Substrati LED di perovskite verde
Testato un metodo che incrementa la luminosità e l'efficienza dei LED di perovskite, o PeLED, ma non corrisponde all'efficienza energetica dei LED standard
È probabile che lo schermo che stai leggendo si illumini grazie ai diodi emettitori di luce, comunemente noti come LED. Questa tecnologia diffusa fornisce un'illuminazione interna ad alta efficienza energetica e illumina sempre di più i monitor dei nostri computer, i televisori e gli schermi degli smartphone. Sfortunatamente, richiede anche un processo di fabbricazione relativamente laborioso e costoso.
Sperando di colmare questa lacuna, i ricercatori di Stanford hanno testato un metodo che aumentava la luminosità e l'efficienza dei LED di perovskite, o PeLED, un'alternativa più economica e più facile da realizzare. I loro miglioramenti, tuttavia, hanno causato lo spegnimento delle luci in pochi minuti, dimostrando gli attenti compromessi che devono essere compresi per far progredire questa classe di materiali.
«Abbiamo fatto grandi passi avanti per capire perché è degradante. La domanda è: possiamo trovare un modo per mitigarlo mantenendo l'efficienza?» afferma il dottor Dan Congreve (1), assistente professore di ingegneria elettrica e autore senior del documento, pubblicato su Device (2). «Se riusciamo a farlo, penso che possiamo davvero iniziare a lavorare per una soluzione commerciale praticabile».
Le promesse e le insidie delle perovskites
In termini più semplici, i LED trasformano l'energia elettrica in luce facendo passare la corrente elettrica attraverso un semiconduttore – strati di materiale cristallino che emette luce con un campo elettrico applicato. Ma la creazione di questi semiconduttori diventa complessa e costosa rispetto a luci meno efficienti dal punto di vista energetico come quelle a incandescenza e fluorescenti.
«Molti di questi materiali sono cresciuti su superfici costose come un substrato di zaffiro da quattro pollici», afferma il dottor Sebastian Fernández (3), uno studente di dottorato nel laboratorio di Congreve e autore principale dell'articolo. «Solo per acquistare questo substrato costa poche centinaia di dollari».
I PeLED utilizzano un semiconduttore noto come perovskite agli alogenuri metallici, composto da una miscela di diversi elementi. Gli ingegneri possono coltivare cristalli di perovskite su substrati di vetro, risparmiando una somma significativa rispetto ai normali LED. Possono anche dissolvere la perovskite in soluzione e “dipingerla” sul vetro per creare uno strato che emette luce, un processo di produzione più semplice di quello richiesto dai normali LED.
Questi vantaggi potrebbero rendere fattibile l'illuminazione interna ad alta efficienza energetica per una parte maggiore dell'ambiente edificato, riducendo la domanda di energia. I PeLED potrebbero anche migliorare la purezza del colore dei display di smartphone e TV. «Un verde è più verde, un blu è più blu», dice il dottor Congreve. «Puoi letteralmente vedere più colori dal dispositivo».
La maggior parte dei PeLED oggi, tuttavia, si esaurisce dopo poche ore. E spesso non corrispondono all'efficienza energetica dei LED standard, a causa di lacune casuali nella struttura atomica della perovskite note come difetti. «Dovrebbe esserci un atomo qui, ma non c'è», spiega il dottor Congreve. «L'energia entra lì, ma non esce luce, quindi danneggia l'efficienza complessiva del dispositivo».
Brilla di più, sbiadisci più velocemente
Per mitigare questi problemi, Fernández si è basato su una tecnica introdotta da Congreve e dal dottor Mahesh Kumar Gangishetty (4), assistente professore di chimica alla Mississippi State University e coautore dell'articolo. Molte di quelle lacune che sprecano energia nelle perovskites si verificano dove dovrebbero essere gli atomi di piombo. Sostituendo il 30% del piombo della perovskites con atomi di manganese, che aiuta a colmare queste lacune, il team ha più che raddoppiato la luminosità dei PeLED, ha quasi triplicato l'efficienza e ha esteso la durata delle luci da meno di un minuto a 37 minuti.
