14 januari 2021

Forskare vid Linköpings universitet har utvecklat lysdioder baserat på perovskiter som effektivt avger blått ljus. ”Jag ser det som ett genombrott”, säger LiU-professorn Feng Gao. Upptäckten kan på sikt leda till billig och energieffektiv belysning.

Weidong Xu i labbet jobbar med en perovskit.
Weidong Xu är postdoktor på institutionen för fysik, kemi och biologi vid LiU. Han är del av den forskargrupp som lyckats skapa halida perovskiter som lyser stabilt i ljusspektret mellan 490 och 451 nanometer. Thor Balkhed

Belysning står för cirka 20 procent av världens totala elförbrukning – men om alla ljuskällor istället bestod av lysdioder skulle motsvarande siffra vara cirka 5 procent. Dagens blåvita lysdioder kräver dock komplicerade tillverkningsmetoder och är fortfarande dyra vilket försvårar en global omställning.

Blålysande perovskit i förgrunden och ögon i bakgrunden.Halida perovskiter har minst en halogen i in kristallstruktur.
Foto Thor Balkhed
Lysdioder tillverkade av perovskiter som innehåller halogener skulle vara ett billigare och mer miljövänligt alternativ både för belysning och led-skärmar.

Perovskiter är en familj av halvledande material som definieras av sin kubiska kristallstruktur. De har bra ljusemitterande egenskaper och är enkla att tillverka. Med hjälp av halogena grundämnen, det vill säga fluor, klor, brom och jod kan perovskiterna få olika egenskaper beroende på sammansättningen av kristallen. Grönt och rött ljus har redan skapats framgångsrikt med hjälp av perovskiter, men en färg saknas för att få till det eftertraktade vita ljuset.

– Blått ljus är nyckeln om ljusemitterande perovskiter ska få en praktisk tillämpning. Tack vare vårt senaste genombrott är vi ett steg närmre, säger Feng Gao, professor på institutionen för fysik, kemi och biologi vid Linköpings universitet, LiU.

Kontrollerad kristallisering

Feng Gaos forskargrupp vid LiU har tillsammans med kollegor i Lund, Storbritannien, Tyskland, Kina och Danmark lyckas skapa halida perovskiter som lyser stabilt i ljusspektret mellan 490 och 451 nanometer – det vill säga djupblått till himmelsblått. Max Karlsson är doktorand vid LiU och en av författarna till artikeln som nu publiceras i tidskriften Nature Communications:

– Halida perovskiter kan lysa i hela det synliga ljusspektrumet. Färgen justeras genom att använda olika sammansättningar av halogener i kristallstrukturen. Tyvärr blir blått ljus grönt under användning på grund av instabilitet i materialet. Blå-led-perovskiter i närbild.Blå lysdioder av perovskiter är nyckeln till att skapa vitt ljus, som är en blandning av rött, grönt och blått. Foto Thor BalkhedMen vi har hittat en metod som förhindrar färgskiftningen genom att kontrollera kristalliseringen under tillverkningen av perovskiten. Upptäckten banar väg för stabila perovskiter både för lysdioder och även solceller, säger Max Karlsson.

Utmaningen med att skapa blått ljus i perovskiter är att det krävs en stor andel klorid i den kemiska sammansättningen vilket gör perovskiten instabil. Tidigare har blå lysdioder av perovskit skapats med hjälp av så kallad kvantinneslutning, vilket resulterade i låg och ineffektiv ljusstyrka. Men med hjälp av en ångbaserad kristalliseringsteknik kan perovskiten behålla den önskade mängden klorid och fortfarande vara stabil. Dessutom har LiU-forskarna fått en hög energieffektivitet på sina blå lysdioder av perovskit med en topp på elva procent.

– Här visar vi att blå lysdioder baserat på halida perovskiter kan vara både effektiva och stabila över flera olika spektra utan hjälp av kvantinneslutning. Vi har lyckats skapa en av de mest effektiva blå perovskit-lysdioderna hittills, säger Weidong Xu, postdoktor på LiU.

