次はより明るく、より効率的に

スタンフォード大学工学部2023年8月25日

Congreve の研究室にある 8 つの緑色のペロブスカイト LED 基板は、研究者が紫外線を当てると光ります。 クレジット: セバスチャン・フェルナンデス / スタンフォード大学

スタンフォード大学の研究者らは、安価で製造が容易なタイプの LED であるペロブスカイト LED の材料構成をいじることで、明るさと効率の飛躍的な向上を達成しましたが、数分使用すると光が消えてしまうことがわかりました。

おそらく、あなたが読んでいる画面は、一般的に LED として知られる発光ダイオードのおかげで光っているのでしょう。 この広く普及したテクノロジーは、エネルギー効率の高い屋内照明を提供し、コンピューターのモニター、テレビ、スマートフォンの画面をますます明るく照らします。 残念ながら、比較的手間がかかり、高価な製造プロセスも必要となります。

この欠点に対処することを期待して、スタンフォード大学の研究者らは、安価で製造が容易な代替品であるペロブスカイト LED (PeLED) の輝度と効率を高める方法をテストしました。 しかし、それらの機能強化により、数分以内にライトが消えてしまい、このクラスのマテリアルを進歩させるには慎重なトレードオフを理解する必要があることがわかりました。

「なぜ劣化しているのかを理解するために、私たちは大きな一歩を踏み出しました。 問題は、効率を維持しながらそれを軽減する方法を見つけられるかどうかです。」 電気工学の助教授であり、今月初めにジャーナル「Device」に掲載された論文の主著者であるダン・コングリーブ氏は言う。 「それができれば、実用的な商業的解決策に向けて本格的に取り組み始めることができると思います。」

Congreve の研究室にある 8 個の緑色のマンガンをドープしたペロブスカイト LED は、研究者が電流を流すと光ります。 クレジット: セバスチャン・フェルナンデス / スタンフォード大学

In simplest terms, LEDs transform electrical energy into light by passing electric current through a semiconductor – layers of crystalline material that emits light with an applied electric field. But creating those semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">半導体は、白熱灯や蛍光灯などのエネルギー効率の低い照明に比べて複雑で高価になります。

「これらの材料の多くは、4 インチのサファイア基板などの高価な表面上で成長します」と、Congreve の研究室の博士課程の学生で論文の筆頭著者である Sebastian Fernández 氏は言います。 「この基板を購入するだけでも数百ドルかかります。」

PeLED は、さまざまな元素の混合物で構成されるメタルハライド ペロブスカイトとして知られる半導体を使用します。 エンジニアはガラス基板上でペロブスカイト結晶を成長させることができるため、通常の LED と比較して大幅なコストを節約できます。 また、ペロブスカイトを溶液に溶解し、それをガラス上に「ペイント」して発光層を作成することもできます。これは、通常の LED に必要な製造プロセスよりも簡単です。

これらの利点により、エネルギー効率の高い屋内照明をより多くの建築環境で実現できるようになり、エネルギー需要が削減される可能性があります。 PeLED は、スマートフォンやテレビのディスプレイの色純度を鮮明にすることもできます。 「緑はより緑に、青はより青に」とコングリーブ氏は言う。 「このデバイスからは文字通り、より多くの色が見えるようになります。」

Most PeLEDs today, however, peter out after just a few hours. And they often don’t match the energy efficiency of standard LEDs, due to random gaps in the perovskite’s atomic structure known as defects. “There should be an atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"atom here, but there’s not,” Congreve explains. “Energy goes in there, but you don’t get light out, so it harms the overall efficiency of the device.”/p>