Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

LEDowa rewolucja

Technologia LED, czyli dioda elektroluminescencyjna albo po prostu dioda emitująca światło (ang. LED, light-emitting diodes) zrewolucjonizowała rynki oświetlenia i wyświetlaczy, nie tylko dlatego, że w zakresie zużycia energii jest znacznie bardziej efektywna niż jakakolwiek wcześniejsza technologia emitująca światło. MicroLED, oparte na nieorganicznych, „złożonych” półprzewodnikach umożliwiają powstawanie wyświetlaczy o niespotykanej dotąd rozdzielczości. Równocześniej organiczne półprzewodniki LED (tzw. OLED) dostarczają nieporównywalną z niczym jakość kolorów i zakres dobrej widoczności sięgający niemal 180 stopni, a ponadto mogą być użyte do wytwarzania elastycznych, niezwykle lekkich wyświetlaczy. W najnowszym numerze tygodnika „Nature” (nr 562) dwa artykuły donoszą o powstaniu nowej odnogi rodziny LED, opartej na półprzewodnikach zwanych perowskitami. Efektywność z jaką LEDy oparte na perowskicie (tzw. PLED) produkują światło jest porównywalna do tej, z jaką pracują najlepsze OLEDy i jest to efekt osiągnięty po zaledwie czterech latach pracy nad nimi, co pozwala przypuszczać, że jeszcze wiele da się osiągnąć.

Perowskity zrobiły w ostatnich latach furorę w świecie nauki przede wszystkim jako wielka nadzieja dla tanich i wydajnych baterii słonecznych, ale ich potencjalne użycie w innych dziedzinach, takich jak czujniki światła i LEDy, także zyskało uznanie. Kluczowe jest to, że perowskity mogą być zaadaptowane do rozwiązań o niskich kosztach i niewymagających szczególnie zaawansowanej technologii. Dobrze sprawdzają się w optoelektronicznych urządzeniach o najprostszej technice produkcji. To oznacza, że nawet duże urządzenia oparte na perowskitach mogą być produkowane bardzo tanio i przy niskim poziomie tzw. szarej energii (energii zużytej w całym cyklu istnienia produktu, od produkcji, przez użycie, do recyklingu).

Perowskit w laboratoriach

Swoje badania nad technologią PLED publikują dwa zespoły naukowców – jeden prowadzony przez Yu Cao z Nanjing Tech University i skupiający przede wszystkim badaczy tej uczelni, a drugi, znacznie bardziej międzynarodowy, zbierający badaczy z Chin, Singapuru i Kanady – pierwszym autorem tej publikacji jest Kebin Lin, doktorant z Huaqiao University w chińskim Xiamen. Oba zespoły niezależnie rozwinęły technologię PLED do poziomu, który przełamuje ważną technologiczną barierę: zewnętrzna sprawność kwantowa (ang. external quantum efficiency, EQE) urządzeń ją stosujących, czyli stosunek liczby wytworzonych fotonów do liczby zużytych w tym procesie elektronów jest większy niż 20 procent.

Między mechanizmami opisanymi przez oba zespołu widać pewne podobieństwa. Najbardziej znaczące jest to, że w obu przypadkach aktywna (emisyjna) warstwa perowskitu ma grubość około 200 nanometów i znajduje się między dwoma relatywnie prostymi elektrodami. Taka forma nazywana jest strukturą płaszczyznową i jest najprostszym sposobem uporządkownia diod zrobionych z błon materiałowych. Elektody są odpowiednio zmodyfikowane by mieć pewność, że elektrony i pseudocząsteczki zwane dziurami elektronowymi zostały poprawnie zainstalowane i trzymają się półprzewodnika. Jak we wszystkich LEDach, kiedy elektron napotka dziurę, uwalnia energię w postaci fotonów w procesie zwanym rekombinacją radiacyjną.

Innym podobieństwem obu rozwiązań jest to, że warstwy perowskitu przygotowano przy użyciu roztworu, z którego półprzewodniki krystalizowały się do formy elementów emisyjnych LED. Zespół Yu Cao posłużył się perowskitem o nazwie formamidinium jodku ołowiu (ang. formamidinium lead iodide, FAPI) mieszanego z dodatkiem aminokwasu (kwasu aminowalerianowego), którego zadaniem jest kontrolowanie wielkości i kształtu powstałego kryształu perowskitu.

FAPI, który jako półprzewodnik zaproponował zespół Yu Cao, był już wykorzystywany jako półprzewodnik w bateriach słonecznych. Zespół Kebin Lin natomiast informuje w swojej publikacji o zastosowaniu nowego kompozytowego materiału, w którym kryształy perowskitu CsPbBr3 (Cs – Cez, Pb – ołów, Br – brom) są częściowo osłonięte skorupą organicznych związków chemicznych (bromku metyloamoniowego, MABr).

Osięgnięcie zewnętrznej sprawności kwantowej w dowolnym LED wymaga eliminacji nieradiacyjnych strat, czyli dróg rekombinacji przewodnictwa dziurowego, które nie produkuje fotonów. Oba zespoły badawcze równie dobrze poradziły sobie z tym problemem. Każdy z nich do osiągnięcia tego efektu posłużył się jednak odmiennymi metodami.

Grupa z Nanjing Tech University skupiła się na tak zwanym problemie zerwanego połączenia (ang. outcoupling problem), dobrze znanym tym, którzy pracują z LEDami z cienkimi błonami, takimi jak PLEDy i OLEDy. Problem zerwanego połączenia polega na tym, że specyficzna fizyka optyczna diod sprawia, że od 70 do 80 procent światła generowanego przez półprzewodnik nie jest w ogóle uwalniana z urządzenia. W pracach nad technologią OLED próbowano wielu różnych strategii – takich jak zastosowanie siatek defrakcyjnych i wyboczanie urządzeń – które miały przynieść rozwiązanie tego problemu.

