Styring af varmen åbner døren til næste generations belysning og displays i perovskit-LED'er

Lysemitterende dioder, eller lysdioder, er næsten allestedsnærværende i det moderne liv, giver lysstyrken i telefonens skærme, fjernsyn, og lys. En ny form for lysdioder, lavet af en klasse materialer kaldet halogenidperovskitter, lover højere farvekvalitet og let fremstilling, men har været kendt for at mislykkes, når den udsættes for den slags elektrisk strøm, der typisk er nødvendig til praktisk anvendelse. Nu, Barry Rand, lektor i elektroteknik og Andlinger Center for Energi og Miljø, og et team af forskere har forbedret materialets stabilitet og ydeevne betydeligt ved bedre at styre varmen fra LED'erne.

Forskningen, udgivet i Avancerede materialer , identificerer flere teknikker, der reducerer akkumulering af varme i materialet, som forlængede sin levetid ti gange. Da forskerne forhindrede enheden i at blive overophedet, de var i stand til at pumpe nok strøm ind i den til at producere lys hundredvis af gange mere intens end en typisk mobiltelefonskærm. Intensiteten, målt i watt pr. kvadratmeter, afspejler den reelle mængde lys, der kommer fra en enhed, ikke påvirket af menneskelige øjne eller lysets farve. Tidligere har et sådant niveau af strøm ville have fået LED'en til at svigte.

Forskuddet etablerer en ny lysstyrkerekord og udvider grænserne for, hvad der er muligt for materialet ved at forbedre de veletablerede egenskaber ved perovskit-LED'er og tillade, at disse egenskaber praktisk talt udnyttes.

"Det er første gang, vi har vist, at varme ser ud til at være den største flaskehals for disse materialer, der arbejder ved høje strømme, "sagde Rand." Dette betyder, at materialet kan bruges til stærkt lys og displays, som man aldrig troede var mulig. "

Rand, som også er associeret direktør for eksterne partnerskaber i Andlinger Center, sagde, at klare veje nu er åbne for videre udvikling, men advarede om, at teknologien stadig er 10 til 20 år fra kommerciel anvendelse i stor skala.

For at indeholde ophobning af Joule -varme i enheden, eller den type varme, der skyldes elektrisk strøm, forskerne tog metodisk fat på centrale elementer. De konstruerede materialets sammensætning i enheden for at gøre det mere elektrisk ledende og, derfor, generere mindre varme under drift. De gjorde enhederne smallere end normalt, omkring en tiendedel så tynd som en hårstreng, for at muliggøre bedre varmespredning. Og, de tilføjede kølelegemer, eller komponenter, der leder varme væk fra følsomme elektriske komponenter, som hjalp med at sprede varmen.

Når disse nøgleelementer var på plads, de anvendte en taktik til løbende at "pulsere" enheden, eller hurtigt tænde og slukke den, så hurtigt, at et menneskeligt øje ikke kunne se flimren, men tid nok til at enheden kan komme sig og køle af. For denne del af arbejdet, de udnyttede ekspertisen fra medforfatter Claire Gmachl, Eugene Higgins professor i elektroteknik. Ved at reducere den tid, enheden faktisk var tændt, forskerne opnåede effektivitetsforbedringer, og kunne betjene enheden længere end nogensinde var blevet rapporteret. Rand beskriver arbejdet som en "vejledning" til betjening af perovskite-lysdioder ved de høje effekttætheder, der kræves til belysning og lyse displays.

Lianfeng Zhao, første forfatter på papiret og en postdoc -forsker i Institut for Elektroteknik, sagde forskningen modvirker den fremherskende tanke på området, at perovskitter iboende ikke kunne fungere effektivt ved høje effekttætheder.

Arbejdet er et "vigtigt gennembrud" for feltet, sagde Feng Gao, professor ved Institut for Fysik, Kemi og biologi ved Linköpings universitet i Sverige, og en ekspert i organiske og perovskite halvledere til energiteknologier.

"Reduktion af Joule-opvarmning er en betydelig udfordring for perovskit-LED'er mod høj lysstyrke og langsigtet stabilitet, "sagde Gao." Resultaterne er virkelig opmuntrende for den kommende kommercialisering af belysning og displays baseret på perovskitmaterialer. "

Indtil nu, forskere havde troet, at perovskit -lysdioder ville være nyttige til kun at producere moderate lysstyrkeniveauer, men ikke til belysning eller ultralette skærme på mobiltelefoner og bærbare skærme.

"Vi forbedrede omfanget af mulige applikationer, "sagde Zhao.

En af de mest tiltalende dele af perovskit -lysdioder er den måde, de fremstilles på, hvilket kræver meget mindre energi end at producere konventionelle uorganiske lysdioder, der bruges til belysning i dag. Konventionelle lysdioder er lavet af et stykke af en enkelt krystal, hvilket er meget svært og dyrt at producere og ofte kræver ultrahøje vakuumsystemer og temperaturer på mere end 1000 grader Celsius. Perovskitmaterialer fremstilles typisk ved temperaturer under 100 grader Celsius, og dannet ud fra løsninger i en proces, der ligner inkjetprint. Hvis teknologien skulle kommercialiseres, det ville sandsynligvis resultere i en betydelig reduktion i den krævede energi og kulstofaftryk af denne elektronik, både i deres fremstilling og drift.

Perovskite LED'er producerer en ren, koncentreret farve, og forskerne håber også at kunne bruge materialet til at bygge billigt, let at lave lasere. Og mere generelt, Rand og Zhao sagde, at de vil fortsætte med at studere, hvordan materialet fungerer for bedre at forstå dets egenskaber for at gøre højere kvalitet, holdbar, og effektive enheder.

"Dette er en temmelig stor milepæl, "sagde Rand." Det er ikke kun vigtigt for vores forskning, men også for teknologer, designere, og elektronikindustrien. Vi synes, at der er en lys fremtid for materialet. "