La tecnica ha anche il potenziale per spostare l'ago sui rischi per la salute. «Il piombo è estremamente importante per l'emissione di luce all'interno di questo materiale, ma allo stesso tempo è noto che il piombo è tossico», afferma Fernández. Questo tipo di piombo è anche solubile in acqua, il che significa che potrebbe fuoriuscire, ad esempio, dallo schermo di uno smartphone rotto. «Le persone sono scettiche nei confronti della tecnologia commerciale che è tossica, quindi questo mi ha spinto anche a prendere in considerazione altri materiali».
Il professor Fernández ha fatto un ulteriore passo avanti, mescolando un ossido di fosfina chiamato TFPPO nella perovskite. «L'ho aggiunto e ho visto che le efficienze sono appena aumentate», afferma. L'additivo ha reso le luci fino a cinque volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto a quelle con solo una spinta di manganese e ha fatto risaltare uno dei bagliori più brillanti di qualsiasi PeLED mai registrato.
Ma i guadagni sono arrivati con uno svantaggio: le luci si sono attenuate a metà della loro massima luminosità in soli due minuti e mezzo. (D'altra parte, le perovskiti che non sono state trattate con TFPPO sono la versione che ha mantenuto la propria luminosità per 37 minuti)
Comprendere il compromesso
Fernández ritiene che la trasformazione dell'energia elettrica in luce nel tempo nei PeLED con TFPPO diventi meno efficiente rispetto a quelli senza, in gran parte a causa dei maggiori ostacoli legati al trasporto della carica all'interno del PeLED. Il team suggerisce anche che mentre TFPPO inizialmente colma alcune lacune nella struttura atomica della perovskite, queste lacune si riaprono rapidamente, causando un calo dell'efficienza energetica insieme alla durata.
Andando avanti, Fernández spera di sperimentare diversi additivi di ossido di fosfina per vedere se producono effetti diversi e perché.
«Chiaramente, questo additivo è incredibile in termini di efficienza», afferma Fernández. «Tuttavia, i suoi effetti sulla stabilità devono essere soppressi per avere qualche speranza di commercializzare questo materiale».
Il laboratorio del dottor Daniel Norbert Congreve sta lavorando per affrontare anche altri limiti dei PeLED, come la loro difficoltà nel produrre luce viola e ultravioletta. In un altro recente articolo sulla rivista Matter (5) guidato dallo studente di dottorato Manchen Hu (che è anche coautore dell'articolo sul dispositivo), il team ha scoperto che aggiungendo acqua alla soluzione in cui si formano i cristalli di perovskite, è possibile produrre PeLED che emessa luce viola brillante cinque volte più efficiente. Con ulteriori miglioramenti, i PeLED ultravioletti potrebbero sterilizzare le apparecchiature mediche, purificare l'acqua e aiutare a coltivare colture indoor, il tutto in modo più economico di quanto consentito dai LED attuali.
Altri coautori di Stanford di questa ricerca includono lo studente universitario William Michaels, lo studente laureato Pournima Narayanan, la studentessa universitaria Natalia Murrietta, la studentessa laureata Arynn Gallegos, la studiosa postdottorato Ghada Ahmed e la studentessa laureata Junrui Lyu.
Questa ricerca è stata finanziata dalla Diversifying Academia, Recruiting Excellence (DARE) Fellowship, dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, Stanford Graduate Fellowships in Science & Engineering (P. Michael Farmwald Fellow, Gabilan Fellow e Scott A. e Geraldine D. Macomber Fellow) , il National GEM Consortium, il Dipartimento di Ingegneria Elettrica della Stanford University e la National Science Foundation. Una parte di questo lavoro è stata eseguita presso la Stanford Nano Shared Facilities, supportata dalla National Science Foundation.
Riferimenti:
(2) Trade-off between efficiency and stability in Mn2+-doped perovskite light-emitting diodes
(5) Water additives improve the efficiency of violet perovskite light-emitting diodes
Descrizione foto: Otto substrati LED di perovskite verde nel laboratorio di Congreve si illuminano mentre i ricercatori emettono luce ultravioletta su di essi. - Credit: Sebastian Fernández / Università di Stanford.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: A molecular additive enhances next-gen LEDs – but shortens their lifespans