LED y láseres: un nuevo conocimiento de las perovskitas podría cambiar las métricas de rendimiento

Los científicos están profundizando en la perovskita para comprender mejor este material, que tiene vastas aplicaciones que abarcan la electrónica, el almacenamiento de energía, el láser, la optoelectrónica y los sensores de glucosa, entre otras. Pero, ¿qué es exactamente?

La perovskita es un mineral natural compuesto de calcio, titanio y oxígeno con la estructura cristalina de CaTiO₃ o con la fórmula ABX3. Se descubrió por primera vez en 1839 en Rusia. Una clase de materiales con la misma estructura cristalina que el mineral perovskita también se conocen como materiales de perovskita.

Fuente: Fabre Minerales

Las excepcionales propiedades físicas, como el comportamiento ferroeléctrico, dieléctrico, piezoeléctrico y piroeléctrico, y químicas, como la actividad catalítica y la capacidad de transporte de oxígeno de las perovskitas, las convierten en una de las clases de estructuras más importantes de la ciencia de materiales. Esto las convierte en candidatas potenciales para aplicaciones en pilas de combustible, dispositivos de memoria y energía fotovoltaica.

También pueden utilizarse en células solares para convertir la luz solar en electricidad, así como para la obtención de energía limpia y la degradación de contaminantes orgánicos.

Dado que la perovskita puede contribuir al avance de todo tipo de industrias, es lógico que los científicos intenten comprenderla mejor.

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Entender la perovskita a nivel atómico para un mejor control

Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, con el apoyo de la National Science Foundation, han descubierto una forma de crear perovskitas híbridas en capas (LHP) estudiándolas a nivel molecular.

Este avance permite un control sin precedentes de las propiedades emisoras de luz de los LHP y puede propiciar avances significativos en las tecnologías láser y LED. También es prometedor en la ingeniería de otros materiales para su uso en dispositivos fotovoltaicos.

Las perovskitas híbridas estratificadas (LHPs), según la investigaciónhan surgido como semiconductores prometedores para aplicaciones energéticas y fotónicas de próxima generación. En este ámbito, el control de la distribución, el tamaño y la orientación de los pozos cuánticos (QW) es extremadamente importante.

Los LHP están formados por láminas muy finas de material semiconductor de perovskita. Estas láminas están separadas entre sí por finas capas orgánicas "espaciadoras".

Dado que estas finas películas de múltiples láminas de perovskita y capas "espaciadoras" pueden convertir eficazmente la carga eléctrica en luz, las LHP han despertado un gran interés en la comunidad investigadora durante años. Sin embargo, aún no se sabe muy bien cómo diseñarlas para controlar sus prestaciones.

Para entenderlos, hay que empezar por los pozos cuánticos, que son láminas de material semiconductor aprisionadas entre capas "espaciadoras".

Son las capas que se forman en los PSC. Y un pozo cuántico de dos átomos de espesor tiene mayor energía que el que tiene cinco átomos de espesor.

Dado que la energía fluye de estructuras de alta energía a estructuras de baja energía a nivel molecular, necesitamos tener pozos cuánticos de tres y cuatro átomos de grosor entre los pozos cuánticos de dos y cinco átomos de grosor, lo que permite que la energía fluya de forma eficiente.

"Básicamente quieres tener una pendiente gradual por la que la energía pueda descender en cascada".

- Kenan Gundogdu, coautor del artículo y profesor de física en NC State

Sin embargo, al estudiar los LHP se observaba una anomalía. La anomalía es la distribución del tamaño de los pozos cuánticos en una muestra de LHP observada mediante difracción de rayos X, que es diferente de la detectada mediante espectroscopia óptica.

Aram Amassian, autor del artículo y catedrático de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, ilustró cómo la difracción puede indicar que los pozos cuánticos tienen un grosor de dos átomos y forman parte de un cristal grueso tridimensional. Por su parte, la espectroscopia puede revelar que los pozos cuánticos tienen un grosor de dos, tres y cuatro átomos, además de la presencia de la fase masiva tridimensional.