Stor potential

Perovskiter är ett relativt nytt forskningsfält som röner stort intresse internationellt då potentialen för billiga och effektiva material är stor. Men Feng Gao vill poängtera att det fortfarande är grundforskning och att tillämpningarna ligger en bit in i framtiden.

– Lysdioder baserade på perovskiter är fortfarande i sin linda och det dröjer innan vi kan se dem på marknaden. Just nu är det den korta livslängden och undermåliga prestandan hos just blå lysdioder i perovskit som är det stora hindret innan de på allvar kan utmana existerande tekniker som är baserade på organiska och ickeorganiska halvledare. Vi kommer fortsätta att jobba för att lysdioder i perovskit ska kunna mäta sig med andra tekniker, säger Feng Gao.

Forskningen finansieras bland annat av Europeiska forskningsrådet, Vetenskapsrådet, Svenska Energimyndigheten, NanoLund och via den svenska strategiska satsningen på nya funktionella material, AFM, som bedrivs vid Linköpings universitet.

Artikeln: Mixed Halide Perovskites for Spectrally Stable and High-Efficiency Blue Light-Emitting Diodes Max Karlsson, Ziyue Yi, Sebastian Reichert, Xiyu Luo, Weihua Lin, Zeyu Zhang, Chunxiong Bao, Rui Zhang, Sai Bai, Guanhaojie Zheng, Pengpeng Teng, Lian Duan, Yue Lu, Kaibo Zheng, Tönu Pullerits, Carsten Deibel, Weidong Xu, Richard Friend, and Feng Gao. Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-020-20582-6

Foto Thor Balkhed

Kontakt

Fler nyheter om lysdioder av perovskit

Forskning på högsta nivå

Avancerade funktionella material - AFM

Avancerade funktionella material, AFM, är en  interdisciplinär forskningsmiljö som bedriver forskning inom avancerade funktionella material. Initiativet baseras på en satsning från regeringen med strategiska forskningsområden som grund.

Nyheter från AFM

Glasskiva med droppe belyst underifrån.

Nästa generations hållbara elektronik dopas med luft

Forskare vid LiU har utvecklat en ny metod där organiska halvledare kan bli mer ledande med hjälp av luft som störämne. Enligt forskarna är det ett stort steg mot framtidens billiga och hållbara organiska halvledare.

Knappbatteri på finger.

Miljövänligt och billigt batteri för låginkomstländer

Ett batteri gjort av zink och lignin som kan användas över 8000 gånger. Det har forskare vid LiU utvecklat med visionen att det billiga och hållbara batteriet ska kunna användas i länder där tillgången på elektricitet är begränsad.

Två forskare i lab.

Ett atomlager guld – LiU-forskare skapar guldén

För första gången har forskare lyckats skapa ark av guld som endast är ett atomlager tjockt. Enligt forskarna från LiU får guldet nya egenskaper som kan göra det lämpligt för bland annat framställning av värdefulla kemikalier.

Senaste nytt från LiU

Kampanj mot droger blev Emmas genombrott

När Kårservice i samarbete med kårerna bestämde att tydligt ta avstånd från droger och droghandel gick uppdraget till GDK-studenten Emma Kunelius. Hennes kampanj fick stort genomslag på campus och nominerades i tävlingen Stora Kommunikationspriset.

Ola Larsmo.

En brygga mellan universitetet och samhället

Författaren Ola Larsmo sammanfattar sin tid som gästprofessor vid LiU som spännande, givande och viktig. Han menar att det i dag är viktigare än någonsin att känna till sin historia och att förstå den.

Glasskiva med droppe belyst underifrån.

Nästa generations hållbara elektronik dopas med luft

Forskare vid LiU har utvecklat en ny metod där organiska halvledare kan bli mer ledande med hjälp av luft som störämne. Enligt forskarna är det ett stort steg mot framtidens billiga och hållbara organiska halvledare.