LED’er og Lasere – Ny Forståelse af Perovskitter Kan Omskrive Ydelsesparametre

Forskere dykker dybere ned i perovskit for bedre at forstå dette materiale, som har omfattende anvendelser inden for elektronik, energilagring, lasere, optoelektronik, glukosesensorer og meget mere. Men hvad er det præcis?

Perovskit er et naturligt mineral bestående af calcium, titanium og oxygen med krystalstrukturen CaTiO₃ eller med formlen ABX3. Det blev først opdaget i 1839 i Rusland. En klasse af materialer med samme krystalstruktur som mineralet perovskit er også kendt som perovskitmaterialer.

Kilde: Fabre Minerals

De exceptionelle fysiske egenskaber såsom ferroelectricitet, dielektricitet, piezoelectricitet og pyroelectricitet samt de kemiske egenskaber, herunder katalytisk aktivitet og ilttransportkapacitet, gør perovskit til en af de vigtigste strukturelle klasser inden for materialvidenskab. Dette gør dem til en potentiel kandidat til anvendelser i brændselsceller, hukommelsesenheder og fotovoltaik.

De kan også anvendes i solceller til at omdanne sollys til elektricitet, samt til indvinding af ren energi og nedbrydning af organiske forurenende stoffer.

Da perovskit potentielt kan fremme mange forskellige industrier, giver det mening, at forskere forsøger at forstå det bedre.

Klik her for at lære alt om piezoelektriske materialer.

Forståelse af Perovskit på Atomart Niveau for Bedre Kontrol

Forskere fra North Carolina State University, med støtte fra National Science Foundation, har opdaget en metode til at fremstille lagdelte hybride perovskitter (LHP’er) ved at studere dem på molekylært niveau.

Dette gennembrud muliggør hidtil uset kontrol over LHP’ers lysudsendende egenskaber og kan føre til betydelige fremskridt inden for laser- og LED-teknologier. Det giver også løfter om at kunne konstruere andre materialer til brug i fotovoltaiske enheder.

Lagdelte hybride perovskitter (LHP’er), ifølge forskningsresultatet, er dukket op som lovende halvledere til næste generations energi- og fotoniske anvendelser. Her er kontrol af fordelingen, størrelsen og orienteringen af kvantebrønde (QWs) yderst vigtig.

LHP’er består af meget tynde lag af perovskit-halvledermateriale. Disse lag er adskilt fra hinanden af tynde organiske “spacer”-lag.

Da disse tynde film lag af flere perovskitlag og “spacer”-lag kan effektivt omdanne elektrisk ladning til lys, har LHP’er i årevis været af betydelig interesse for forskningssamfundet. Der er dog stadig begrænset forståelse af, hvordan man kan konstruere dem for at kontrollere deres præstationskarakteristika.

For at forstå dem, skal vi starte med kvantebrønde, som er lag af halvledermateriale presset mellem ‘spacer’-lag.

Det er de lag, der dannes i LHP’er. Og en kvantebrønd på to atomer i tykkelse har højere energi end en, der er fem atomer tyk.

Da energi flyder fra højenergi-strukturer til lavenergi-strukturer på molekylært niveau, har vi brug for tre- og fire-atoms tykke kvantebrønde mellem de to- og fem-atoms tykke kvantebrønde, så energien kan flyde effektivt.

“Du vil grundlæggende have en gradvis hældning, som energien kan falde ned ad.”

– Kenan Gundogdu, medforfatter af artiklen og professor i fysik ved NC State

Dog stødte folk fortsat på en anomalie, når de studerede LHP’er. Anomalien er størrelsesfordelingen af kvantebrønde i en LHP-prøve observeret gennem røntgendiffraktion, som er forskellig fra det, der registreres ved optisk spektroskopi.

Aram Amassian, den korresponderende forfatter af artiklen og professor i materialvidenskab og -ingeniør ved NC State University, illustrerede, hvordan diffraktion kan indikere, at kvantebrønde har en to-atoms tykkelse og er en del af en 3D bulkkrystal. Samtidig kan spektroskopi afsløre, at kvantebrønnene er to, tre og fire atomer tykke, ud over tilstedeværelsen af den tredimensionale bulkfase.

Så gik holdet på jagt efter svar: Hvorfor er der denne uoverensstemmelse mellem de to, og hvordan kan kvantebrønnens størrelse og fordeling i LHP’er kontrolleres?

Gennem eksperimenter opdagede holdet, at nanoplateletter (NPL’er) er den afgørende faktor. NPL’er er individuelle lag af perovskitmateriale, der spontant dannes på overfladen af den opløsning, som forskerne brugte til at fremstille LHP’er.

