Selbstorganisierende Teilchen hellen die Zukunft der LED-Beleuchtung auf

Gerade als sich Lichtliebhaber an einem dunklen Ort aufhielten, kamen LEDs zur Rettung. In den letzten zehn Jahren haben LED-Technologien – kurz für Leuchtdioden – die Beleuchtungsindustrie mit Eigenschaften wie Langlebigkeit, Effizienz und langer Lebensdauer erobert.

Nun haben die Ingenieure von Princeton einen weiteren Weg für LED-Technologien beschritten, indem sie die Herstellung von Lichtquellen aus kristallinen Substanzen, den sogenannten Perowskiten, verfeinern, eine effizientere und potenziell kostengünstigere Alternative zu LED-Materialien.

Die Forscher entwickelten eine Technik, bei der sich nanoskalige Perowskit-Partikel selbstorganisieren, um effizientere, stabilere und haltbare Perowskit-basierte LEDs zu erzeugen. Der Fortschritt, berichtet am 16. Januar in Nature Photonics, könnte die Verwendung von Perowskit-Technologien in kommerziellen Anwendungen wie Beleuchtung, Laser und Fernsehen und Computerbildschirmen beschleunigen.

„Die Leistung von Perowskiten in Solarzellen hat in den letzten Jahren stark zugenommen, und sie haben Eigenschaften, die sie für LEDs vielversprechend machen, aber die Unfähigkeit, einheitliche und helle Nanopartikel-Perowskitfilme zu erzeugen, hat ihr Potenzial begrenzt“, sagte  Barry Rand , Dozent für  Elektrotechnik  und das  Andlinger Zentrum für Energie und Umwelt  in Princeton.

„Unsere neue Technik ermöglicht die Selbstorganisation dieser Nanopartikel, um ultra-feinkörnige Filme zu erzeugen, ein Fortschritt in der Herstellung, der Perowskit-LEDs eher als eine echte Alternative zu bestehenden Technologien erscheinen lässt“, fügte Rand, der leitende Forscher, hinzu.

LEDs geben Licht ab, wenn Spannung an die LED angelegt wird. Wenn das Licht angeschaltet wird, drückt elektrischer Strom Elektronen von der negativen Seite der Diode zur positiven Seite. Dies gibt Energie in Form von Licht frei. LEDs funktionieren am besten, wenn dieser Strom streng kontrolliert werden kann. In Rands Geräten erlaubten die dünnen Nanopartikel-basierten Filme genau das.

LEDs haben viele Vorteile gegenüber Glühlampen, einschließlich Haltbarkeit, längere Lebensdauer, geringere Größe, Energieeffizienz und geringe Wärmeentwicklung. Obwohl sie immer noch teurer als Leuchtstofflampen für die Raumbeleuchtung sind, sind sie energieeffizienter, leuchten schneller auf und verursachen weniger Umweltprobleme im Zusammenhang mit der Entsorgung.

Rands Team und andere Forscher erforschen Perowskite als eine potenziell kostengünstigere Alternative zu Galliumnitrid (GaN) und anderen Materialien, die in der LED-Fertigung verwendet werden. Kostengünstigere LEDs würden die Akzeptanz der Lampen beschleunigen und den Energieverbrauch und die Umweltbelastung reduzieren.

Perowskite weisen eine Reihe von interessanten Eigenschaften auf – sie können je nach Struktur supraleitend oder halbleitend sein -, die sie zu vielversprechenden Materialien für den Einsatz in elektrischen Geräten machen. In den letzten Jahren wurden sie als möglicher Ersatz für Silizium in Solarmodulen angepriesen: billiger in der Herstellung bei gleicher Effizienz wie einige Silizium-basierte Solarzellen.

Hybride organisch-anorganische Perowskitschichten werden durch Auflösen von Perowskitvorläufern in einer Lösung, die ein Metallhalogenid und ein organisches Ammoniumhalogenid enthält, hergestellt. Es ist ein relativ billiger und einfacher Prozess, der eine kostengünstige Alternative zu LEDs auf der Basis von Silizium und anderen Materialien bieten könnte.

Während jedoch die resultierenden Halbleiterfilme Licht in lebhaften Farben emittieren konnten, waren die Kristalle, die die Molekularstruktur der Filme bildeten, zu groß, was sie ineffizient und instabil machte.

In ihrer neuen Arbeit berichten Rand und sein Team, dass die Verwendung einer zusätzlichen Art von organischem Ammoniumhalogenid und insbesondere einem langkettigen Ammoniumhalogenid zur Perowskitlösung während der Herstellung die Bildung von Kristallen im Film drastisch einschränkte. Die resultierenden Kristallite waren viel kleiner (etwa 5-10 Nanometer im Durchmesser) als diejenigen, die mit früheren Verfahren erzeugt wurden, und die Halogenid-Perowskit-Filme waren viel dünner und glatter.

Dies führte zu einer besseren externen Quanteneffizienz, was bedeutet, dass die LEDs mehr Photonen pro Anzahl von Elektronen emittierten, die in das Gerät eintraten. Die Filme waren auch stabiler als diejenigen, die mit anderen Methoden hergestellt wurden.

Russell Holmes, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften an der Universität von Minnesota, sagte, dass die Princeton-Forschung Perowskit-basierte LEDs näher zur Kommerzialisierung bringt.

„Ihre Fähigkeit, die Verarbeitung des Perowskits zu steuern, erzeugte ultraflache, nanokristalline Dünnschichten, die für hocheffiziente Geräte geeignet sind“, sagte Holmes, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Dieses elegante und allgemeine Verarbeitungsschema wird wahrscheinlich eine breite Anwendung auf andere aktive Perowskit-Materialien und Geräteplattformen haben.“

 

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