grüner, Blau ist blauer. Man kann mit dem Gerät buchstäblich mehr Farben sehen.“
Derzeit verlieren viele PeLEDs schnell ihre Helligkeit und sind nicht so energieeffizient wie Standard-LEDs. Dies liegt an Defekten in der Atomstruktur des Perowskit-Materials.
Professor Congreve erklärt: „Eigentlich müsste hier ein Atom sein, aber es ist keins da. Energie wird zwar zugeführt, aber es kommt kein Licht heraus, was die Gesamteffizienz des Geräts beeinträchtigt.“
Helligkeit vs. Langlebigkeit
Um diese Herausforderungen zu bewältigen, erweiterte Fern×ández eine von Congreve und Mahesh Gangishetty , einem angesehenen Chemie-Assistenzprofessor an der Mississippi State University und Mitautor des Forschungsartikels, entwickelte Methode. In Perowskiten findet sich eine beträchtliche Anzahl energieineffizienter Hohlräume, insbesondere in den Bereichen, in denen sich Bleiatome befinden sollten.
Durch den Ersatz von 30 % des Bleis im Perowskit durch Manganatome konnte die Leistung von effizienten PeLEDs mit verkürzter Lebensdauer verbessert werden . Das Team steigerte dadurch die Helligkeit deutlich, erhöhte die Effizienz um fast das Dreifache und verlängerte die Lebensdauer von weniger als einer Minute auf 37 Minuten.
Sebastian Fern×ández sagte: „Blei ist für die Lichtemission dieses Materials extrem wichtig, aber gleichzeitig ist Blei bekanntermaßen giftig. Diese Art von Blei ist zudem wasserlöslich – das heißt, es könnte beispielsweise durch einen Riss in einem Smartphone-Bildschirm austreten. Die Menschen stehen giftiger Technologie skeptisch gegenüber, weshalb ich auch andere Materialien in Betracht gezogen habe.“
Siehe auch : 10 Vorteile von LED-Beleuchtung für die Umwelt
Fortschritte und Hindernisse am Horizont
Ein revolutionärer molekularer Zusatzstoff verbessert zwar die Leistung von LEDs, verkürzt aber deren Lebensdauer. Deshalb ging Fernסndez noch einen Schritt weiter und mischte ein Phosphinoxid namens TFPPO mit dem Perowskitmaterial. Er fügte hinzu: „Ich habe es hinzugefügt und gesehen, wie die Effizienz sprunghaft anstieg.“
Durch die Zugabe des Additivs wurde eine bemerkenswerte Verbesserung erzielt, wodurch die Lampen bis zu fünfmal energieeffizienter wurden als solche, die nur mit Mangan versetzt waren. Darüber hinaus wurde eines der lebendigsten Leuchten erzielt, das jemals bei einer PeLED beobachtet wurde.
Diese Verbesserungen hatten jedoch einen Nachteil : Die Lampen dimmten innerhalb von nur zweieinhalb Minuten auf die Hälfte ihrer maximalen Helligkeit ab . Die Perowskite, die nicht mit TFPPO behandelt wurden , konnten ihre Helligkeit hingegen für beeindruckende 37 Minuten beibehalten.
Den Kompromiss verstehen
Fernסndez plant, verschiedene Phosphinoxid-Zusätze auszuprobieren , um deren unterschiedliche Wirkungen zu beobachten und die Gründe dafür zu verstehen.
Fernסndez sagt: „Dieses Additiv ist hinsichtlich seiner Effizienz eindeutig unglaublich. Um jedoch eine Chance auf die Kommerzialisierung dieses Materials zu haben, müssen seine Auswirkungen auf die Stabilität unterdrückt werden.“
Das Congreve Lab widmet sich der Bewältigung weiterer Herausforderungen von PeLEDs, einschließlich ihrer Unfähigkeit, violettes und ultraviolettes Licht zu erzeugen.
Quelle: Berücksichtigung von Effizienz und Stabilität bei Perowskit-basierten Beleuchtungslösungen
