LEDs und Laser – Neues Verständnis von Perowskiten könnte Leistungskennzahlen umkrempeln

Wissenschaftler tauchen tiefer in Perowskit ein, um dieses Material besser zu verstehen, das zahlreiche Anwendungen in Elektronik, Energiespeicherung, Lasern, Optoelektronik, Glukosesensoren und mehr hat. Aber was genau ist es?

Perowskit ist ein natürliches Mineral, das aus Calcium, Titan und Sauerstoff besteht und die Kristallstruktur CaTiO₃ bzw. die Formel ABX3 aufweist. Es wurde 1839 in Russland entdeckt. Eine Klasse von Materialien mit derselben Kristallstruktur wie das Mineral Perowskit wird ebenfalls als Perowskit‑Materialien bezeichnet.

Quelle: Fabre Minerals

Die außergewöhnlichen physikalischen Eigenschaften wie ferroelektrisches, dielektrisches, piezoelektrisches und pyroelectrisches Verhalten sowie die chemischen Eigenschaften, einschließlich katalytischer Aktivität und Sauerstofftransportfähigkeit von Perowskit, machen sie zu einer der wichtigsten Strukturklassen in der Materialwissenschaft. Dies macht sie zu einem potenziellen Kandidaten für Anwendungen in Brennstoffzellen, Speichergeräten und Photovoltaik.

Sie können auch in Solarzellen eingesetzt werden, um Sonnenlicht in Strom umzuwandeln, sowie zur Gewinnung sauberer Energie und zum Abbau organischer Schadstoffe.

Angesichts der Vielzahl verschiedener Branchen, die Perowskit potenziell voranbringen kann, ist es nachvollziehbar, dass Wissenschaftler versuchen, es besser zu verstehen.

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Verständnis von Perowskit auf atomarer Ebene für bessere Kontrolle

Forscher der North Carolina State University, unterstützt von der National Science Foundation, haben einen Weg entdeckt, schichtige Hybrid‑Perowskite (LHPs) zu erzeugen, indem sie diese auf molekularer Ebene untersuchten.

Dieser Durchbruch ermöglicht eine beispiellose Kontrolle über die lichtemittierenden Eigenschaften von LHPs und kann zu bedeutenden Fortschritten in Laser‑ und LED‑Technologien führen. Er birgt zudem das Potenzial, andere Materialien für den Einsatz in Photovoltaik‑Geräten zu entwickeln.

Schichtige Hybrid‑Perowskite (LHPs) haben sich laut der Forschung als vielversprechende Halbleiter für Energie‑ und photonische Anwendungen der nächsten Generation erwiesen. Dabei ist die Kontrolle von Verteilung, Größe und Orientierung von Quanten­wellenräumen (QWs) äußerst wichtig.

LHPs bestehen aus sehr dünnen Schichten des Perowskit‑Halbleitermaterials. Diese Schichten werden durch dünne organische „Abstandshalter“-Schichten voneinander getrennt.

Da diese dünnen Filme aus mehreren Perowskit‑Schichten und „Abstandshalter“-Schichten elektrische Ladung effizient in Licht umwandeln können, sind LHPs seit Jahren von großem Interesse für die Forschungsgemeinschaft. Dennoch gibt es noch ein begrenztes Verständnis darüber, wie man sie so gestaltet, dass ihre Leistungsmerkmale kontrolliert werden können.

Um sie zu verstehen, müssen wir mit Quanten­wellenräumen beginnen, das sind Schichten aus Halbleitermaterial, die zwischen „Abstandshalter“-Schichten eingeklemmt sind.

Sie sind die Schichten, die in LHPs entstehen. Und ein zweiatomiger Quanten­wellenraum hat eine höhere Energie als ein fünfatomiger.

Da Energie auf molekularer Ebene von hochenergetischen Strukturen zu niederenergetischen Strukturen fließt, benötigen wir drei‑ und vieratomige Quanten­wellenräume zwischen den zwei‑ und fünfatomigen Quanten­wellenräumen, um den Energiefluss effizient zu ermöglichen.

„Man möchte im Grunde eine allmähliche Neigung haben, auf der die Energie hinabfließen kann.“

– Kenan Gundogdu, Mitautor des Papiers und Professor für Physik an der NC State

Allerdings stießen die Forscher bei der Untersuchung von LHPs immer wieder auf eine Anomalie. Die Anomalie besteht in der Größenverteilung der Quanten­wellenräume in einer LHP‑Probe, die mittels Röntgendiffraktion beobachtet wird und sich von den Ergebnissen der optischen Spektroskopie unterscheidet.