“Vi fandt ud af, at disse nanoplateletter i bund og grund fungerer som skabeloner for lagdelte materialer, der dannes under dem,” sagde Amassian og bemærkede, at nanoplatelettens atomtykkelse bestemmer tykkelsen af LHP’en under den.

Dog er nanoplateletterne ikke stabile, og deres tykkelse fortsætter med at vokse, idet de tilføjer nye atomlag over tid.

“Til sidst vokser nanoplateletten så tykt, at den bliver en tredimensionel krystal.”

– Amassian

Så var anomalien skyldes, at diffraktion registrerede lagdelingen af lag, men ikke nanoplateletter, mens optisk spektroskopi registrerer isolerede lag. Han tilføjede:

“Det spændende er, at vi fandt ud af, at vi i princippet kan stoppe væksten af nanoplateletter på en kontrolleret måde, og dermed justere størrelsen og fordelingen af kvantebrønde i LHP-film.”

Ved at gøre dette kan forskerne opnå fremragende energikaskader, som er afgørende for høj reproducerbarhed, lav tærskel og omgivelsesfotostabilitet.

Dette betyder, at materialet er hurtigt og yderst effektivt til at lede ladninger og energi til laser- og LED-anvendelser.

Da nanoplateletter spiller en kritisk rolle i dannelsen af perovskitlag i LHP’er, gik forskerne videre for at undersøge, om NPL’er kan bruges til at konstruere strukturen og egenskaberne af andre perovskitmaterialer, herunder dem, der anvendes i solceller og andre fotovoltaiske teknologier.

“Vi fandt ud af, at nanoplateletterne spiller en lignende rolle i andre perovskitmaterialer og kan bruges til at konstruere disse materialer for at forbedre den ønskede struktur, hvilket forbedrer deres fotovoltaiske ydeevne og stabilitet.”

– Milad Abolhasani, medforfatter og ALCOA-professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved NC State

Så brugte holdet NPL’erne til at kontrollere 3D-perovskitters facetorientering og forbedre stabiliteten og effektiviteten af bredbåndsgap-solceller.

Brug af Computersimuleringer til Detaljeret Indsigt i Perovskitter

Solceller, eller fotovoltaiske (PV) celler, vinder stor popularitet takket være deres miljøfordele. Solenergi er trods alt ren, vedvarende og producerer ingen drivhusgasser. Sollys er også tilgængeligt i ubegrænsede mængder, hvilket gør det let at udnytte med solceller.

Derudover er deres omkostninger faldet markant, med op til 70 % siden 2010, hvilket gør dem overkommelige. Fremskridt inden for teknologi har yderligere forbedret deres ydeevne og levetid.

Med dette forventes det globale solcellemarked at nå $730,74 milliarder i løbet af det næste årti.

En solcelle er grundlæggende en enhed, der omdanner sollys direkte til elektricitet. Til dette bruger den materialer som silicium, men forskere søger mere effektive og stabile materialer, og perovskitter betragtes som et lovende alternativ.

Forskere har arbejdet med perovskit-solteknologi i et stykke tid nu, og fremskridt har ført til, at den bryder effektivitetrekorder. I solceller arbejder perovskitter sammen med silicium for at udnytte mere af solens spektrum og dermed generere mere elektricitet pr. celle.

Nu har forskere ved Chalmers University of Technology i Sverige ved hjælp af computersimuleringer og maskinlæring kunnet opnå nye indsigter i, hvordan perovskitmaterialer fungerer, for at designe effektive og stabile optoelektroniske enheder.

Maskinlæring har fået stor opmærksomhed i forskningsmiljøet, da forskere bruger den til at studere større systemer, end der tidligere var muligt med standardmetoder, og over længere perioder.

Derfor studerede forskningsteamet en række 2D-perovskitmaterialer, som er mere stabile end 3D-materialer.

De kortlagde materialet i computersimuleringer og udsatte det derefter for forskellige scenarier for at få en detaljeret forståelse af, hvad der præcis førte til resultaterne i et eksperiment. Teamet opnåede et meget bredere og mere detaljeret overblik end før, hvilket er særligt vigtigt her, fordi hver enkelt af de meget tynde lag i dette materiale opfører sig forskelligt, hvilket er ekstremt svært at påvise eksperimentelt.

Professor Paul Erhart, et medlem af forskningsteamet, hjalp dem med at opnå en “meget større indsigt i, hvordan 2D-perovskitter fungerer.”

I 2D-perovskitmaterialer er der uorganiske lag, der er stablet oven på hinanden og adskilt af organiske molekyler.

“Det, vi har opdaget, er, at man direkte kan kontrollere, hvordan atomer i overfladelagene bevæger sig gennem valget af de organiske linkere, og hvordan dette påvirker atombevægelserne dybt inde i perovskitlagene. Da denne bevægelse er så afgørende for de optiske egenskaber, er det som en dominobølge.”

– Paul Erhart

Den betydelige indsigt, ifølge medforfatteren, giver mulighed for at forstå, hvor stabiliteten af 2D-perovskitmaterialer stammer fra.

“(Dette kan hjælpe med at forudsige) hvilke linkere og dimensioner der kan gøre materialet både mere stabilt og mere effektivt på samme tid.”

– Medforfatter Julia Wiktor

I næste skridt vil teamet “gå videre til endnu mere komplekse systemer og især grænseflader, der er grundlæggende for enheders funktion,” tilføjede Wiktor.

Fremskridt inden for Laser- og LED-teknologier

Der har været mange udviklinger inden for perovskitter takket være deres enorme potentiale på tværs af flere højteknologiske områder, herunder ren energiproduktion via solceller, optoelektroniske enheder såsom fotodetektorer og sensorer samt hukommelsesenheder.

Endnu vigtigere kan fremskridt i forståelsen af perovskitmaterialer og forskning i LHP’er være en game-changer for næste generations laserapparater, hvor præcision og effektivitet er afgørende, samt LED-teknologi, som har betydning for skærme, belysning og avancerede displayteknologier.

Ved finjustering af disse materialer kan vi opnå mere effektive lasere med øget fotostabilitet og højlysstærke LED’er med reduceret energiforbrug.

I den hastigt udviklende teknologiverden er lasere og LED’er blevet grundlæggende komponenter på tværs af en bred vifte af industrier: kommunikation, medicinsk udstyr, fremstilling og energieffektiv belysning.

Kort sagt har disse teknologier transformeret, hvordan vi interagerer med den moderne verden. De seneste gennembrud i brugen af perovskitter og kvantebrøndstrukturer er blot ét af mange områder, som forskere udforsker for at fremme laser- og LED-teknologi.

Her er nogle nylige fremskridt inden for laser- og LED-teknologier:

Laserdioder lover reducerede omkostninger, højere lysudbytte, bedre strålebredde og effektivitet. På grund af disse fordele bliver de en afgørende komponent i optisk datalagring. Miniaturiseringen af laserdioder har også ført til fremskridt i LiDAR-systemer til autonome køretøjer.

Ultrasnelle lasere udsender derimod pulser i femtosekund-området, hvilket er en kvadrilliondel af et sekund. Dette muliggør præcis materialebearbejdning uden varmeskade og anvendes i stigende grad i medicinske operationer og videnskabelig forskning, især til at studere molekylære og atomære fænomener.

Ved at integrere maskinlæring, AI og sensorer skabes mere avancerede lasere, der opererer autonomt, øger effektiviteten og er mere præcise.

Laserbaseret 3D-printning, hvor en laserskilde bruges til selektivt at smelte materialer sammen og skabe komplekse objekter, er en anden førende trend inden for laserteknologi. I additiv fremstilling vinder især fiberlasere popularitet på grund af deres høje effekt, effektivitet og evne til at levere en stråle over lange afstande med minimal tab.

Lasere anvendes også i stigende grad til ætseprocesser. Til dette formål anvendes alle slags lasere, fra fiber-, CO2- og krystallaser til diode-lasere og diode-pumpede faststoflasere. I et tilfælde modificerede forskere fra Flinders University overflader med laveffektlasere — som normalt kræver dyre, højtydende lasere til datalagring.

I en anden undersøgelse rapporterede vi, at forskere udsatte et ikke-magnetisk materiale for højfrekvent laserstråling for at producere en magnetisk effekt ved stuetemperatur, hvilket har potentiale til at bane vejen for mere energieffektive og hurtigere computere og revolutionere elektronik.

Nye laserapparater er blevet så avancerede, at de nu kan analysere en persons hud i realtid. De muliggør også præcis målretning af specifikke områder. Holmium (YAG)-laseren, som er en af de mest fremtrædende lasere inden for urologi, er for nylig blevet forbedret med pulsmodulerende teknologi. Denne nye teknologi muliggør både pulserende og kontinuerlige bølgetilstande.

Udviklingen af lasere har også givet os mikrolasere, som er højt tilpasselige og tilbyder stærk optisk indespærring samt forbedrede lys-materie-interaktioner.

I LED-området er levetiden steget dramatisk, hvilket bidrager til energibesparelser.

Anvendelsen af LED-teknologi får især momentum inden for bilbelysning, hvor deres forbedrede synlighed, energieffektivitet og holdbarhed øger sikkerheden. Samtidig tilbyder LED’er i gadebelysning stærkere belysning og betydelige energibesparelser.

Her viser nanoteknologi potentiale til at påvirke LED-effektiviteten betydeligt. Kvanteprikker er ekstremt små krystaller, der har unikke egenskaber, som kan justeres til at udsende lys over hele det synlige spektrum, hvilket giver flere farvemuligheder. QD-LED’er tilbyder forbedret farvenøjagtighed og lysstyrke og bliver derfor udbredt i tv’er og monitorer.

Mindre versioner af traditionelle LED’er, mini- og micro-LED’er, muliggør derimod højere opløsning, bedre kontrast og energieffektivitet i skærme. De integreres i næste generations tv’er, AR/VR-enheder og mobiltelefoner for at tilbyde langt bedre lysstyrke og responstider end OLED’er.

Ved at integrere sensorer og tilslutningsfunktioner i LED’er skaber forskere også ‘smarte belysnings’ systemer, der justerer lysstyrke, farve og timing baseret på brugerpræferencer eller miljøforhold.

Virksomheder, der Lede Anslaget

Lad os nu se på potentielle investeringsmuligheder inden for de hurtigt udviklende områder af lasere, LED’er og ren energi, som alle kan drage fordel af gennembruddene i perovskitmaterialer.

First Solar (FSLR ) er en leder inden for solteknologi med fokus på tyndfilm-fotovoltaiske (PV) løsninger. Med aktiekurs på $207,75, op 19,35 % år‑til‑dato, er dens markedsværdi $22 mia. For 2Q24 rapporterede virksomheden $1,01 mia i omsætning, mens nettoresultatet mere end fordobledes til $349,4 mio. På det tidspunkt sagde administrerende direktør Mark Widmar, at solvirksomheder stod over for begrænsninger i adgangen til kapital, da investorer ventede på, at politikken blev klarere for at træffe finansieringsbeslutninger.

I mellemtiden er Lumentum Holdings (LITE ) involveret i design og fremstilling af lasere til kommunikations-, kommercielle og industrielle anvendelser. Denne virksomhed med en markedsværdi på $4,7 mia har aktier, der er op 31,21 % år‑til‑dato og handles til $69,43.

Derefter er der Acuity Brands, Inc. (AYI ), som er en leder inden for LED-belysningssystemer. Denne virksomhed med en markedsværdi på $9,38 mia har set sine aktier stige 48,9 % og handles i øjeblikket til $305.

Coherent, Inc.

En nøglespiller inden for laserbaseret teknologi leverer Coherent lasere til en bred vifte af anvendelser, herunder materialebearbejdning, elektronik og biomedicin. Dens aktier er steget mere end 132 % i år; indtil videre har den handlet til $105,10, hvilket giver en markedsværdi på $15,6 mia. Dens EPS (TTM) er -1,85, og dens P/E (TTM) er -54,79.

For det regnskabsmæssige fjerde kvartal rapporterede virksomheden $1,314 mia i omsætning og $4,708 mia for hele året, der sluttede den 30. juni 2024, med GAAP-bruttomarginer på henholdsvis 32,9 % og 30,9 %. Væksten, ifølge Rich Martucci, interim CFO, var “primært drevet af den fortsatte AI-relaterede styrke i vores Datacom-transceiver-forretning.”

For nylig introducerede virksomheden en ny serie af yderst effektive kontinuerlige bølge (CW) distribueret feedback (DFB) lasere, som er designet til at levere 15 % højere energieffektivitet end branchestandarderne. Disse lasere imødekommer efterspørgslen efter den voksende båndbredde, som AI‑fokuserede datacentre kræver. Tidligere i år lancerede Coherent også en HyperRapid NXT industriel picosekundlaser, som muliggør ultrapræcis fremstilling af tyndfilm-solceller.

Konklusion

Perovskitmaterialer er yderst værdifulde takket være deres effektivitet, omkostningseffektivitet, fleksibilitet, tyndhed, mobilitet og evne til at absorbere lys. Derfor kan en bedre og dybere forståelse af disse materialer, som udvikler sig i et hurtigt tempo, hjælpe os med at låse op for nye muligheder inden for næste generations laser- og LED-teknologier.

Ved at kontrollere strukturen og adfærden af kvantebrønde baner forskerne yderligere vejen for mere effektiv energioverførsel, større stabilitet og forbedrede lysudsendende egenskaber. Disse gennembrud kan placere perovskitter som game‑changers i en række industrier, og efterhånden som forskningen skrider frem, har de potentiale til at revolutionere ren energi, displayteknologier og laserapplikationer, hvilket gør dem til fokus for materialvidenskaben.

Klik her for en liste over de ti bedste solaktier.