Net toen verlichtingsliefhebbers zich op een donkere plek bevonden, LED's kwamen te hulp. In het afgelopen decennium is LED-technologieën - een afkorting van light-emitting diode - hebben de verlichtingsindustrie geveegd door functies aan te bieden zoals duurzaamheid, efficiëntie en een lange levensduur.

Nutsvoorzieningen, Engineering-onderzoekers van Princeton hebben een nieuwe weg voorwaarts voor LED-technologieën verlicht door de productie van lichtbronnen te verfijnen die zijn gemaakt met kristallijne stoffen die bekend staan ​​als perovskieten, een efficiënter en potentieel goedkoper alternatief voor materialen die worden gebruikt in LED's in winkelschappen.

De onderzoekers ontwikkelden een techniek waarbij perovskietdeeltjes op nanoschaal zichzelf assembleren om efficiëntere, stabiele en duurzame LED's op basis van perovskiet. Het voorschot, gemeld 16 januari in Natuurfotonica , het gebruik van perovskiettechnologieën in commerciële toepassingen zoals verlichting, lasers en televisie- en computerschermen.

"De prestaties van perovskieten in zonnecellen zijn de laatste jaren enorm gestegen, en ze hebben eigenschappen die hen veel beloven voor LED's, maar het onvermogen om uniforme en heldere perovskietfilms van nanodeeltjes te maken, heeft hun potentieel beperkt, " zei Barry Rand, een assistent-professor in de elektrotechniek en het Andlinger Center for Energy and the Environment in Princeton.

"Onze nieuwe techniek stelt deze nanodeeltjes in staat om zichzelf te assembleren om ultrafijnkorrelige films te creëren, een vooruitgang in fabricage waardoor perovskiet-LED's meer lijken op een levensvatbaar alternatief voor bestaande technologieën, "Rand, de hoofdonderzoeker, toegevoegd.

LED's zenden licht uit wanneer er spanning over de LED wordt aangelegd. Wanneer het licht wordt ingeschakeld, elektrische stroom dwingt elektronen van de negatieve kant van de diode naar de positieve kant. Hierbij komt energie vrij in de vorm van licht. LED's werken het beste wanneer deze stroom strikt kan worden gecontroleerd. In de apparaten van Rand, de dunne op nanodeeltjes gebaseerde films lieten precies dat toe.

LED's hebben veel voordelen ten opzichte van gloeilampen, inclusief duurzaamheid, langer leven, kleinere maat, energie-efficiëntie en lage warmte. Hoewel ze nog steeds duurder zijn dan fluorescentielampen voor kamerverlichting, ze zijn energiezuiniger, gaan sneller branden en geven minder milieuproblemen met betrekking tot verwijdering.

Het team van Rand en andere onderzoekers onderzoeken perovskieten als een mogelijk goedkoper alternatief voor galliumnitride (GaN) en andere materialen die worden gebruikt bij de productie van LED's. Goedkopere LED's zouden de acceptatie van de lampen versnellen, het energieverbruik en de impact op het milieu te verminderen.

Perovskiet is een mineraal dat oorspronkelijk werd ontdekt in het midden van de 19e eeuw in Rusland en werd genoemd ter ere van de Russische mineraloog Lev Perovski. De term "perovskiet" strekt zich uit tot een klasse van verbindingen die de kristallijne structuur van Perovski's mineraal delen, een uitgesproken combinatie van kubus- en diamantvormen.

Perovskieten vertonen een aantal intrigerende eigenschappen:ze kunnen supergeleidend of halfgeleidend zijn, afhankelijk van hun structuur, waardoor ze veelbelovende materialen zijn voor gebruik in elektrische apparaten. In recente jaren, ze zijn aangeprezen als een potentiële vervanging voor silicium in zonnepanelen:goedkoper om te produceren en even efficiënt als sommige op silicium gebaseerde zonnecellen.

Hybride organisch-anorganische perovskietlagen worden vervaardigd door perovskietprecursors op te lossen in een oplossing die een metaalhalogenide en een organisch ammoniumhalogenide bevat. Het is een relatief goedkoop en eenvoudig proces dat een goedkoop alternatief zou kunnen bieden voor leds op basis van silicium en andere materialen.

Echter, terwijl de resulterende halfgeleiderfilms licht in levendige kleuren konden uitstralen, de kristallen die de moleculaire structuur van de films vormden waren te groot, waardoor ze inefficiënt en onstabiel werden.

In hun nieuwe krant Rand en zijn team melden dat het gebruik van een extra type organisch ammoniumhalogenide, en in het bijzonder een ammoniumhalogenide met lange keten, aan de perovskietoplossing tijdens de productie beperkte de vorming van kristallen in de film dramatisch. De resulterende kristallieten waren veel kleiner (ongeveer 5-10 nanometer breed) dan die gegenereerd met eerdere methoden, en de halide-perovskietfilms waren veel dunner en gladder.

Dit leidde tot een betere externe kwantumefficiëntie, wat betekent dat de LED's meer fotonen uitzonden per aantal elektronen dat het apparaat binnenkwam. De films waren ook stabieler dan die welke met andere methoden waren geproduceerd.

Russel Holmes, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Minnesota, zei dat het Princeton-onderzoek LED's op basis van perovskiet dichter bij commercialisering brengt.

"Hun vermogen om de verwerking van de perovskiet te controleren, zorgde voor ultraplatte, nanokristallijne dunne films geschikt voor hoogrenderende apparaten, " zei Holmes, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Dit elegante en algemene verwerkingsschema zal waarschijnlijk een brede toepassing hebben op andere perovskiet-actieve materialen en apparaatplatforms."