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很有可能，你正在阅读的屏幕由于发光二极管(俗称led)而发光。这种广泛应用的技术提供了节能的室内照明，并越来越多地照亮了我们的电脑显示器、电视和智能手机屏幕。不幸的是，它也需要一个相对费力和昂贵的制造过程。
为了解决这个缺点，斯坦福大学的研究人员测试了一种方法，可以提高钙钛矿led的亮度和效率，这是一种更便宜、更容易制造的替代品。然而，他们的改进会导致灯光在几分钟内熄灭，这表明，要推进这类材料，必须了解谨慎的权衡。
“我们在理解为什么它会退化方面迈出了一大步。问题是，我们能否找到一种方法来减轻这种影响，同时保持效率?”Dan Congreve说，他是电子工程助理教授，也是该论文的资深作者，发表在8月1日的《设备》杂志上。“如果我们能做到这一点，我认为我们就能真正开始朝着可行的商业解决方案努力。”
简单地说，led通过让电流通过晶体材料的半导体层，在外加电场的作用下发光，从而将电能转化为光。但与白炽灯和荧光灯等能效较低的灯相比，制造这些半导体变得复杂而昂贵。
“很多这些材料都是在昂贵的表面上生长的，比如四英寸的蓝宝石衬底，”塞巴斯蒂安Fernández说，他是康格里夫实验室的博士生，也是这篇论文的主要作者。“仅仅购买这种基板就需要几百美元。”
发光二极管使用一种被称为金属卤化物钙钛矿的半导体，由不同元素混合而成。工程师可以在玻璃衬底上生长钙钛矿晶体，与普通led相比节省了大量资金。他们还可以将钙钛矿溶解在溶液中，并将其“涂”在玻璃上，形成一层发光层，这是一种比普通led更简单的生产过程。
这些优点可以使节能的室内照明在更多的建筑环境中变得可行，从而减少能源需求。pled还可以提高智能手机和电视显示屏的色彩纯度。“绿色更绿，蓝色更蓝，”康格里夫说。“你可以从这个设备上看到更多的颜色。”
然而，今天的大多数peled在几个小时后就消失了。而且，由于钙钛矿原子结构中的随机间隙(称为缺陷)，它们的能效往往达不到标准led的能效。“这里应该有一个原子，但是没有，”康格里夫解释说。“能量进入那里，但你没有得到光，所以它损害了设备的整体效率。”
为了缓解这些问题，Fernández建立在Congreve和密西西比州立大学化学助理教授Mahesh Gangishetty首次推出的技术上，Mahesh Gangishetty是该论文的合著者。钙钛矿中许多浪费能量的空隙出现在铅原子应该存在的地方。通过用锰原子代替钙钛矿中30%的铅，这有助于填补这些空白，研究小组将pled的亮度提高了一倍多，效率几乎提高了三倍，并将灯的寿命从不到一分钟延长到37分钟。
这项技术也有可能降低健康风险。“铅对这种材料的发光非常重要，但与此同时，铅是有毒的，”Fernández说。这种类型的铅也是水溶性的，这意味着它可能会从破裂的智能手机屏幕中漏出来。“人们对有毒的商业技术持怀疑态度，所以这也促使我考虑其他材料。”
但是Fernández更进一步，将一种叫做TFPPO的氧化膦混合到钙钛矿中。他说:“我把它加了进去，发现效率一下子就提高了。”这种添加剂使这种灯的能效比只添加锰的灯高5倍，并且发出了迄今为止有记录以来最亮的光之一。
但这些好处也有一个缺点:灯光在两分半钟内就减弱到了峰值亮度的一半。(另一方面，没有经过TFPPO处理的钙钛矿的亮度可以维持37分钟。)
Fernández认为，随着时间的推移，在有TFPPO的ped中，电能转化为光的效率比没有TFPPO的低，这主要是由于ped中电荷传输的障碍增加。研究小组还认为，虽然TFPPO最初填补了钙钛矿原子结构中的一些空白，但这些空白很快就会重新打开，导致能源效率和耐久性一起下降。
展望未来，Fernández希望试验不同的氧化膦添加剂，看看它们是否会产生不同的效果，以及原因。
“显然，这种添加剂在效率方面是令人难以置信的，”Fernández说。“然而，它对稳定性的影响需要被抑制，这样才有希望将这种材料商业化。”
康格里夫的实验室也在努力解决ped的其他限制，比如它们在产生紫外光和紫外线方面的困难。在最近发表在《物质》杂志上的另一篇论文中，博士生Manchen Hu(也是Device论文的合著者)的团队发现，通过向钙钛矿晶体形成的溶液中加水，他们可以生产出发光紫光的pled，其效率提高了五倍。
随着进一步的改进，紫外线发光二极管可以为医疗设备消毒，净化水，帮助种植室内作物——所有这些都比目前的led更便宜。
更多信息:Sebastian Fernández等人，Mn2+掺杂钙钛矿发光二极管的效率和稳定性之间的权衡，Device(2023)。DOI: 10.1016 / j.device.2023.100017
胡曼辰等，水添加剂提高紫色钙钛矿发光二极管的效率，Matter(2023)。DOI: 10.1016/j.matt.2023.05.018期刊信息:Device, Matter
斯坦福大学提供
引用:工程师使用分子添加剂使新的LED效率更高，但稳定性较差(2023年，8月2日)
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