Als Nächstes heller und effizienter

Von der Stanford University School of Engineering, 25. August 2023

Acht grüne Perowskit-LED-Substrate in Congreves Labor leuchten, wenn Forscher sie mit ultraviolettem Licht bestrahlen. Bildnachweis: Sebastian Fernández / Stanford University

Durch Manipulationen an der Materialzusammensetzung von Perowskit-LEDs, einem billigeren und einfacher herzustellenden LED-Typ, erzielten Stanford-Forscher Helligkeits- und Effizienzsprünge – mussten jedoch feststellen, dass ihre Lichter nach einigen Minuten der Nutzung nachließen.

Die Chancen stehen gut, dass der Bildschirm, auf dem Sie lesen, dank Leuchtdioden – allgemein bekannt als LEDs – leuchtet. Diese weit verbreitete Technologie sorgt für energieeffiziente Innenbeleuchtung und beleuchtet zunehmend unsere Computermonitore, Fernseher und Smartphone-Bildschirme. Leider erfordert es auch einen relativ aufwendigen und teuren Herstellungsprozess.

In der Hoffnung, diesen Mangel zu beheben, testeten Stanford-Forscher eine Methode, die die Helligkeit und Effizienz von Perowskit-LEDs oder PeLEDs steigerte, einer günstigeren und einfacher herzustellenden Alternative. Ihre Verbesserungen führten jedoch dazu, dass die Lichter innerhalb von Minuten verpufften, was die sorgfältigen Kompromisse demonstrierte, die verstanden werden müssen, um diese Materialklasse voranzubringen.

„Wir haben große Schritte unternommen, um zu verstehen, warum es entwürdigend ist. Die Frage ist: Können wir einen Weg finden, dies zu mildern und gleichzeitig die Effizienz beizubehalten?“ sagt Dan Congreve, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und leitender Autor des Artikels, der Anfang dieses Monats in der Zeitschrift Device veröffentlicht wurde. „Wenn uns das gelingt, können wir meiner Meinung nach wirklich mit der Arbeit an einer tragfähigen kommerziellen Lösung beginnen.“

Acht grüne, mit Mangan dotierte Perowskit-LEDs in Congreves Labor leuchten, während Forscher einen elektrischen Strom durch sie leiten. Bildnachweis: Sebastian Fernández / Stanford University

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"}]">Halbleiter werden im Vergleich zu weniger energieeffizienten Leuchten wie Glühlampen und Leuchtstofflampen komplex und kostspielig.

„Viele dieser Materialien werden auf teuren Oberflächen wie einem 4-Zoll-Saphirsubstrat gezüchtet“, sagt Sebastian Fernández, Doktorand in Congreves Labor und Hauptautor der Arbeit. „Allein die Anschaffung dieses Substrats kostet ein paar hundert Dollar.“

PeLEDs verwenden einen Halbleiter namens Metallhalogenid-Perowskite, der aus einer Mischung verschiedener Elemente besteht. Ingenieure können Perowskitkristalle auf Glassubstraten züchten und so im Vergleich zu normalen LEDs eine erhebliche Summe einsparen. Sie können Perowskite auch in Lösung auflösen und auf Glas „malen“, um eine lichtemittierende Schicht zu erzeugen, ein einfacherer Produktionsprozess als bei herkömmlichen LEDs.

Diese Vorteile könnten eine energieeffiziente Innenbeleuchtung für einen größeren Teil der bebauten Umgebung möglich machen und so den Energiebedarf senken. PeLEDs könnten auch die Farbreinheit von Smartphone- und TV-Displays verbessern. „Ein Grün ist grüner, ein Blau ist blauer“, sagt Congreve. „Man kann auf dem Gerät buchstäblich mehr Farben sehen.“

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"}]"> Atom hier, aber es gibt kein“, erklärt Congreve. „Dort geht Energie hinein, aber es kommt kein Licht heraus, was sich negativ auf die Gesamteffizienz des Geräts auswirkt.“

Um diese Probleme zu entschärfen, baute Fernández auf einer Technik auf, die von Congreve und Mahesh Gangishetty, Assistenzprofessor für Chemie an der Mississippi State University und Co-Autor des Artikels, erstmals vorgestellt wurde. Viele dieser energieverschwendenden Lücken in Perowskiten entstehen dort, wo sich Bleiatome befinden sollten. Indem das Team 30 % des Bleis des Perowskits durch Manganatome ersetzte, was dazu beiträgt, diese Lücken zu schließen, konnte das Team die Helligkeit seiner PeLEDs mehr als verdoppeln, die Effizienz fast verdreifachen und die Lebensdauer der Lichter von weniger als einer Minute auf 37 Minuten verlängern.

