Nuovi passi avanti nella tecnologia dei LED in perovskite
Quando si sente parlare di perovskite il pensiero corre subito alla tecnologia fotovoltaica. Negli ultimi anni le celle solari a base di questa classe di semiconduttori hanno fatto faville grazie ad un’efficienza di conversione della luce in rapido miglioramento, alla facilità di sintesi e a costi relativamente bassi. Ma non è l’unico campo con progressi degni di nota. Dal 2014, infatti, le perovskiti si sono fatte strada in un altro segmento dell’optoelettronica: quello dei diodi a emissione di luce (LED). In poco tempo i LED in perovskite hanno vestito i panni di emettitore di nuova generazione, aumentando la propria efficienza quantica esterna (EQE), quella energetica e quella luminosa.
Gli ultimi grandi risultati in questo campo arrivano dallo stesso centro di ricerca che nel 2015 ha ottenuto la prima grande svolta tecnologica, miglioramento l’EQE nei LED in perovskite da appena lo 0,1% all’8,53%. E convincendo la ricerca mondiale ad approfondirne le potenzialità.
Diodi a emissione di luce, cosa sono e come funzionano?
Un diodo a emissione di luce è dispositivo optoelettronico a base di semiconduttori in grado di emettere luce. Volendo semplificare al massimo il suo funzionamento è l’opposto dell’effetto fotovoltaico: quando attraversato da corrente elettrica gli elettroni e le lacune al suo interno si ricombinano, rilasciando energia sotto forma di fotoni. Questo effetto prende il nome di elettroluminescenza e in base al gap di banda energetico del semiconduttore determina l’emissione di colori differenti.
Oggi questa tecnologia si trova in diverse applicazioni, comparto illuminotecnico compreso. Rispetto alle sorgenti luminose a incandescenza i LED presentano dei vantaggi innati, quali un basso consumo energetico, una durata di vita più estesa, una migliore robustezza fisica e una commutazione più rapida. Oltre che, ovviamente, una dimensione ridotta.
I diodi a emissione luminosa in perovskite
I ricercatori hanno scoperto che i nanocristalli di perovskiti a base di alogenuri organometallici potrebbero essere particolarmente adatti a realizzare una nuova generazione di LED ad alta efficienza. Questi materiali possiedono infatti un bandgap sintonizzabile, un ottimo rapporto costi-efficacia e un’eccellente purezza del colore. Inoltre riescono ad emettere una luce molto intensa (e regolabile).
Ottimo sulla carta, meno sulla pratica. Una sfida importante che i LED in perovskite si sono trovati davanti è la bassa efficienza quantica della luminescenza. Questo valore è frutto del rapporto tra il tasso di fotoni generati e quello delle coppie elettroni-lacune. Una percentuale bassa indica un elevato tasso di dissociazione spontanea delle coppie elettroni-lacune, che impedisce pertanto l’emissione di fotoni.
Il problema è stato risolto quando un team della Seoul National University, guidato dal professor Tae-Woo Lee, ha messo mano alla struttura del diodo ottenendo un’efficienza quantica esterna del 28,9%. Con risultati buoni anche nella luminosità di picco (470.000 nit) e nella durata operativa (fino a 30.000 ore), tali da aprire le porte ai primi prototipi applicativi: un display per TV e un tablet.
Nel 2024 c’è chi ha fatto anche di meglio: gli scienziati dell’Università di Shanghai hanno raggiunto un’efficienza quantica esterna massima di oltre il 40% e un’emivita operativa di oltre 42.000 ore. In questo caso, tuttavia, il gruppo ha impiegato un LED ibrido. Ossia costituito da un diodo a emissione luminosa in perovskite inferiormente e un OLED superiormente.
LED in perovskite: EQE migliorata con un approccio basato sui materiali
Oggi la squadra guidata da Lee torna sulla tecnologia mettendo a punto un nuovo approccio ai materiali in grado controllare la natura dinamica della superficie di perovskite. L’obiettivo è tracciare la strada per nuovi aumenti nell’efficienza di luminescenza.
In collaborazione con il professor Rappe dell’Università della Pennsylvania negli Stati Uniti e il professor Omer Yaffe del Weizmann Institute of Science in Israele, il team coreano ha suggerito un meccanismo di ottimizzazione che incorpora multipodi molecolari coniugati (CMM). Quando i CMM si legano alla superficie del reticolo cristallino della perovskite, quest’ultimo viene rafforzato, sopprimendo e/o riducendo i fenomeni interni che portano alla dissociazione delle coppie elettroni-lacune.
In questo modo gli scienziati hanno realizzato un LED in perovskite ad emissione verde con un EQE del 26,1%. Il valore, sebbene non alto come quello raggiunto precedentemente dallo stesso team, porta con sé una grande innovazione. In questo caso infatti – spiegano i ricercatori – il miglioramento è stato ottenuto potenziando l’efficienza di emissione intrinseca del materiale stesso, piuttosto che tramite l’ingegnerizzazione della struttura del dispositivo.
Il professor Lee ha affermato: “Questa ricerca presenta un nuovo approccio basato sui materiali per superare le limitazioni intrinseche degli emettitori di luce in perovskite. Prevediamo che ciò contribuirà in modo significativo allo sviluppo di LED in perovskite ad alta efficienza e lunga durata e alla commercializzazione di display di prossima generazione“. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications (testo in inglese).
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