ثمانية ركائز من البيروفسكايت LED الخضراء في مختبر Congreve تسلط الضوء فوق البنفسجي عليها. الائتمان: سيباستيان فرنانديز / جامعة ستانفورد
تعمل المادة المضافة الجزيئية على تحسين الجيل القادم من مصابيح LED – ولكنها تقصر من عمرها الافتراضي
من خلال تعديل التركيبة المادية لمصابيح البيروفسكايت LED، وهي النوع الأرخص والأكثر سهولة في تصنيع مصابيح LED، قام الباحثون في جامعة ستانفورد بإجراء تحسينات في السطوع والكفاءة – لكنهم وجدوا أن مصابيحهم انطفأت بعد بضع دقائق فقط من الاستخدام.
تتم إضاءة شاشة القراءة الخاصة بك بواسطة الثنائيات الباعثة للضوء، والمعروفة باسم مصابيح LED. توفر هذه التكنولوجيا المنتشرة إضاءة داخلية موفرة للطاقة وتجعل شاشات الكمبيوتر وأجهزة التلفزيون وشاشات الهواتف الذكية أكثر سطوعًا. ولسوء الحظ، فإن هذا يتطلب عملية تصنيع شاقة ومكلفة نسبيا.
سعي جامعة ستانفورد إلى توفير إضاءة ميسورة التكلفة وفعالة
على أمل معالجة هذا القصور، اختبر باحثون من جامعة ستانفورد طريقة لزيادة سطوع وكفاءة مصابيح البيروفسكايت LED، إلا أن التحسينات التي قاموا بها أطفئت الأضواء في غضون دقائق، مما يدل على المفاضلات الدقيقة التي يجب فهمها لتطوير هذا النوع من المواد.
“لقد اتخذنا بعض الخطوات الكبيرة نحو فهم سبب تدهورها. والسؤال هو، هل يمكننا إيجاد طريقة لتخفيفها مع الحفاظ على الأداء؟” تم نشر دان كونجريف، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وكبير مؤلفي المقال، في المجلة في وقت سابق من هذا الشهر جهاز. “إذا تمكنا من القيام بذلك، أعتقد أنه يمكننا حقًا البدء في العمل نحو حل تجاري قابل للتطبيق.”
تتوهج ثمانية مصابيح LED من البيروفسكايت الخضراء المشبعة بالمنجنيز في مختبر كونجريف عندما يقوم الباحثون بتشغيل تيار كهربائي. الائتمان: سيباستيان فرنانديز / جامعة ستانفورد
ما الذي يجعل مصابيح LED البيروفسكايت مختلفة؟
بعبارات بسيطة، تعمل مصابيح LED على تحويل الطاقة الكهربائية إلى ضوء عن طريق تمرير الكهرباء عبر طبقات شبه موصلة من المواد البلورية التي تنبعث منها الضوء مع مجال كهربائي مطبق. لكن خلقهم أشباه الموصلات معقدة ومكلفة مقارنة بالإضاءة الأقل كفاءة في استخدام الطاقة مثل المصابيح المتوهجة والفلورسنت.
يقول سيباستيان فرنانديز، طالب الدكتوراه في مختبر كونجريف والمؤلف الرئيسي للدراسة: “يتم زراعة الكثير من هذه المواد على أسطح باهظة الثمن مثل ركيزة من الياقوت يبلغ قطرها أربعة بوصات”. “إن شراء هذه الركيزة يكلف بضع مئات من الدولارات.”
تستخدم PELEDs أشباه الموصلات التي تسمى بيروفسكايت الهاليد المعدني، وهي عبارة عن خليط من عناصر مختلفة. يمكن للمهندسين زراعة بلورات البيروفسكايت على ركائز زجاجية، مما يوفر كميات كبيرة من الطاقة مقارنة بمصابيح LED العادية. يمكنهم إذابة البيروفسكايت في المحلول و”طلائهم” على الزجاج لإنشاء طبقة باعثة للضوء، وهي عملية تصنيع أبسط مما تتطلبه مصابيح LED التقليدية.
تطبيقات وقيود مصابيح LED البيروفسكايت
هذه المزايا تجعل الإضاءة الداخلية الموفرة للطاقة ممكنة للبيئة المبنية، مما يقلل الطلب على الطاقة. يمكن لـ PELEDs أيضًا زيادة نقاء ألوان شاشات الهواتف الذكية والتلفزيون. يقول كونجريف: “الأخضر أكثر خضرة، والأزرق أكثر زرقة”. “يمكنك رؤية المزيد من الألوان من الجهاز.”
ومع ذلك، فإن معظم مصابيح PELED اليوم تنطفئ بعد بضع ساعات. بسبب الفجوات العشوائية في البنية الذرية للبيروفسكايت، والتي تسمى العيوب، فإنها غالبًا لا تتطابق مع كفاءة استخدام الطاقة في مصابيح LED القياسية. “يجب أن يكون هناك واحد الذري يوضح كونغريف: “هنا، ولكن ليس هناك. تدخل الطاقة، لكن لا يخرج الضوء، مما يؤثر على الأداء العام للجهاز.”
تألق وطول العمر
للتخفيف من هذه المشاكل، طور فرنانديز تقنية ابتكرها كونجريف وماهيش جانجيشيتي، أستاذ الكيمياء المساعد في جامعة ولاية ميسيسيبي والمؤلف المشارك في هذه الورقة. تحدث العديد من فجوات هدر الطاقة في البيروفسكايت حيث يجب أن تكون ذرات الرصاص. ومن خلال استبدال 30% من رصاص البيروفسكايت بذرات المنغنيز للمساعدة في سد تلك الفجوات، ضاعف الفريق سطوع مصابيح PELED الخاصة بهم، وتضاعفت كفاءتها ثلاث مرات تقريبًا، وأطالت عمر المصباح من أقل من دقيقة إلى 37 دقيقة.
تتمتع هذه التقنية أيضًا بالقدرة على تحريك الإبرة فيما يتعلق بالمخاطر الصحية. يقول فرنانديز: “الرصاص مهم جدًا لانبعاث الضوء داخل هذه المادة، ولكن في الوقت نفسه، من المعروف أن الرصاص سام”. وهذا النوع من الرصاص قابل للذوبان في الماء أيضًا، مما يعني أنه يمكن أن يتسرب إلى شاشة الهاتف الذكي المتشققة. “الناس يشككون في أن التكنولوجيا التجارية سامة، وهذا ما دفعني إلى التفكير في منتجات أخرى.”
مزيد من التطورات والتحديات
لكن فرنانديز ذهب إلى أبعد من ذلك وقام بخلط أكسيد الفوسفين، المسمى TFPPO، في البيروفسكايت. يقول: “لقد أضفته وشهدت زيادة في الأداء”. أنتجت هذه التركيبة مصابيح أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بخمس مرات من المصابيح المعززة بالمنغنيز وأنتجت واحدة من ألمع التوهجات التي تم تسجيلها في أي PELED على الإطلاق.
لكن المكاسب جاءت مع جانب سلبي: فقد خفتت الأضواء إلى نصف ذروة سطوعها خلال دقيقتين ونصف. (من ناحية أخرى، احتفظت البيروفسكايت غير المعالجة بـ TFPPO بسطوعها لمدة 37 دقيقة).
فهم التجارة
وأشار فرنانديز إلى أنه مع مرور الوقت، تصبح مصابيح PELED المزودة بـ TFPPO أقل كفاءة من دونها، ويرجع ذلك في الغالب إلى زيادة الحواجز المتعلقة بنقل الشحنات داخل PELED. في حين أن TFPPO يملأ في البداية بعض الفجوات في البنية الذرية للبيروفسكايت، فإن تلك الفجوات تنفتح بسرعة، مما يسمح لكفاءة الطاقة بالبقاء ثابتة.
للمضي قدمًا، يأمل فرنانديز في اختبار ما إذا كانت مجموعات أكسيد الفوسفين المختلفة تعطي تأثيرات مختلفة ولماذا.
يقول فرنانديز: “من الواضح أن هذا المزيج لا يصدق من حيث الأداء”. “ومع ذلك، لكي تكون لدينا الثقة في تسويق هذه المواد، يجب قمع آثارها على الاستدامة”.
ويعمل مختبر Congreve أيضًا على معالجة القيود الأخرى الخاصة بمصابيح PELED، مثل صعوبة إنتاج الضوء البنفسجي والأشعة فوق البنفسجية. في آخر أحدث ورقة في المجلة موضوع بقيادة طالب الدكتوراه مانشين هو (وهو أيضًا مؤلف مشارك). جهاز ورقة)، وجد الفريق أنه من خلال إضافة الماء إلى المحلول الذي تشكلت فيه بلورات البيروفسكايت، يمكنهم إنشاء PELEDs التي تنبعث من الضوء البنفسجي الساطع بكفاءة أكبر بخمس مرات. ومع المزيد من التحسينات، يمكن لمصابيح PELED بالأشعة فوق البنفسجية تعقيم المعدات الطبية، وتنقية المياه، والمساعدة في زراعة المحاصيل الداخلية – وكل ذلك بتكلفة أقل مما تسمح به مصابيح LED الحالية.
ملحوظة: “المفاضلة بين الكفاءة والاستقرار في المنغنيز2+سيباستيان فرنانديز، ويليام مايكلز، مانشن هو، بورنيما نارايانان، ناتاليا موريتا، أرين أو. جاليجوس، جادا ه. أحمد، جونروي ليو، ماهيش ك. جانجيشيتي ودانيال ن. ثنائيات باعثة للضوء من البيروفسكايت مخدرة بواسطة Congreve et al, جهاز.
دوى: 10.1016/j.device.2023.100017
من بين المؤلفين المشاركين الإضافيين في جامعة ستانفورد في البحث الطالب الجامعي ويليام مايكلز، وطالب الدراسات العليا بورنيما نارايانان، والطالبة الجامعية ناتاليا موريتا، وطالبة الدراسات العليا أرين جاليجوس، وباحثة ما بعد الدكتوراه كاتا أحمد، وطالبة الدراسات العليا جونروي ليو.
تم تمويل هذا البحث من خلال زمالة التعليم المتنوع والتميز في التوظيف (DARE)، وزارة الطاقة الأمريكية، وزمالات الدراسات العليا في جامعة ستانفورد في العلوم والهندسة (زميل بي مايكل فورموالد، وزميل كابلان، وزميل سكوت أ. وجيرالدين د. ماكومبر) . ، واتحاد GEM الوطني، وقسم الهندسة الكهربائية في جامعة ستانفورد، والمؤسسة الوطنية للعلوم. تم إنجاز جزء من هذا العمل في مرفق ستانفورد للتقسيم النانوي بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم.
“متعصب التلفزيون. مدمن الويب. مبشر السفر. رجل أعمال متمني. مستكشف هواة. كاتب.”