工程师使用分子添加剂使新型LED效率更高但稳定性较差

您正在阅读的屏幕很可能会因为发光二极管(通常称为LED)而发光。这项广泛应用的技术提供了节能的室内照明，并越来越多地照亮我们的电脑显示器、电视和智能手机屏幕。不幸的是，它还需要相对费力且昂贵的制造过程。

为了解决这个缺点，斯坦福大学的研究人员测试了一种提高钙钛矿LED(即PeLED)亮度和效率的方法，这是一种更便宜、更容易制造的替代品。然而，它们的增强导致灯光在几分钟内熄灭，这表明了推进此类材料必须进行仔细的权衡。

“我们采取了一些重大措施来了解其性能下降的原因。问题是，我们能否找到一种方法来减轻这种情况，同时保持效率?”电气工程助理教授、该论文的资深作者DanCongreve说道，该论文于8月1日发表在《Device》杂志上。“如果我们能做到这一点，我认为我们就可以真正开始致力于寻找可行的商业解决方案。”

钙钛矿的前景和陷阱

简而言之，LED通过使电流流过半导体(晶体材料层，在施加的电场下发光)将电能转化为光。但与白炽灯和荧光灯等节能灯相比，制造这些半导体变得复杂且成本高昂。

“许多这些材料都是在昂贵的表面上生长的，例如四英寸的蓝宝石基板，”博士塞巴斯蒂安·费尔南德斯(SebastianFernández)说。康格里夫实验室的学生和该论文的主要作者。“光是购买这种基材就需要几百美元。”

PeLED使用一种称为金属卤化物钙钛矿的半导体，由不同元素的混合物组成。工程师可以在玻璃基板上生长钙钛矿晶体，与普通LED相比可以节省大量资金。他们还可以将钙钛矿溶解在溶液中，并将其“涂”到玻璃上以形成发光层，这比普通LED所需的生产过程更简单。

这些优点可以使节能室内照明适用于更多的建筑环境，从而减少能源需求。PeLED还可以提高智能手机和电视显示器的色彩纯度。“绿色更绿，蓝色更蓝，”康格里夫说。“你确实可以从设备上看到更多颜色。”

然而，如今大多数PeLED都会在几个小时后逐渐消失。由于钙钛矿原子结构中的随机间隙(称为缺陷)，它们的能效通常无法与标准LED相匹配。“这里应该有一个原子，但实际上没有，”康格里夫解释道。“能量进入那里，但光无法散发出去，因此会损害设备的整体效率。”

光泽更亮，褪色更快

为了缓解这些问题，费尔南德斯采用了康格里夫和密西西比州立大学化学助理教授、该论文的合著者马赫什·甘吉什蒂(MaheshGangishetty)首次提出的技术。钙钛矿中许多浪费能量的间隙出现在铅原子应该出现的地方。通过用锰原子取代30%的钙钛矿铅(这有助于填补这些空白)，该团队将PeLED的亮度提高了一倍以上，效率几乎提高了两倍，并将灯的使用寿命从不到一分钟延长到了37分钟。

该技术还有可能改善健康风险。费尔南德斯说：“铅对于这种材料内的光发射极其重要，但与此同时，铅是有毒的。”这种类型的铅也是水溶性的，这意味着它可能会通过破裂的智能手机屏幕泄漏。“人们对有毒的商业技术持怀疑态度，因此这也促使我考虑其他材料。”

但费尔南德斯更进一步，将一种名为TFPPO的氧化膦混合到钙钛矿中。“我添加了它，发现效率直线上升，”他说。这种添加剂使灯的能效比仅添加锰的灯高出五倍，并发出迄今为止有记录的PeLED中最亮的光芒之一。

但这种增益也有一个缺点：灯光在短短两分半钟内就降至峰值亮度的一半。(另一方面，未经TFPPO处理的钙钛矿能够保持亮度37分钟。)

了解权衡

Fernández认为，随着时间的推移，使用TFPPO的PeLED将电能转化为光的效率会比不使用TFPPO的PeLED低，这主要是由于与PeLED内电荷传输相关的障碍增加。该团队还表明，虽然TFPPO最初填补了钙钛矿原子结构中的一些间隙，但这些间隙很快就会重新打开，导致能源效率和耐用性下降。

展望未来，费尔南德斯希望尝试不同的氧化膦添加剂，看看它们是否会产生不同的效果，以及原因。

“显然，这种添加剂的效率令人难以置信，”费尔南德斯说。“然而，需要抑制它对稳定性的影响，才有希望将这种材料商业化。”

Congreve的实验室也在致力于解决PeLED的其他局限性，例如难以产生紫光和紫外光。最近由博士领导的《Matter》杂志上的另一篇论文中。在学生ManchenHu(也是该设备论文的合著者)的带领下，该团队发现，通过在形成钙钛矿晶体的溶液中添加水，他们可以生产出发出明亮紫光的效率提高五倍的PeLED。

经过进一步改进，紫外线PeLED可以对医疗设备进行消毒、净化水并帮助种植室内作物——所有这些都比当前LED更便宜。

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