Aram Amassian, der korrespondierende Autor des Artikels und Professor für Werkstoffwissenschaft und -technik an der NC State University, zeigte, wie die Diffraktion darauf hinweisen kann, dass Quanten­wellenräume eine zweiatomige Dicke besitzen und Teil eines 3‑D‑Volumenkristalls sind. Gleichzeitig kann die Spektroskopie aufzeigen, dass die Quanten­wellenräume zwei, drei und vier Atome dick sind, zusätzlich zur Existenz der dreidimensionalen Volumenphase.

Das Team machte sich also auf die Suche nach Antworten: Warum gibt es diese Diskrepanz zwischen den beiden Methoden und wie kann die Größe und Verteilung der Quanten­wellenräume in LHPs kontrolliert werden?

Durch Experimente entdeckte das Team Nanoplatten (NPLs) als Schlüsselfaktor. NPLs sind einzelne Schichten des Perowskit‑Materials, die sich spontan an der Oberfläche der Lösung bilden, die die Forscher zur Herstellung von LHPs verwenden.

„Wir haben festgestellt, dass diese Nanoplatten im Wesentlichen als Vorlagen für schichtige Materialien dienen, die sich darunter bilden“, sagte Amassian und bemerkte, dass die atomare Dicke der Nanoplatten die Dicke des darunterliegenden LHP bestimmt.

Allerdings sind die Nanoplatten nicht stabil, und ihre Dicke wächst mit der Zeit weiter, indem neue Atomschichten hinzugefügt werden.

„Schließlich wird die Nanoplatte so dick, dass sie zu einem dreidimensionalen Kristall wird.“

– Amassian

Die Anomalie resultierte also daraus, dass die Diffraktion das Stapeln von Schichten, jedoch nicht die Nanoplatten erfasste, während die optische Spektroskopie isolierte Schichten erkennt. Er fügte hinzu:

„Was spannend ist, ist dass wir festgestellt haben, dass wir das Wachstum der Nanoplatten im Wesentlichen kontrolliert stoppen können, wodurch wir die Größe und Verteilung der Quanten­wellenräume in LHP‑Filmen gezielt einstellen können.“

Auf diese Weise können Forscher hervorragende Energiekaskaden erreichen, die für hohe Reproduzierbarkeit, niedrige Schwellenwerte und photostabile Bedingungen im Umgebungslicht entscheidend sind.

Das bedeutet, dass das Material schnell und hocheffizient Ladungen und Energie für Laser‑ und LED‑Anwendungen kanalisiert.

Da Nanoplatten eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Perowskit‑Schichten in LHPs spielen, untersuchten die Forscher, ob NPLs zur Gestaltung der Struktur und Eigenschaften anderer Perowskit‑Materialien, einschließlich jener, die in Solarzellen und anderen photovoltaischen Technologien verwendet werden, eingesetzt werden können.

„Wir haben festgestellt, dass die Nanoplatten eine ähnliche Rolle in anderen Perowskit‑Materialien spielen und zur Gestaltung dieser Materialien verwendet werden können, um die gewünschte Struktur zu verbessern und ihre photovoltaische Leistung sowie Stabilität zu steigern.“

– Milad Abolhasani, Mitautor und ALCOA‑Professor für Chemie‑ und Biomolekulare Ingenieurwissenschaften an der NC State

Das Team nutzte also die NPLs, um die Flächenorientierung von 3D‑Perowskiten zu steuern und die Stabilität sowie Effizienz von Solarzellen mit breitem Bandgap zu verbessern.

Computersimulationen für detaillierte Einblicke in Perowskite

Solarzellen, oder photovoltaische (PV) Zellen, gewinnen dank ihrer ökologischen Vorteile stark an Beliebtheit. Solarenergie ist schließlich sauber, erneuerbar und erzeugt keine Treibhausgase. Sonnenlicht ist zudem in unbegrenzten Mengen verfügbar, was die Nutzung mit Solarzellen erleichtert.

Zusätzlich sind ihre Kosten seit 2010 um bis zu 70 % gesunken, was sie erschwinglich macht. Fortschritte in der Technologie haben zudem ihre Leistung und Lebensdauer weiter verbessert.

Demnach wird der globale Markt für Solarzellen in den nächsten zehn Jahren voraussichtlich $730.74 billion erreichen.

Eine Solarzelle ist im Grunde ein Gerät, das Sonnenlicht direkt in Strom umwandelt. Dafür werden Materialien wie Silizium verwendet, doch Wissenschaftler suchen nach effizienteren und stabileren Materialien, und Perowskite gelten als vielversprechende Alternative.

