Successivamente viene potenziato un additivo molecolare

Armeggiare con la composizione di luci a LED economiche ne ha aumentato la luminosità e l’efficienza, ma le nuove luci sono durate solo pochi minuti.

Scuola di Ingegneria dell'Università di Stanford

immagine: Otto substrati LED di perovskite verde nel laboratorio di Congreve si illuminano mentre i ricercatori li illuminano con la luce ultravioletta.vedere di più

Credito: Sebastian Fernández / Università di Stanford

È probabile che lo schermo da cui stai leggendo si illumini grazie ai diodi emettitori di luce, comunemente noti come LED. Questa tecnologia diffusa fornisce un’illuminazione interna ad alta efficienza energetica e illumina sempre più i monitor dei nostri computer, televisori e schermi degli smartphone. Sfortunatamente, richiede anche un processo di produzione relativamente laborioso e costoso.

Nella speranza di colmare questa lacuna, i ricercatori di Stanford hanno testato un metodo che aumentava la luminosità e l’efficienza dei LED alla perovskite, o PeLED, un’alternativa più economica e più facile da realizzare. I loro miglioramenti, tuttavia, hanno fatto sì che le luci si spegnessero in pochi minuti, dimostrando gli attenti compromessi che devono essere compresi per far avanzare questa classe di materiali.

“Abbiamo fatto grandi passi avanti per capire perché è degradante. La domanda è: possiamo trovare un modo per mitigarlo mantenendo l’efficienza?” dice Dan Congreve, assistente professore di ingegneria elettrica e autore senior dell'articolo, pubblicato il 1 agosto su Device. “Se riusciamo a farlo, penso che possiamo davvero iniziare a lavorare verso una soluzione commerciale praticabile”.

In termini più semplici, i LED trasformano l’energia elettrica in luce facendo passare la corrente elettrica attraverso un semiconduttore – strati di materiale cristallino che emettono luce con un campo elettrico applicato. Ma creare questi semiconduttori diventa complesso e costoso rispetto alle luci meno efficienti dal punto di vista energetico come quelle a incandescenza e quelle fluorescenti.

"Molti di questi materiali vengono coltivati ​​su superfici costose come un substrato di zaffiro da quattro pollici", afferma Sebastian Fernández, uno studente di dottorato nel laboratorio di Congreve e autore principale dell'articolo. “Solo l’acquisto di questo substrato costa poche centinaia di dollari”.

I PeLED utilizzano un semiconduttore noto come perovskite ad alogenuri metallici, composto da una miscela di diversi elementi. Gli ingegneri possono coltivare cristalli di perovskite su substrati di vetro, risparmiando una somma significativa rispetto ai normali LED. Possono anche sciogliere le perovskiti in soluzione e “dipingerle” sul vetro per creare uno strato che emette luce, un processo di produzione più semplice di quello richiesto dai normali LED.

Questi vantaggi potrebbero rendere possibile un’illuminazione interna efficiente dal punto di vista energetico per una parte maggiore dell’ambiente costruito, riducendo la domanda di energia. I PeLED potrebbero anche migliorare la purezza del colore degli smartphone e dei display TV. "Un verde è più verde, un blu è più blu", afferma Congreve. "Puoi letteralmente vedere più colori dal dispositivo."

La maggior parte dei PeLED oggi, tuttavia, si esauriscono dopo solo poche ore. E spesso non raggiungono l'efficienza energetica dei LED standard, a causa di lacune casuali nella struttura atomica della perovskite note come difetti. "Dovrebbe esserci un atomo qui, ma non c'è", spiega Congreve. "L'energia entra lì, ma non fa uscire la luce, quindi danneggia l'efficienza complessiva del dispositivo."

Per mitigare questi problemi, Fernández si è basato su una tecnica introdotta da Congreve e Mahesh Gangishetty, assistente professore di chimica alla Mississippi State University e coautore dell'articolo. Molte di queste lacune che sprecano energia nelle perovskiti si verificano dove dovrebbero trovarsi gli atomi di piombo. Sostituendo il 30% del piombo della perovskite con atomi di manganese, che aiutano a colmare queste lacune, il team ha più che raddoppiato la luminosità dei PeLED, quasi triplicato l'efficienza e prolungato la durata delle luci da meno di un minuto a 37 minuti.

La tecnica ha anche il potenziale per spostare l’ago della bilancia sui rischi per la salute. "Il piombo è estremamente importante per l'emissione di luce all'interno di questo materiale, ma allo stesso tempo è noto che è tossico", afferma Fernández. Questo tipo di piombo è anche solubile in acqua, il che significa che potrebbe fuoriuscire, ad esempio, dallo schermo di uno smartphone rotto. "Le persone sono scettiche nei confronti della tecnologia commerciale che è tossica, quindi questo mi ha spinto a prendere in considerazione anche altri materiali."