Het is snacktijd:je hebt een gewoon havermoutkoekje, en een stapel chocoladeschilfers. Beide zijn op zich al heerlijk, maar als je een manier kunt vinden om ze soepel te combineren, je krijgt het beste van twee werelden.

Onderzoekers van het Edward S. Rogers Sr. Department of Electrical &Computer Engineering gebruikten dit inzicht om iets totaal nieuws uit te vinden:ze hebben voor het eerst twee veelbelovende zonnecelmaterialen gecombineerd, het creëren van een nieuw platform voor LED-technologie.

Het team ontwierp een manier om sterk lichtgevende nanodeeltjes, de zogenaamde colloïdale kwantumdots (de chocoladeschilfers), in te bedden in perovskiet (het havermoutkoekje). Perovskieten zijn een familie van materialen die gemakkelijk kunnen worden vervaardigd uit oplossing, en waardoor elektronen er snel doorheen kunnen bewegen met minimaal verlies of opname door defecten.

Het werk is gepubliceerd in het internationale tijdschrift Natuur op 15 juli, 2015.

"Het is een vrij nieuw idee om deze twee opto-elektronische materialen samen te voegen, die beide veel grip krijgen, " zegt Xiwen Gong, een van de hoofdauteurs van het onderzoek en een promovendus die samenwerkt met professor Ted Sargent. "We wilden profiteren van de voordelen van beide door ze naadloos te combineren in een solid-state matrix."

Het resultaat is een zwart kristal dat vertrouwt op de perovskietmatrix om elektronen in de kwantumstippen te 'trechteren'. die uiterst efficiënt zijn in het omzetten van elektriciteit in licht. Hyper-efficiënte LED-technologieën kunnen toepassingen van de zichtbaar licht LED-lampen in elk huis mogelijk maken, naar nieuwe displays, tot gebarenherkenning met behulp van nabij-infrarode golflengten.

"Als je twee verschillende kristallen probeert te jammen, ze vormen vaak afzonderlijke fasen zonder vloeiend in elkaar over te gaan, " zegt Dr. Riccardo Comin, een postdoctoraal onderzoeker in de Sargent Group. "We moesten een nieuwe strategie ontwerpen om =deze twee componenten ervan te overtuigen hun verschillen te vergeten en zich in plaats daarvan te vermengen tot een unieke kristallijne entiteit."

De grootste uitdaging was om de oriëntatie van de twee kristalstructuren op één lijn te krijgen, hetero-expitaxie genoemd. Om heteroepitaxie te bereiken, Gong, Comin en hun team hebben een manier ontwikkeld om de atomaire 'uiteinden' van de twee kristallijne structuren met elkaar te verbinden, zodat ze soepel op één lijn liggen, zonder de vorming van defecten in de naden. "We begonnen met het bouwen van een 'schaal' op nanoschaal rond de kwantumdots in oplossing, toen groeide het perovskietkristal rond die schil, zodat de twee vlakken op één lijn lagen, " verklaarde co-auteur Dr. Zhijun Ning, die aan het werk heeft bijgedragen terwijl hij postdoctoraal was aan de UofT en nu faculteitslid is bij ShanghaiTech.

Het resulterende heterogene materiaal vormt de basis voor een nieuwe familie van zeer energiezuinige nabij-infrarood-leds. Infrarood-LED's kunnen worden gebruikt voor verbeterde nachtzichttechnologie, naar betere biomedische beeldvorming, tot snelle telecommunicatie.

Door de twee materialen op deze manier te combineren, wordt ook het probleem van zelfabsorptie opgelost, die optreedt wanneer een stof hetzelfde spectrum van energie dat het uitzendt gedeeltelijk opnieuw absorbeert, met een netto rendementsverlies. "Deze stippen in perovskiet lijden niet aan reabsorptie, omdat de emissie van de stippen niet overlapt met het absorptiespectrum van de perovskiet, " legt Comin uit.

Gong, Comin en het team hebben hun materiaal bewust zo ontworpen dat het compatibel is met oplossingsverwerking, zodat het gemakkelijk kan worden geïntegreerd met de meest goedkope en commercieel praktische manieren om zonnefilm en apparaten te vervaardigen. Hun volgende stap is het bouwen en testen van de hardware om te profiteren van het concept dat ze met dit werk hebben bewezen.

"We gaan het LED-apparaat bouwen en proberen de recordstroomefficiëntie te verslaan die in de literatuur wordt vermeld, "zegt Gong.