Así que el equipo se puso a buscar respuestas: ¿Por qué existe esta desconexión entre ambos y cómo pueden controlarse el tamaño y la distribución de los pozos cuánticos en los LHP?

Mediante experimentos, el equipo descubrió que las nanoplaquetas (NPL) eran la pieza clave. Las NPL son láminas individuales de material de perovskita que se forman espontáneamente en la superficie de la solución que los investigadores utilizaron para crear las LHP.

"Descubrimos que estas nanoplaquetas sirven esencialmente como plantillas para los materiales estratificados que se forman bajo ellas", dijo Amassian, señalando que el grosor atómico de las nanoplaquetas dicta el grosor del LHP que hay debajo.

Sin embargo, las nanoplaquetas no son estables, y su grosor sigue creciendo, añadiendo nuevas capas de átomos con el tiempo.

"Con el tiempo, la nanoplaqueta crece tanto en grosor que se convierte en un cristal tridimensional".

- Amasia

Así pues, la anomalía se debía a que la difracción detectaba el apilamiento de láminas pero no las nanoplaquetas, mientras que la espectroscopia óptica detecta las láminas aisladas. añadió:

"Lo emocionante es que hemos descubierto que podemos detener el crecimiento de las nanoplaquetas de forma controlada, ajustando el tamaño y la distribución de los pozos cuánticos en las películas LHP".

De este modo, los investigadores pueden lograr magníficas cascadas de energía, esenciales para una alta reproducibilidad, un umbral bajo y la fotoestabilidad ambiental.

Esto se traduce en que el material es rápido y muy eficaz a la hora de canalizar cargas y energía para aplicaciones láser y LED.

Dado que las nanoplaquetas desempeñan un papel fundamental en la formación de las capas de perovskita de los LHP, los investigadores se propusieron comprobar si los NPL podían utilizarse para diseñar la estructura y las propiedades de otros materiales de perovskita, incluidos los utilizados en células solares y otras tecnologías fotovoltaicas.

"Descubrimos que las nanoplaquetas desempeñan un papel similar en otros materiales de perovskita y pueden utilizarse para diseñar esos materiales con el fin de potenciar la estructura deseada, mejorando su rendimiento fotovoltaico y su estabilidad".

- Milad Abolhasani, coautor y catedrático ALCOA de Ingeniería Química y Biomolecular en NC State

Así, el equipo aprovechó los NLP para controlar la orientación de las facetas de las perovskitas 3D y mejorar la estabilidad y eficiencia de las células solares de banda ancha.

Simulaciones informáticas para conocer en detalle las perovskitas

Células solares, o células fotovoltaicas (FV)están ganando mucha popularidad gracias a sus ventajas medioambientales. Al fin y al cabo, la energía solar es limpia, renovable y no produce emisiones de gases de efecto invernadero. Además, la luz del sol está disponible en cantidades ilimitadas, por lo que es fácil de aprovechar con células solares.

Además, su coste se ha reducido considerablemente, hasta 70% desde 2010, lo que las hace asequibles. Los avances tecnológicos han mejorado aún más su rendimiento y vida útil.

Con ello, se espera que el mercado mundial de células solares alcance los 1.000 millones de euros. $730,74 mil millones durante la próxima década.

Una célula solar es básicamente un dispositivo que convierte la luz solar directamente en electricidad. Para ello utiliza materiales como el silicio, pero los científicos buscan materiales más eficientes y estables, y las perovskitas se perfilan como una alternativa prometedora.

Los científicos llevan tiempo trabajando en la tecnología solar de la perovskita, cuyos avances han permitido batir récords de eficiencia. En las células solares, las perovskitas trabajan junto con el silicio para aprovechar más el espectro solar y, a su vez, generar más electricidad por célula.

Ahora, mediante simulaciones por ordenador y aprendizaje automático, los investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia) han logrado comprender mejor el funcionamiento de los materiales de perovskita para diseñar dispositivos optoelectrónicos eficientes y estables.