Die Technik hat auch das Potenzial, den Ausschlag für Gesundheitsrisiken zu geben. „Blei ist für die Lichtemission in diesem Material äußerst wichtig, aber gleichzeitig ist Blei bekanntermaßen giftig“, sagt Fernández. Diese Art von Blei ist außerdem wasserlöslich – das heißt, es könnte beispielsweise durch einen gesprungenen Smartphone-Bildschirm austreten. „Die Leute stehen kommerzieller Technologie, die giftig ist, skeptisch gegenüber, deshalb habe ich auch über andere Materialien nachgedacht.“

Doch Fernández ging noch einen Schritt weiter und mischte dem Perowskit ein Phosphinoxid namens TFPPO bei. „Ich habe es hinzugefügt und gesehen, wie die Effizienz einfach in die Höhe schoss“, sagt er. Der Zusatzstoff machte die Lichter bis zu fünfmal energieeffizienter als solche mit nur einem Mangan-Boost und erzeugte eines der hellsten Leuchten aller bisher aufgezeichneten PeLEDs.

Doch die Vorteile hatten auch eine Kehrseite: Die Lichter verblassten in nur zweieinhalb Minuten auf die Hälfte ihrer maximalen Helligkeit. (Andererseits handelt es sich bei den Perowskiten, die nicht mit TFPPO behandelt wurden, um die Version, die ihre Helligkeit 37 Minuten lang aufrechterhielt.)

Fernández glaubt, dass die Umwandlung von elektrischer Energie in Licht in PeLEDs mit TFPPO mit der Zeit weniger effizient wird als in solchen ohne TFPPO, was hauptsächlich auf die zunehmenden Hindernisse im Zusammenhang mit dem Ladungstransport innerhalb der PeLED zurückzuführen ist. Das Team geht außerdem davon aus, dass TFPPO zwar zunächst einige Lücken in der Atomstruktur des Perowskits füllt, sich diese Lücken jedoch schnell wieder öffnen, was zu einem Rückgang der Energieeffizienz und der Haltbarkeit führt.

Fernández hofft, in Zukunft mit verschiedenen Phosphinoxid-Additiven zu experimentieren, um herauszufinden, ob sie unterschiedliche Wirkungen haben und warum.

„Dieses Additiv ist eindeutig unglaublich effizient“, sagt Fernández. „Allerdings müssen seine Auswirkungen auf die Stabilität unterdrückt werden, um eine Hoffnung auf eine Kommerzialisierung dieses Materials zu haben.“

Das Labor von Congreve arbeitet auch daran, andere Einschränkungen von PeLEDs anzugehen, beispielsweise ihre Schwierigkeit, violettes und ultraviolettes Licht zu erzeugen. In einem weiteren aktuellen Artikel in der Zeitschrift Matter unter der Leitung des Doktoranden Manchen Hu (der auch Mitautor des Device-Artikels ist) stellte das Team fest, dass sie durch Zugabe von Wasser zu der Lösung, in der sich die Perowskitkristalle bilden, PeLEDs herstellen könnten emittierte hellviolettes Licht fünfmal effizienter. Mit weiteren Verbesserungen könnten ultraviolette PeLEDs medizinische Geräte sterilisieren, Wasser reinigen und beim Anbau von Indoor-Pflanzen helfen – und das alles kostengünstiger, als es aktuelle LEDs ermöglichen.

Referenz: „Kompromiss zwischen Effizienz und Stabilität in Mn2+-dotierten Perowskit-Leuchtdioden“ von Sebastian Fernández, William Michaels, Manchen Hu, Pournima Narayanan, Natalia Murrietta, Arynn O. Gallegos, Ghada H. Ahmed, Junrui Lyu, Mahesh K. Gangishetty und Daniel N. Congreve, 1. August 2023, Device.DOI: 10.1016/j.device.2023.100017

Weitere Stanford-Mitautoren dieser Forschung sind der Student William Michaels, der Student Pournima Narayanan, der Student Natalia Murrietta, der Student Arynn Gallegos, der Postdoktorand Ghada Ahmed und der Student Junrui Lyu.

Diese Forschung wurde durch das Diversifying Academia, Recruiting Excellence (DARE) Fellowship, das US-Energieministerium, Stanford Graduate Fellowships in Science & Engineering (P. Michael Farmwald Fellow, Gabilan Fellow und Scott A. und Geraldine D. Macomber Fellow) finanziert. , das National GEM Consortium, das Department of Electrical Engineering der Stanford University und die National Science Foundation. Ein Teil dieser Arbeit wurde in den Stanford Nano Shared Facilities durchgeführt, unterstützt von der National Science Foundation.