Precis när ljusälskare var på en mörk plats, Lysdioder kom till undsättning. Under det senaste decenniet, LED-tekniker – en förkortning för lysdioder – har svept över belysningsindustrin genom att erbjuda funktioner som hållbarhet, effektivitet och lång livslängd.

Nu, Princetons ingenjörsforskare har belyst en annan väg framåt för LED-teknik genom att förfina tillverkningen av ljuskällor gjorda med kristallina ämnen som kallas perovskiter, ett mer effektivt och potentiellt billigare alternativ till material som används i lysdioder som finns på butikshyllorna.

Forskarna utvecklade en teknik där perovskitpartiklar i nanoskala självmonteras för att producera mer effektiva, stabila och hållbara perovskite-baserade lysdioder. Förskottet, rapporterade 16 januari in Nature Photonics , skulle kunna påskynda användningen av perovskite-teknologier i kommersiella tillämpningar som belysning, laser och tv- och datorskärmar.

"Prestandan hos perovskiter i solceller har verkligen tagit fart de senaste åren, och de har egenskaper som ger dem mycket lovande för lysdioder, men oförmågan att skapa enhetliga och ljusa nanopartikel perovskitfilmer har begränsat deras potential, " sa Barry Rand, biträdande professor i elektroteknik och Andlinger Center for Energy and the Environment i Princeton.

"Vår nya teknik tillåter dessa nanopartiklar att självmontera för att skapa ultrafinkorniga filmer, ett framsteg inom tillverkningen som får perovskite LED att se mer ut som ett lönsamt alternativ till befintliga teknologier, "Rand, den ledande forskaren, Lagt till.

Lysdioder avger ljus när spänning appliceras över lysdioden. När lampan tänds, elektrisk ström tvingar elektroner från den negativa sidan av dioden till den positiva sidan. Detta frigör energi i form av ljus. Lysdioder fungerar bäst när denna ström kan kontrolleras strikt. I Rands enheter, de tunna nanopartikelbaserade filmerna tillät just det.

LED har många fördelar jämfört med glödlampor, inklusive hållbarhet, längre liv, mindre storlek, energieffektivitet och låg värme. Även om de fortfarande är dyrare än lysrör för rumsbelysning, de är mer energieffektiva, tänds snabbare och ger färre miljöproblem relaterade till kassering.

Rands team och andra forskare undersöker perovskiter som ett potentiellt billigare alternativ till galliumnitrid (GaN) och andra material som används i LED-tillverkning. Lägre kostnadslysdioder skulle påskynda acceptansen av glödlamporna, minska energianvändningen och miljöpåverkan.

Perovskite är ett mineral som ursprungligen upptäcktes i mitten av 1800-talet i Ryssland och namnges efter den ryske mineralogen Lev Perovski. Termen "perovskite" sträcker sig till en klass av föreningar som delar den kristallina strukturen av Perovskis mineral, en distinkt kombination av rut- och diamantformer.

Perovskiter uppvisar ett antal spännande egenskaper - de kan vara supraledande eller halvledande, beroende på deras struktur - vilket gör dem till lovande material för användning i elektriska apparater. Under de senaste åren har de har utpekats som en potentiell ersättning för kisel i solpaneler:billigare att tillverka samtidigt som de erbjuder samma effektivitet som vissa kiselbaserade solceller.

Hybrida organisk-oorganiska perovskitskikt tillverkas genom att lösa perovskitprekursorer i en lösning innehållande en metallhalogenid och en organisk ammoniumhalogenid. Det är en relativt billig och enkel process som skulle kunna erbjuda ett billigt alternativ till lysdioder baserade på kisel och andra material.

Dock, medan de resulterande halvledarfilmerna kunde avge ljus i levande färger, kristallerna som bildar filmernas molekylära struktur var för stora, vilket gjorde dem ineffektiva och instabila.

I deras nya tidning, Rand och hans team rapporterar att användningen av en ytterligare typ av organisk ammoniumhalogenid, och i synnerhet en långkedjig ammoniumhalogenid, till perovskitlösningen under produktionen dramatiskt begränsade bildandet av kristaller i filmen. De resulterande kristalliterna var mycket mindre (cirka 5-10 nanometer i diameter) än de som genererades med tidigare metoder, och halogenidperovskitfilmerna var mycket tunnare och slätare.

Detta ledde till bättre extern kvanteffektivitet, vilket betyder att lysdioderna sänder ut fler fotoner per antal elektroner som kommer in i enheten. Filmerna var också mer stabila än de som producerades med andra metoder.

Russell Holmes, professor i materialvetenskap och teknik vid University of Minnesota, sade Princeton-forskningen för perovskit-baserade lysdioder närmare kommersialisering.

"Deras förmåga att kontrollera bearbetningen av perovskiten genererade ultraplatt, nanokristallina tunna filmer lämpliga för högeffektiva enheter, sa Holmes, som inte var involverad i forskningen. "Detta eleganta och allmänna bearbetningsschema kommer sannolikt att ha bred tillämpning på andra aktiva perovskite-material och enhetsplattformar."