Wissenschaftler arbeiten bereits seit einiger Zeit an Perowskit‑Solartechnologie, und Fortschritte haben zu Rekorden bei der Effizienz geführt. In Solarzellen arbeiten Perowskite zusammen mit Silizium, um einen größeren Teil des Sonnenspektrums zu nutzen und dadurch mehr Strom pro Zelle zu erzeugen.

Durch den Einsatz von Computersimulationen und maschinellem Lernen konnten Forscher der Chalmers University of Technology in Schweden neue Erkenntnisse darüber gewinnen, wie Perowskit‑Materialien funktionieren, um effiziente und stabile optoelektronische Bauelemente zu entwerfen.

Maschinelles Lernen gewinnt in der Wissenschaftsgemeinschaft stark an Bedeutung, da Forscher es nutzen, um größere Systeme zu untersuchen, als dies mit herkömmlichen Methoden zuvor möglich war, und das über einen längeren Zeitraum.

Das Forschungsteam untersuchte daher eine Reihe von 2D‑Perowskit‑Materialien, die stabiler sind als 3D‑Materialien.

Sie kartierten das Material mittels Computersimulationen und setzten es anschließend verschiedenen Szenarien aus, um ein detailliertes Bild davon zu erhalten, was genau zu den Ergebnissen eines Experiments führte. Das Team konnte dadurch einen wesentlich umfassenderen und detaillierteren Überblick gewinnen, was hier besonders wichtig ist, da in den sehr dünnen Schichten dieses Materials jede Schicht ein unterschiedliches Verhalten zeigt, das experimentell nur schwer zu erfassen ist.

Professor Paul Erhart, ein Mitglied des Forschungsteams, half ihnen, ein „viel tieferes Verständnis dafür zu erlangen, wie 2D‑Perowskite funktionieren.“

In 2D‑Perowskit‑Materialien gibt es anorganische Schichten, die übereinander gestapelt und durch organische Moleküle getrennt sind.

„Was wir entdeckt haben, ist, dass man durch die Wahl der organischen Bindungen direkt steuern kann, wie sich Atome in den Oberflächenschichten bewegen, und wie dies die atomaren Bewegungen tief im Inneren der Perowskit‑Schichten beeinflusst. Da diese Bewegung für die optischen Eigenschaften so entscheidend ist, wirkt es wie ein Dominospiel.“

– Paul Erhart

Die beträchtlichen Erkenntnisse, so der Mitautor, bieten die Möglichkeit zu verstehen, woher die Stabilität von 2D‑Perowskit‑Materialien stammt.

„(Dies kann helfen vorherzusagen), welche Bindungen und Dimensionen das Material gleichzeitig stabiler und effizienter machen.“

– Mitautorin Julia Wiktor

Im nächsten Schritt wird das Team „zu noch komplexeren Systemen übergehen und insbesondere zu Schnittstellen, die für die Funktion von Bauelementen grundlegend sind“, fügte Wiktor hinzu.

Fortschritte in Laser‑ und LED‑Technologien

Es gibt zahlreiche Entwicklungen bei Perowskiten, dank ihres großen Potenzials in verschiedenen High‑Tech‑Bereichen, darunter die Erzeugung sauberer Energie mittels Solarzellen, optoelektronische Geräte wie Photodetektoren und Sensoren sowie Speicherbauelemente.

Noch wichtiger ist, dass Fortschritte beim Verständnis von Perowskit‑Materialien und die Forschung an LHPs ein Wendepunkt für Laser‑Geräte der nächsten Generation sein können, bei denen Präzision und Effizienz entscheidend sind, sowie für LED‑Technologien, die Auswirkungen auf Bildschirme, Beleuchtung und fortschrittliche Display‑Technologien haben.

Durch die Feinabstimmung dieser Materialien können wir effizientere Laser mit erhöhter Photostabilität und hochhellere LEDs mit reduziertem Energieverbrauch erzielen.

In der sich schnell entwickelnden Technologiewelt sind Laser und LEDs zu grundlegenden Komponenten in einer Vielzahl von Branchen geworden: Kommunikation, Medizintechnik, Fertigung und energieeffiziente Beleuchtung.

Einfach ausgedrückt haben diese Technologien die Art und Weise, wie wir mit der modernen Welt interagieren, verändert. Die neuesten Durchbrüche beim Einsatz von Perowskiten und Quanten­wellenraum‑Strukturen sind nur eines von vielen Gebieten, die Wissenschaftler erforschen, um Laser‑ und LED‑Technologien voranzubringen.

Hier sind einige aktuelle Fortschritte in Laser‑ und LED‑Technologien:

Laser‑Dioden versprechen geringere Kosten, höhere Lichtausbeute, bessere Strahlweite und Effizienz. Aufgrund dieser Vorteile werden sie zu einem entscheidenden Bauteil für optische Datenspeicherung. Die Miniaturisierung von Laser‑Dioden hat zudem zu Fortschritten bei LiDAR‑Systemen für autonome Fahrzeuge geführt.

Ultraschnelle Laser hingegen erzeugen Pulse im Femtosekunden‑Bereich, also ein Billiardstel einer Sekunde. Das ermöglicht eine präzise Materialbearbeitung ohne Wärmeschäden und wird daher zunehmend in medizinischen Operationen und wissenschaftlicher Forschung eingesetzt, insbesondere zur Untersuchung molekularer und atomarer Phänomene.

Durch die Integration von maschinellem Lernen, KI und Sensoren werden immer fortschrittlichere Laser entwickelt, die autonom arbeiten, die Effizienz steigern und präziser sind.

Laser‑gestützter 3D‑Druck, bei dem eine Laserquelle Materialien selektiv verschmilzt und komplexe Objekte erzeugt, ist ein weiterer führender Trend im Bereich der Lasertechnologie. In der additiven Fertigung gewinnen insbesondere Faserlaser an Beliebtheit, dank ihrer hohen Leistung, Effizienz und Fähigkeit, einen Strahl über lange Distanzen mit minimalem Verlust zu übertragen.

Laser werden zudem vermehrt zum Ätzen eingesetzt. Zu diesem Zweck werden alle Arten von Lasern verwendet, von Faser‑, CO₂‑ und Kristalllasern bis hin zu Diodenlasern und diodegepumpten Festkörperlasern. In einem Fall modifizierten Forscher der Flinders University Oberflächen mit Niedrigleistungslasern – die normalerweise teure Hochleistunglaser für die Datenspeicherung erfordern.

In einer anderen Studie berichteten wir, dass Forscher ein nicht‑magnetisches Material hochfreier Laserstrahlung aussetzten, um bei Raumtemperatur einen magnetischen Effekt zu erzeugen, was das Potenzial hat, den Weg für energieeffizientere und schnellere Computer zu ebnen und die Elektronik zu revolutionieren.

Neue Laservorrichtungen sind so fortschrittlich geworden, dass sie nun sogar die Haut einer Person in Echtzeit analysieren können. Sie ermöglichen zudem eine präzise Zielansprache bestimmter Bereiche. Der Holmium‑(YAG‑)Laser, einer der bedeutendsten Laser im urologischen Bereich, wurde kürzlich mit pulsmodulierender Technologie verbessert. Diese neue Technologie ermöglicht sowohl gepulste als auch kontinuierliche Wellenmodi.

Die Weiterentwicklung von Lasern hat uns zudem Mikrolaser gebracht, die hochgradig anpassbar sind und eine starke optische Eindämmung sowie verbesserte Licht‑Materie‑Wechselwirkungen bieten.

Im LED‑Bereich hat sich die Lebensdauer dramatisch erhöht, was zu Energieeinsparungen beiträgt.

Der Einsatz von LED‑Technologie gewinnt insbesondere im Fahrzeug‑beleuchtung an Schwung, wo verbesserte Sichtbarkeit, Energieeffizienz und Langlebigkeit die Sicherheit erhöhen. Gleichzeitig bieten LEDs in der Straßenbeleuchtung hellere Ausleuchtung und erhebliche Energieeinsparungen.

Hier zeigt die Nanotechnologie das Potenzial, die LED‑Effizienz erheblich zu beeinflussen. Quantenpunkte sind extrem kleine Kristalle mit einzigartigen Eigenschaften, die so abgestimmt werden können, dass sie Licht über das gesamte sichtbare Spektrum emittieren und mehr Farboptionen bieten. QD‑LEDs bieten verbesserte Farbgenauigkeit und Helligkeit und werden daher zunehmend in Fernsehern und Monitoren eingesetzt.

Kleinere Varianten herkömmlicher LEDs, Mini‑ und Mikro‑LEDs, ermöglichen hingegen höhere Auflösungen, besseren Kontrast und Energieeffizienz in Displays. Sie werden in nächsten‑Gen‑Fernsehern, AR/VR‑Geräten und Mobiltelefonen integriert, um deutlich bessere Helligkeit und Reaktionszeiten als OLEDs zu bieten.

