Más brillante y más eficiente a continuación

Por Escuela de Ingeniería de la Universidad de Stanford 25 de agosto de 2023

Ocho sustratos LED de perovskita verde en el laboratorio de Congreve brillan cuando los investigadores los iluminan con luz ultravioleta. Crédito: Sebastián Fernández / Universidad de Stanford

Al experimentar con la composición material de los LED de perovskita, un tipo de LED más barato y más fácil de fabricar, los investigadores de Stanford lograron avances en brillo y eficiencia, pero vieron que sus luces se apagaban después de unos minutos de uso.

Lo más probable es que la pantalla desde la que estás leyendo brille gracias a los diodos emisores de luz, comúnmente conocidos como LED. Esta tecnología generalizada proporciona iluminación interior de bajo consumo e ilumina cada vez más los monitores de nuestras computadoras, televisores y pantallas de teléfonos inteligentes. Desafortunadamente, también requiere un proceso de fabricación relativamente laborioso y costoso.

Con la esperanza de abordar esta deficiencia, los investigadores de Stanford probaron un método que aumentaba el brillo y la eficiencia de los LED de perovskita, o PeLED, una alternativa más barata y fácil de fabricar. Sin embargo, sus mejoras hicieron que las luces se apagaran en cuestión de minutos, lo que demuestra las cuidadosas compensaciones que deben entenderse para hacer avanzar esta clase de materiales.

“Dimos grandes pasos para comprender por qué es degradante. La pregunta es: ¿podemos encontrar una manera de mitigarlo manteniendo la eficiencia?” dice Dan Congreve, profesor asistente de ingeniería eléctrica y autor principal del artículo, publicado a principios de este mes en la revista Device. "Si podemos hacer eso, creo que realmente podremos empezar a trabajar hacia una solución comercial viable".

Ocho LED verdes de perovskita dopados con manganeso en el laboratorio de Congreve brillan cuando los investigadores pasan una corriente eléctrica a través de ellos. Crédito: Sebastián Fernández / Universidad de Stanford

In simplest terms, LEDs transform electrical energy into light by passing electric current through a semiconductor – layers of crystalline material that emits light with an applied electric field. But creating those semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Los semiconductores se vuelven complejos y costosos en comparación con luces menos eficientes energéticamente como las incandescentes y fluorescentes.

"Muchos de estos materiales se cultivan en superficies costosas, como un sustrato de zafiro de cuatro pulgadas", dice Sebastián Fernández, estudiante de doctorado en el laboratorio de Congreve y autor principal del artículo. "Solo comprar este sustrato cuesta unos cientos de dólares".

Los PeLED utilizan un semiconductor conocido como perovskitas de haluros metálicos, compuestos por una mezcla de diferentes elementos. Los ingenieros pueden cultivar cristales de perovskita sobre sustratos de vidrio, ahorrando una suma significativa en comparación con los LED normales. También pueden disolver perovskitas en una solución y “pintarlas” sobre vidrio para crear una capa emisora ​​de luz, un proceso de producción más simple que el que requieren los LED normales.

Estas ventajas podrían hacer factible la iluminación interior energéticamente eficiente para una mayor parte del entorno construido, reduciendo la demanda de energía. Los PeLED también podrían mejorar la pureza del color de las pantallas de teléfonos inteligentes y televisores. "Un verde es más verde, un azul es más azul", dice Congreve. "Literalmente puedes ver más colores desde el dispositivo".

Most PeLEDs today, however, peter out after just a few hours. And they often don’t match the energy efficiency of standard LEDs, due to random gaps in the perovskite’s atomic structure known as defects. “There should be an atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> átomo aquí, pero no lo hay”, explica Congreve. "La energía entra allí, pero no se apaga la luz, por lo que perjudica la eficiencia general del dispositivo".

Para mitigar estos problemas, Fernández se basó en una técnica presentada por Congreve y Mahesh Gangishetty, profesor asistente de química en la Universidad Estatal de Mississippi y coautor del artículo. Muchas de esas brechas que desperdician energía en las perovskitas ocurren donde deberían estar los átomos de plomo. Al reemplazar el 30% del plomo de la perovskita con átomos de manganeso, lo que ayuda a llenar esos vacíos, el equipo duplicó con creces el brillo de sus PeLED, casi triplicó la eficiencia y extendió la vida útil de las luces de menos de un minuto a 37 minutos.