Zespół Yu Cao podszedł do sprawy znacznie prościej, optymalizując warunki obrabiania perowskitu, tak żeby warstwa emisyjna spontanicznie formowała się w oddzielne płytki z kryształami submikrometrycznymi. Modelowanie komputerowe przeprowadzone przez autorów publikacji wykazało, że strukturowanie submikrometryczne zwiększa frakcję światła, która sprawia, że warstwa emisyjna urządzenia ma wydajność na poziomie 30 procent, w porównaniu do 22 procent w przypadku odpowiedającego mu urządzenia z „płaskimi warstwami”, to znaczy takimi, przy których nie zastosowano strukturowania submikrometrycznego. W połączeniu z redukcją nieradiacyjnych strat cała procedura skutkuje zewnętrzną sprawnością kwantową na poziomie 20,7 procent, a więc przekracza technologiczną barierę EQE, postawioną na poziomie 20 procent.

Dla odmiany, chińsko-singapursko-kanadyjski zespół posłużył się płaskim warstwami emisyjnymi, ale podjął się optymalizacji równowagi między elektronami a dziurami elektronowymi „wstrzykiwanymi” do perowskitu, aby każde ładowanie było jak najefektywniejsze. Umożliwiają to skorupy bromku metyloamoniowego (MABr), które sprawiają, że kryształy perowskitu trzymają się blisko siebie. W efekcie zastosowania takiego rozwiązania PLEDy osiągają poziom EQE w wysokości 20,3 procent, a więc również przekraczają poziom 20 procent.

Przyszłość, jeszcze nie dziś

Mimo wszystko jednak warto jeszcze wstrzymać się z zamawianiem telewizora ultrahigh-definition w technologii PLED. OLEDy i właściwie wszystkie rozwiązania optoelektroniczne oparte na organicznych półprzewodnikach docierały się przez lata, długo cierpiąc z powodu różnych niestabilności. Czas emitowania światła przez pierwsze polimery OLEDowe można było liczyć w sekunadach i konieczny było potężny skok rozwojowy, żeby smartfony i wyświetlacze telewizyjne w technologii OLED były w stanie przetrwać dziesiątki tysięcy godzin. Czas życia LEDów może być mierzony za pomocą tak zwanej miary T50, czyli czasu w którym wydajność urządzenia spada o połowę. Wartość T50 w przypadku obu osiągniętych wyników jest jeszcze bardzo skromna i wynosi 20 godzin w przypadku zespołu Yu Cao i 100 godzin, które deklarują Kebin Lin i współautorzy drugiej publikacji.

Co więcej, wyświetlacze potrzebują co najmniej trzech kolorów (a ich większa liczba jest bardzo wskazana) by stworzyć kolorowy obraz wysokiej jakości. Rozwój gamy kolorów dla OLEDów był wielkim wyzwaniem. Póki co, zespół z Nanjin pracuje z PLEDami emitującymi prawie podczerwone światło w spektrum elektomagnetycznym, a PLED grupy Lin emituje światło zielone – wszystko to zaledwie dobry start. Wielokolorowe PLEDy mogą zostać wytworzone przez zastępowanie poszczególnych składników urządzeń, ale badaczy pracujących z tą technologią tak czy inaczej czeka długa droga rozwoju, którą przechodziła wcześniej technologia OLED.

Oba opublikowane artykuły podkreślają także problemy, które pojawiają się zawsze, gdy nowe optoelektroniczne materiały pojawiają się na platformie technologicznej, a szerzej, gdy jakakolwiek nowa technologia pojawia się na rynku. Chodzi o niespójności w charakterystyce i brak jednolitych standardów. Ponieważ autorzy pierwszego artykułu opisują PLED emitujący także światło spoza spektrum widzialności, to wartości, jakie osiągają ich urządzenia podają  wkategoriach radiometrycznych – posługują się miarą, która bierze pod uwagę całą emitowaną energię. Tymczasem autorzy drugiego artykułu, opisując emitowanie światła przez zielone PLEDy, posługują się miarą fotometryczną, której podstawowym wyznaczkiem jest to, co widzialne dla ludzkiego oka. Różnice widać także w odmiennym sposobie określania górnej granicy EQE, co sprawia, że bezpośrednie porównanie wyników jest bardzo problematyczne.

Pozostawiając jednak na boku te zastrzeżenia, nie ma wątpliwości, że obie publikacje są kamieniami milowymi w rozwoju technologii PLED. Póki co, LEDy oparte na złożonych półprzewodnikach pozostają wciąż dominującą technologią, deklasując rywali w wielu różnych aspektach, w tym tak ważnych jak koszty, efektywność, colorystyka i jasność. Pewnie trudno będzie je prześcignąć. Nie powinno to jednak powstrzymywać pionierów w rozwoju technologii LED opartej o petrowskitach.

 

Omawiane artykuły:

Yu Cao et. al.: Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures. „Nature” nr 562, s. 249–253 (2018)

Kebin Lin et. al.: Perovskite light-emitting diodes with external quantum efficiency exceeding 20 per cent. „Nature” nr 562, s. 245–248 (2018)

 

Opracowano na podstawie artykułu LED technology breaks performance barrier, opublikowanego w tygodniku „Nature” nr 562, s. 197-198 (2018).