Selvmonterende partikler lysner fremtiden for LED-belysning

Netop da belysningsinteresserede var på et mørkt sted, Lysdioder kom til undsætning. I løbet af det sidste årti, LED-teknologier-forkortelse for lysdioder-har fejet belysningsindustrien ved at tilbyde funktioner som holdbarhed, effektivitet og lang levetid.

Nu, Princeton ingeniørforskere har belyst en anden vej fremad for LED -teknologier ved at forfine fremstillingen af ​​lyskilder fremstillet med krystallinske stoffer kendt som perovskitter, et mere effektivt og potentielt billigere alternativ til materialer, der bruges i lysdioder, der findes på butikshylderne.

Forskerne udviklede en teknik, hvor nanoskala perovskitpartikler samler sig selv for at producere mere effektive, stabile og holdbare perovskit-baserede lysdioder. Forskuddet, rapporterede 16. januar i Natur fotonik , kunne fremskynde brugen af ​​perovskit -teknologier i kommercielle applikationer såsom belysning, lasere og fjernsyn og computerskærme.

"Perovskites ydeevne i solceller har virkelig taget fart i de seneste år, og de har egenskaber, der giver dem meget løfte om lysdioder, men manglende evne til at skabe ensartede og lyse nanopartikel -perovskitfilm har begrænset deres potentiale, "sagde Barry Rand, assisterende professor i elektroteknik og Andlinger Center for Energi og Miljø i Princeton.

"Vores nye teknik gør det muligt for disse nanopartikler at samle sig selv for at skabe ultrafine kerner, et fremskridt i fremstillingen, der får perovskit -LED'er til at ligne et levedygtigt alternativ til eksisterende teknologier, "Rand, den ledende forsker, tilføjet.

Lysdioder udsender lys, når der påføres spænding på tværs af lysdioden. Når lyset er tændt, elektrisk strøm tvinger elektroner fra den negative side af dioden til den positive side. Dette frigiver energi i form af lys. Lysdioder fungerer bedst, når denne strøm kan strengt kontrolleres. I Rands enheder, de tynde nanopartikelbaserede film tillod netop det.

Lysdioder har mange fordele i forhold til glødepærer, herunder holdbarhed, længere liv, mindre størrelse, energieffektivitet og lav varme. Selvom de stadig er dyrere end lysstofrør til rumbelysning, de er mere energieffektive, lyser hurtigere og præsenterer færre miljøhensyn i forbindelse med bortskaffelse.

Rands team og andre forskere undersøger perovskitter som et potentielt billigere alternativ til galliumnitrid (GaN) og andre materialer, der bruges til LED-fremstilling. Billigere lysdioder ville fremskynde accept af pærer, reducere energiforbrug og miljøpåvirkninger.

Perovskite er et mineral, der oprindeligt blev opdaget i midten af ​​1800-tallet i Rusland og opkaldt til ære for den russiske mineralog Lev Perovski. Udtrykket "perovskit" strækker sig til en klasse af forbindelser, der deler den krystallinske struktur af Perovskis mineral, en tydelig kombination af cuboid- og diamantformer.

Perovskitter udviser en række spændende egenskaber - de kan være superledende eller halvledende, afhængigt af deres struktur - der gør dem lovende materialer til brug i elektriske apparater. I de seneste år, de er blevet udråbt som en potentiel erstatning for silicium i solcellepaneler:billigere at fremstille og tilbyder lige så effektivitet som nogle siliciumbaserede solceller.

Hybride organisk-uorganiske perovskitlag fremstilles ved at opløse perovskitforstadier i en opløsning indeholdende et metalhalogenid og et organisk ammoniumhalogenid. Det er en relativt billig og enkel proces, der kan tilbyde et billigt alternativ til lysdioder baseret på silicium og andre materialer.

Imidlertid, mens de resulterende halvlederfilm kunne udsende lys i levende farver, krystallerne, der dannede filmens molekylære struktur, var for store, hvilket gjorde dem ineffektive og ustabile.

I deres nye papir, Rand og hans team rapporterer, at brugen af ​​en yderligere type organisk ammoniumhalogenid, og især et langkædet ammoniumhalogenid, til perovskitopløsningen under produktionen begrænsede dramatisk dannelsen af ​​krystaller i filmen. De resulterende krystallitter var meget mindre (ca. 5-10 nanometer på tværs) end dem, der blev genereret med tidligere metoder, og halogenidperovskitfilmene var langt tyndere og glattere.

Dette førte til bedre ekstern kvanteeffektivitet, hvilket betyder, at lysdioderne udsendte flere fotoner pr. antal elektroner, der kom ind i enheden. Filmene var også mere stabile end dem, der blev produceret ved andre metoder.

Russell Holmes, professor i materialevidenskab og teknik ved University of Minnesota, sagde Princeton-forskningen bringer perovskit-baserede lysdioder tættere på kommercialisering.

"Deres evne til at kontrollere behandlingen af ​​perovskitten genererede ultra-flade, nanokrystallinske tynde film, der er velegnede til højeffektive enheder, "sagde Holmes, som ikke var involveret i forskningen. "Denne elegante og generelle behandlingsordning vil sandsynligvis have bred anvendelse på andre perovskite aktive materialer og enhedsplatforme."