La técnica también tiene el potencial de cambiar la situación en materia de riesgos para la salud. “El plomo es extremadamente importante para la emisión de luz dentro de este material, pero al mismo tiempo se sabe que es tóxico”, dice Fernández. Este tipo de plomo también es soluble en agua, lo que significa que podría filtrarse, por ejemplo, a través de la pantalla de un teléfono inteligente rota. "La gente se muestra escéptica ante la tecnología comercial que es tóxica, lo que también me impulsó a considerar otros materiales".

Pero Fernández fue un paso más allá y mezcló un óxido de fosfina llamado TFPPO en la perovskita. "Lo agregué y vi que la eficiencia se disparó", dice. El aditivo hizo que las luces fueran hasta cinco veces más eficientes energéticamente que aquellas con solo un refuerzo de manganeso y produjo uno de los brillos más brillantes de todos los PeLED registrados hasta ahora.

Pero los avances tuvieron un inconveniente: las luces se atenuaron a la mitad de su brillo máximo en sólo dos minutos y medio. (Por otro lado, las perovskitas que no fueron tratadas con TFPPO son la versión que mantuvo su brillo durante 37 minutos).

Fernández cree que la transformación de energía eléctrica en luz con el tiempo en los PeLED con TFPPO se vuelve menos eficiente que en los que no lo tienen, en gran medida debido al aumento de los obstáculos relacionados con el transporte de carga dentro del PeLED. El equipo también sugiere que, si bien TFPPO inicialmente llena algunos huecos en la estructura atómica de la perovskita, esos huecos se reabren rápidamente, provocando que la eficiencia energética disminuya junto con la durabilidad.

En el futuro, Fernández espera experimentar con diferentes aditivos de óxido de fosfina para ver si producen efectos diferentes y por qué.

“Claramente, este aditivo es increíble en términos de eficiencia”, afirma Fernández. "Sin embargo, es necesario suprimir sus efectos sobre la estabilidad para tener alguna esperanza de comercializar este material".

El laboratorio de Congreve también está trabajando para abordar otras limitaciones de los PeLED, como su dificultad para producir luz violeta y ultravioleta. En otro artículo reciente en la revista Matter dirigido por el estudiante de doctorado Manchen Hu (quien también es coautor del artículo sobre Dispositivo), el equipo descubrió que al agregar agua a la solución en la que se forman los cristales de perovskita, podrían producir PeLED que Emitió luz violeta brillante cinco veces más eficientemente. Con mejoras adicionales, los PeLED ultravioleta podrían esterilizar equipos médicos, purificar el agua y ayudar a cultivar cultivos de interior, todo de manera más asequible de lo que permiten los LED actuales.

Referencia: “Compensación entre eficiencia y estabilidad en diodos emisores de luz de perovskita dopada con Mn2+” por Sebastian Fernández, William Michaels, Manchen Hu, Pournima Narayanan, Natalia Murrietta, Arynn O. Gallegos, Ghada H. Ahmed, Junrui Lyu, Mahesh K. Gangishetty y Daniel N. Congreve, 1 de agosto de 2023, Device.DOI: 10.1016/j.device.2023.100017

Otros coautores de esta investigación de Stanford incluyen al estudiante de pregrado William Michaels, la estudiante de posgrado Pournima Narayanan, la estudiante de pregrado Natalia Murrietta, la estudiante de posgrado Arynn Gallegos, la académica postdoctoral Ghada Ahmed y la estudiante de posgrado Junrui Lyu.

Esta investigación fue financiada por la beca Diversifying Academia, Recruiting Excellence (DARE), el Departamento de Energía de EE. UU., las becas de posgrado en ciencia e ingeniería de Stanford (beca P. Michael Farmwald, beca Gabilan y beca Scott A. y Geraldine D. Macomber). , el Consorcio Nacional GEM, el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Stanford y la Fundación Nacional de Ciencias. Una parte de este trabajo se realizó en las instalaciones compartidas Nano de Stanford, con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias.