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.
Halida perovskiter har minst en halogen i in kristallstruktur.
Foto Thor BalkhedLysdioder 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 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