Durch die Integration von Sensoren und Konnektivitätsfunktionen in LEDs entwickeln Forscher zudem „intelligente Beleuchtungssysteme“, die Helligkeit, Farbe und Timing basierend auf Benutzerpräferenzen oder Umgebungsbedingungen anpassen.

Unternehmen, die die Führung übernehmen

Werfen wir nun einen Blick auf potenzielle Investitionsmöglichkeiten in den rasant fortschreitenden Bereichen Laser, LEDs und saubere Energie, die alle von den Durchbrüchen bei Perowskit‑Materialien profitieren könnten.

First Solar (FSLR ) ist ein führendes Unternehmen im Solartechnologiebereich, das sich auf Dünnschicht‑Photovoltaik‑Lösungen (PV) konzentriert. Mit einem Aktienkurs von $207.75, einem Anstieg von 19.35 % im Jahresverlauf, beträgt die Marktkapitalisierung $22 bln. Für das 2Q24 meldete das Unternehmen einen Umsatz von $1.01 billion und der Nettogewinn mehrte sich auf $349.4 million mehr als das Doppelte. Zu diesem Zeitpunkt sagte CEO Mark Widmar, dass Solarunternehmen mit Beschränkungen beim Zugang zu Kapital konfrontiert seien, da Investoren auf klarere politische Rahmenbedingungen warteten, um Finanzierungsentscheidungen zu treffen.

Meanwhile, Lumentum Holdings (LITE ) ist in die Entwicklung und Herstellung von Lasern für Kommunikations‑, Gewerbe‑ und Industrieanwendungen involviert. Dieses Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von $4.7 bln verzeichnet einen Anstieg von 31.21 % YTD, da die Aktie bei $69.43 gehandelt wird.

Then there’s Acuity Brands, Inc. (AYI ), das ein führendes Unternehmen im Bereich LED‑Beleuchtungssysteme ist. Dieses Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von $9.38 bln hat einen Anstieg von 48.9 % verzeichnet und wird derzeit bei $305 gehandelt.

Coherent, Inc.

Ein wichtiger Akteur im Bereich laserbasierter Technologie, Coherent liefert Laser für ein breites Anwendungsspektrum, darunter Materialbearbeitung, Elektronik und Biomedizin. Die Aktie hat in diesem Jahr um mehr als 132 % zugelegt; bisher wurde sie bei $105.10 gehandelt, was einer Marktkapitalisierung von $15.6 Mrd. entspricht. Das EPS (TTM) beträgt -1.85 und das KGV (TTM) -54.79.

Für das vierte Quartal des Geschäftsjahres meldete das Unternehmen berichtet $1.314 Mrd. Umsatz und $4.708 Mrd. für das gesamte Geschäftsjahr, das am 30. Juni 2024 endete, mit GAAP‑Bruttomargen von 32.9 % bzw. 30.9 %. Das Wachstum, laut Rich Martucci, Interims‑CFO, war „hauptsächlich getrieben durch anhaltende KI‑bezogene Stärke in unserem Datacom‑Transceiver‑Geschäft.“

Vor kurzem hat das Unternehmen eine neue Serie hocheffizienter kontinuierlicher Wellen (CW) Distributed‑Feedback‑(DFB‑)Laser vorgestellt, die darauf ausgelegt sind, 15 % höhere Energieeffizienz als Industriestandards zu bieten. Diese Laser decken den Bedarf an wachsender Bandbreite für KI‑fokussierte Rechenzentren. Anfang dieses Jahres hat Coherent außerdem einen HyperRapid NXT industriellen Pikosekundenlaser auf den Markt gebracht, der die ultrapräzise Fertigung von Dünnschicht‑Solarzellen ermöglicht.

Fazit

Perowskit‑Materialien sind dank ihrer Effizienz, Kosteneffizienz, Flexibilität, Dünnheit, Mobilität und Lichtabsorptionseigenschaften äußerst wertvoll. Daher kann ein besseres und tieferes Verständnis dieser Materialien, das sich rasant weiterentwickelt, uns helfen, neue Möglichkeiten für Laser‑ und LED‑Technologien der nächsten Generation zu erschließen.

Durch die Kontrolle von Struktur und Verhalten der Quanten­wellenräume ebnen Forscher den Weg für einen effizienteren Energietransfer, höhere Stabilität und verbesserte Lichtemissionseigenschaften. Diese Durchbrüche können Perowskite zu Wendepunkten in verschiedenen Branchen machen, und da die Forschung weiter voranschreitet, haben sie das Potenzial, saubere Energie, Display‑Technologien und Laser‑Anwendungen zu revolutionieren, wodurch sie zum Fokus der Materialwissenschaft werden.

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