Šanse su da ekran sa kojeg čitate sija zahvaljujući diodama koje emituju svetlost — poznatim kao LED. Ova široko rasprostranjena tehnologija obezbeđuje energetski efikasno unutrašnje osvetljenje i sve više osvetljava naše kompjuterske monitore, televizore i ekrane pametnih telefona. Nažalost, takođe zahteva relativno naporan i skup proizvodni proces.
U nadi da će rešiti ovaj nedostatak, istraživači sa Stanforda su testirali metodu koja je povećala osvetljenost i efikasnost perovskitnih LED-a, ili PeLED-a, jeftinije alternative i lakše za pravljenje. Njihova poboljšanja su, međutim, prouzrokovala da se svetla ugase za nekoliko minuta, pokazujući pažljive kompromise koje se moraju razumeti da bi se unapredila ova klasa materijala.
„Preduzeli smo neke velike korake ka razumevanju zašto je to degradirajuće. Pitanje je da li možemo pronaći način da to ublažimo, a da zadržimo efikasnost?“ kaže Dan Congreve, docent elektrotehnike i stariji autor o radu, objavljenom 1. avgusta u Device. „Ako to možemo da uradimo, mislim da zaista možemo da počnemo da radimo na održivom komercijalnom rešenju.
Najjednostavnije rečeno, LED transformišu električnu energiju u svetlost propuštanjem električne struje kroz poluprovodnik – slojeve kristalnog materijala koji emituje svetlost sa primenjenim električnim poljem. Ali stvaranje tih poluprovodnika postaje složeno i skupo u poređenju sa manje energetski efikasnim svetlima kao što su žarulje i fluorescentne lampe.
„Mnogi od ovih materijala se uzgajaju na skupim površinama kao što je supstrat od safira od četiri inča“, kaže Sebastijan Fernandez, dr. student u Congreveovoj laboratoriji i glavni autor rada. „Samo kupovina ovog supstrata košta nekoliko stotina dolara.“
PeLED-ovi koriste poluprovodnik poznat kao metalhalogenidni perovskiti, sastavljen od mešavine različitih elemenata. Inženjeri mogu uzgajati kristale perovskita na staklenim podlogama, štedeći značajnu sumu u poređenju sa normalnim LED. Oni takođe mogu rastvoriti perovskite u rastvoru i „obojiti“ ga na staklo kako bi stvorili sloj koji emituje svetlost, što je jednostavniji proizvodni proces nego što zahtevaju obične LED.
Ove prednosti mogu učiniti energetski efikasno unutrašnje osvetljenje izvodljivim za veći deo izgrađenog okruženja, smanjujući potražnju za energijom. PeLED-ovi bi takođe mogli da izoštre čistoću boja pametnih telefona i TV ekrana. „Zelena je više zelena, plava je više plava“, kaže Congreve. „Bukvalno možete videti više boja sa uređaja.“
Većina PeLED-ova danas se, međutim, gasi nakon samo nekoliko sati. I često ne odgovaraju energetskoj efikasnosti standardnih LED, zbog nasumičnih praznina u atomskoj strukturi perovskita poznatih kao defekti. „Ovde bi trebalo da postoji atom, ali ga nema“, objašnjava Kongrev. „Energija ulazi tamo, ali ne izlazite svetlo, tako da šteti ukupnoj efikasnosti uređaja.“
Da bi ublažio ove probleme, Fernandez je izgradio tehniku koju su debitovali Congreve i Mahesh Gangishetti, docent hemije na Državnom univerzitetu Misisipija i koautor rada. Mnogi od tih praznina koje troše energiju u perovskitima se javljaju tamo gde bi trebalo da budu atomi olova. Zamenom 30% olova perovskita atomima mangana, što pomaže da se popune te praznine, tim je više nego udvostručio osvetljenost svojih PeLED-ova, skoro utrostručio efikasnost i produžio životni vek svetla sa manje od jednog minuta na 37 minuta.
Tehnika takođe ima potencijal da pomeri iglu zbog zdravstvenih rizika. „Olovo je izuzetno važno za emisiju svetlosti unutar ovog materijala, ali je u isto vreme poznato da je olovo toksično“, kaže Fernandez. Ova vrsta olova je takođe rastvorljiva u vodi – što znači da može da procuri kroz, recimo, napuknut ekran pametnog telefona. „Ljudi su skeptični prema komercijalnoj tehnologiji koja je toksična, tako da me je to takođe podstaklo da razmotrim druge materijale.
Ali Fernandez je otišao korak dalje, mešajući fosfin oksid nazvan TFPPO u perovskit. „Dodao sam to i video da je efikasnost samo porasla“, kaže on. Ovaj aditiv je učinio da svetla budu do pet puta energetski efikasnija od onih sa samo pojačanjem mangana i doveo je do jednog od najsjajnijih sjaja od bilo kog PeLED-a do sada zabeleženog.
Ali dobici su došli sa lošom stranom: svetla su izbledela do polovine svog maksimuma za samo dva i po minuta. (S druge strane, perovskiti koji nisu tretirani TFPPO su verzija koja je zadržala svoju svetlost 37 minuta.)
Fernandez smatra da transformacija električne energije u svetlost tokom vremena u PeLED sa TFPPO postaje manje efikasna nego u onima bez, uglavnom zbog povećanih prepreka u vezi sa transportom naelektrisanja unutar PeLED-a. Tim takođe sugeriše da dok TFPPO u početku ispunjava neke praznine u atomskoj strukturi perovskita, te praznine se brzo ponovo otvaraju, uzrokujući smanjenje energetske efikasnosti zajedno sa izdržljivošću.
Idući dalje, Fernandez se nada da će eksperimentisati sa različitim aditivima fosfin oksida kako bi video da li daju različite efekte i zašto.
„Jasno je da je ovaj aditiv neverovatan u smislu efikasnosti“, kaže Fernandez. „Međutim, njeni efekti na stabilnost moraju biti potisnuti da bismo imali bilo kakvu nadu za komercijalizaciju ovog materijala.
Congreveova laboratorija takođe radi na rešavanju drugih ograničenja PeLED-a, kao što su njihove poteškoće sa proizvodnjom ljubičaste i ultraljubičaste svetlosti. U drugom nedavnom radu u časopisu Matter koji vodi dr. student Manchen Hu (koji je takođe koautor rada Device), tim je otkrio da dodavanjem vode u rastvor u kojem se formiraju kristali perovskita, mogu proizvesti PeLED-ove koji emituju jarko ljubičasto svetlo pet puta efikasnije.
Uz dodatna poboljšanja, ultraljubičasti PeLED-ovi bi mogli da sterilišu medicinsku opremu, prečiste vodu i pomognu u uzgoju useva u zatvorenom prostoru — sve pristupačnije nego što trenutne LED dozvoljavaju.
