Скорее всего, экран, с которого вы читаете, светится благодаря светоизлучающим диодам, широко известным как светодиоды. Эта широко распространенная технология обеспечивает энергоэффективное освещение внутри помещений и все чаще освещает наши компьютерные мониторы, телевизоры и экраны смартфонов. К сожалению, это также требует относительно трудоемкого и дорогостоящего производственного процесса.
Надеясь устранить этот недостаток, исследователи из Стэнфорда протестировали метод, который повысил яркость и эффективность перовскитовых светодиодов, или PeLEDs, более дешевой и простой в изготовлении альтернативы. Однако их усовершенствования привели к тому, что лампочки погасли в течение нескольких минут, демонстрируя тщательные компромиссы, которые необходимо учитывать для продвижения материалов этого класса.
“Мы сделали несколько больших шагов к пониманию того, почему это унизительно. Вопрос в том, можем ли мы найти способ смягчить это, сохранив при этом эффективность?” говорит Дэн Конгрив, доцент кафедры электротехники и старший автор статьи, опубликованной 1 августа в журнале Device. “Если мы сможем это сделать, я думаю, мы действительно сможем начать работать над жизнеспособным коммерческим решением”.
Обещания и подводные камни перовскитов
Проще говоря, светодиоды преобразуют электрическую энергию в свет, пропуская электрический ток через полупроводник — слои кристаллического материала, который излучает свет при приложенном электрическом поле. Но создание таких полупроводников становится сложным и дорогостоящим по сравнению с менее энергоэффективными лампами, такими как лампы накаливания и флуоресцентные лампы.
“Многие из этих материалов выращиваются на дорогих поверхностях, таких как четырехдюймовая сапфировая подложка”, – говорит Себастьян Фернандес, аспирант лаборатории Конгрива и ведущий автор статьи. “Просто покупка этого субстрата обходится в несколько сотен долларов”.
В ПЕЛЕДАХ используется полупроводник, известный как металлогалогенидные перовскиты, состоящий из смеси различных элементов. Инженеры могут выращивать кристаллы перовскита на стеклянных подложках, экономя значительную сумму по сравнению с обычными светодиодами. Они также могут растворять перовскиты в растворе и “наносить” их на стекло для создания светоизлучающего слоя – более простой производственный процесс, чем требуется для обычных светодиодов.
Эти преимущества могли бы сделать энергоэффективное внутреннее освещение целесообразным для большей части застроенной территории, снижая потребление энергии. Пеледы также могли бы повысить чистоту цвета дисплеев смартфонов и телевизоров. “Зеленый – это еще больше зеленого, синий – еще больше синего”, – говорит Конгрив. “Вы можете буквально видеть больше цветов с помощью устройства”.
Однако большинство пеледов сегодня высыхают всего через несколько часов. И они часто не соответствуют энергоэффективности стандартных светодиодов из-за случайных пробелов в атомной структуре перовскита, известных как дефекты. “Здесь должен быть атом, но его нет”, – объясняет Конгрив. “Энергия поступает туда, но вы не получаете свет наружу, так что это снижает общую эффективность устройства”.
Сияй ярче, увядай быстрее
Чтобы смягчить эти проблемы, Фернандес использовал методику, впервые предложенную Конгривом и Махешем Гангишетти, доцентом химии в Университете штата Миссисипи и соавтором статьи. Многие из этих затрачивающих энергию промежутков в перовскитах возникают там, где должны находиться атомы свинца. Заменив 30% свинца в перовските атомами марганца, что помогает заполнить эти пробелы, команда более чем удвоила яркость своих светодиодов, почти утроила эффективность и продлила срок службы ламп с менее чем одной минуты до 37 минут.
Этот метод также потенциально может привести к снижению риска для здоровья. “Свинец чрезвычайно важен для излучения света в этом материале, но в то же время известно, что свинец токсичен”, – говорит Фернандес. Этот тип свинца также растворим в воде, что означает, что он может просочиться, скажем, через треснувший экран смартфона. “Люди скептически относятся к коммерческим технологиям, которые являются токсичными, так что это также подтолкнуло меня рассмотреть другие материалы”.
Но Фернандес пошел на шаг дальше, смешав с перовскитом оксид фосфина, называемый TFPPO. “Я добавил его и увидел, что эффективность просто взлетела”, – говорит он. Добавка сделала лампы в пять раз более энергоэффективными, чем те, в которые добавлялся только марганец, и обеспечила одно из самых ярких свечений из всех зарегистрированных до сих пор.
Но у этого преимущества была и обратная сторона: всего за две с половиной минуты яркость ламп уменьшилась вдвое по сравнению с их пиковой яркостью. (С другой стороны, перовскиты, которые не были обработаны TFPPO, – это версия, которая сохраняла свою яркость в течение 37 минут.)
Понимание компромисса
Фернандес считает, что преобразование электрической энергии в свет с течением времени в пеледах с TFPPO становится менее эффективным, чем в пеледах без TFPPO, в основном из-за увеличения препятствий, связанных с переносом заряда внутри ПеЛЕД. Команда также предполагает, что, хотя TFPPO изначально заполняет некоторые пробелы в атомной структуре перовскита, эти пробелы быстро открываются вновь, что приводит к снижению энергоэффективности наряду с долговечностью.
Двигаясь вперед, Фернандес надеется поэкспериментировать с различными добавками оксида фосфина, чтобы увидеть, дают ли они разные эффекты и почему.
“Очевидно, что эта добавка невероятна с точки зрения эффективности”, – говорит Фернандес. “Однако его влияние на стабильность необходимо подавлять, чтобы иметь хоть какую-то надежду на коммерциализацию этого материала”.
Лаборатория Конгрива работает и над устранением других недостатков ПЕЛЕД, таких как их трудности с получением фиолетового и ультрафиолетового излучения. В другой недавней статье в журнале Matter, опубликованной под руководством аспиранта Манчена Ху (который также является соавтором статьи об устройстве), команда обнаружила, что, добавляя воду в раствор, в котором образуются кристаллы перовскита, они могут получать пеледы, которые излучают яркий фиолетовый свет в пять раз эффективнее.
При дальнейших усовершенствованиях ультрафиолетовые лампы могли бы стерилизовать медицинское оборудование, очищать воду и помогать выращивать комнатные культуры — и все это более доступно по цене, чем позволяют современные светодиоды.
