Stanford-onderzoekers hebben de helderheid en efficiëntie van betaalbare perovskiet-LED's verbeterd. Er ontstond echter een tegenslag toen deze lampen binnen enkele minuten na gebruik snel doorbrandden. Het aanpakken van beperkingen in de atomaire structuur van PeLED's is cruciaal, ondanks hun eenvoudige productieproces. Daarom is Congreve Lab van plan om de uitdagingen van PeLED's met het genereren van violet en ultraviolet licht aan te pakken.
Onderzoekers van Stanford hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van helderheid en efficiëntie door de samenstelling van perovskiet-leds te manipuleren . Dit is een betaalbaarder en gemakkelijker te produceren type led. Ze stuitten echter op een tegenslag: de lampen hielden er na slechts enkele minuten gebruik mee op.
Onderzoekers hebben een methode getest om de helderheid en efficiëntie van perovskiet-leds, ofwel PeLEDs, te verbeteren. Deze leds vormen een goedkoper en eenvoudiger te produceren alternatief, maar dit revolutionaire moleculaire additief verbetert de leds weliswaar, maar verkort de levensduur. Deze resultaten benadrukken de noodzakelijke afwegingen die zorgvuldig moeten worden gemaakt om deze specifieke materiaalklasse verder te ontwikkelen.
Dan Congreve , universitair docent elektrotechniek en hoofdauteur van het artikel, zei: "We hebben grote stappen gezet om te begrijpen waarom de prestaties achteruitgaan. De vraag is nu: kunnen we een manier vinden om dat te verminderen en tegelijkertijd de efficiëntie te behouden? Als we dat voor elkaar krijgen, denk ik dat we echt kunnen beginnen met het ontwikkelen van een haalbare commerciële oplossing."
Perovskiet-LED's zijn uniek
LED's zetten elektrische energie om in licht door een elektrische stroom door een halfgeleidermateriaal te leiden dat licht uitzendt wanneer er een elektrisch veld op wordt aangelegd. Het productieproces van halfgeleiders is echter complex en kostbaar, vooral in vergelijking met minder energiezuinige verlichtingsopties zoals gloeilampen en tl-lampen.
Sebastian Fernández , hoofdauteur en promovendus in het laboratorium van Congreve, zei: "Veel van deze materialen worden gekweekt op dure oppervlakken zoals een saffiersubstraat van tien centimeter. Alleen al de aanschaf van zo'n substraat kost een paar honderd dollar."
PeLEDs maken gebruik van een geavanceerde halfgeleider genaamd metaalhalide-perovskieten , die bestaat uit een harmonieuze mix van verschillende elementen. Door perovskietkristallen op glazen substraten te kweken, kunnen ingenieurs aanzienlijke kostenbesparingen realiseren in vergelijking met traditionele LED's. Perovskieten kunnen in een oplossing worden opgelost en op glas worden aangebracht om een lichtemitterende laag te creëren. Dit is een eenvoudiger productieproces dan dat van reguliere LED's.
Perovskiet-LED's: mogelijkheden en beperkingen verkennen.
PeLEDs bieden de volgende voordelen:
- Vergroot de haalbaarheid van energiezuinige binnenverlichting in een groter deel van de bebouwde omgeving en verlaag zo het energieverbruik.
- PeLED's kunnen de kleurzuiverheid van smartphone- en tv-schermen verbeteren.
Professor Congreve verwoordde het als volgt: "Groen is groener, blauw is blauwer. Je kunt letterlijk meer kleuren zien op het apparaat."
Momenteel verliezen veel PeLED's snel hun helderheid en zijn ze niet zo energiezuinig als standaard LED's. Dit komt door defecten in de atomaire structuur van het perovskietmateriaal.
Professor Congreve legt uit: "Er zou hier een atoom moeten zijn, maar dat is er niet. Er gaat energie naartoe, maar er komt geen licht uit, dus dat schaadt de algehele efficiëntie van het apparaat."
Helderheid versus levensduur
Om deze uitdagingen aan te pakken, bouwde Fernández voort op een methode die was ontwikkeld door Congreve en Mahesh Gangishetty , een befaamd universitair docent chemie aan de Mississippi State University en tevens co-auteur van het onderzoeksartikel. In perovskieten worden met name op de plaatsen waar loodatomen zouden moeten zitten, aanzienlijk veel energie-inefficiënte holtes aangetroffen .
Efficiënte PeLEDs met een kortere gebruiksduur konden worden verbeterd door 30% van het lood in perovskiet te vervangen door mangaanatomen. Het team verbeterde de helderheid aanzienlijk, verhoogde de efficiëntie met bijna een factor drie en verlengde de levensduur van minder dan een minuut tot 37 minuten.
Sebastian Fernández zei: "Lood is extreem belangrijk voor de lichtemissie in dit materiaal, maar tegelijkertijd staat lood bekend als giftig. Dit type lood is ook wateroplosbaar, wat betekent dat het bijvoorbeeld door een gebarsten smartphonescherm kan lekken. Mensen zijn sceptisch over commerciële technologie die giftig is, dus dat heeft me er ook toe aangezet om andere materialen te overwegen."
Zie ook : 10 voordelen van ledverlichting voor het milieu
Vooruitgang en obstakels aan de horizon
Een revolutionair moleculair additief verbetert LED's, maar verkort hun levensduur. Daarom ging Fernández een stap verder door een fosfineoxide, bekend als TFPPO, te mengen met het perovskietmateriaal. Hij voegde eraan toe: "Ik voegde het toe en zag de efficiëntie enorm toenemen."
De toevoeging van het additief resulteerde in een opmerkelijke verbetering, waardoor de lampen tot wel vijf keer energiezuiniger werden dan lampen die alleen mangaan bevatten. Bovendien leverde het een van de meest levendige lichteffecten op die ooit in een PeLED zijn waargenomen.
Er was echter een nadeel aan deze verbeteringen: de lampen dimden binnen een opmerkelijk korte tijdspanne van tweeënhalve minuut tot slechts de helft van hun maximale helderheid. De perovskieten die niet met TFPPO waren behandeld, wisten hun helderheid echter maar liefst 37 minuten te behouden.
De afweging begrijpen
Fernández is van plan verschillende fosfineoxide-additieven uit te proberen om hun uiteenlopende effecten te observeren en de achterliggende redenen te begrijpen.
Fernández zegt: "Het is duidelijk dat dit additief ongelooflijk efficiënt is. De effecten ervan op de stabiliteit moeten echter worden beperkt om enige kans op commercialisering van dit materiaal te hebben."
Congreve Lab richt zich op het aanpakken van aanvullende uitdagingen van PeLED's, waaronder hun onvermogen om violet en ultraviolet licht te genereren.
Bron: Rekening houdend met zowel efficiëntie als stabiliteit in op perovskiet gebaseerde verlichting