El aprendizaje automático ha ido ganando adeptos en la comunidad científica a medida que los investigadores lo utilizan para estudiar sistemas más amplios de lo que antes era posible con los métodos estándar y durante un periodo más largo.

Por ello, el equipo de investigadores estudió una serie de materiales de perovskita 2D, que son más estables que los 3D.

Trazaron el mapa del material en simulaciones por ordenador y luego lo sometieron a distintos escenarios para hacerse una idea detallada de lo que conducía exactamente a los resultados en un experimento. El equipo pudo obtener una visión de conjunto mucho más amplia y detallada que antes, lo que es especialmente importante en este caso porque, en las finísimas capas de este material, cada capa se comporta de forma diferente, lo que es extremadamente difícil de detectar experimentalmente.

El profesor Paul Erhart, miembro del equipo de investigación, les ayudó a obtener una "visión mucho mayor de cómo funcionan las perovskitas 2D".

En los materiales de perovskita 2D, hay capas inorgánicas apiladas unas sobre otras y separadas por moléculas orgánicas.

"Lo que hemos descubierto es que se puede controlar directamente cómo se mueven los átomos en las capas superficiales mediante la elección de los enlazadores orgánicos y cómo esto afecta a los movimientos atómicos en el interior de las capas de perovskita. Como ese movimiento es tan crucial para las propiedades ópticas, es como un efecto dominó".

- Paul Erhart

Según el coautor, este considerable conocimiento permite comprender de dónde procede la estabilidad de los materiales de perovskita 2D.

"(Esto puede ayudar a predecir) qué enlazadores y dimensiones pueden hacer que el material sea más estable y más eficiente al mismo tiempo".

- Coautora Julia Wiktor

En el siguiente paso, el equipo "pasará a sistemas aún más complejos y, en particular, a interfaces fundamentales para el funcionamiento de los dispositivos", añadió Wiktor.

Avances en las tecnologías láser y LED

Las perovskitas se han desarrollado mucho gracias a su enorme potencial en varios campos de la alta tecnología, como la generación de energía limpia mediante células solares, dispositivos optoelectrónicos como fotodetectores y sensores, y dispositivos de memoria.

Y lo que es más importante, los avances en la comprensión de los materiales de perovskita y la investigación de los LHP pueden cambiar las reglas del juego de los dispositivos láser de nueva generación, donde la precisión y la eficiencia son lo más importante, y de la tecnología LED, que tiene implicaciones para las pantallas, la iluminación y las tecnologías de visualización avanzadas.

Afinando estos materiales, podemos obtener láseres más eficientes con mayor fotoestabilidad y LED de alto brillo con menor consumo de energía.

En el mundo de la tecnología, en rápida evolución, los láseres y los LED se han convertido en componentes fundamentales de una amplia gama de sectores: comunicaciones, dispositivos médicos, fabricación e iluminación de bajo consumo.

En pocas palabras, estas tecnologías han transformado nuestra forma de interactuar con el mundo moderno. Los últimos avances en el uso de perovskitas y estructuras de pozos cuánticos son sólo una de las muchas áreas que los científicos están explorando para hacer avanzar la tecnología láser y LED.

He aquí algunos avances recientes en las tecnologías láser y LED:

Los diodos láser prometen un coste reducido, mayor potencia luminosa, mejor distancia entre haces y eficiencia. Gracias a estas ventajas, se están convirtiendo en un componente crucial del almacenamiento óptico de datos. La miniaturización de los diodos láser también ha propiciado avances en los sistemas LiDAR para vehículos autónomos.

Por su parte, los láseres ultrarrápidos emiten pulsos en el rango de los femtosegundos, es decir, una cuatrillonésima de segundo. Esto permite procesar materiales con precisión sin dañarlos con el calor y, por ello, se utiliza cada vez más en cirugía médica e investigación científica, sobre todo para estudiar fenómenos moleculares y atómicos.

Al incorporar el aprendizaje automático, la IA y los sensores, se están creando láseres más avanzados que funcionan de forma autónoma, aumentan la eficiencia y son más precisos.

La impresión 3D con láser, en la que se utiliza una fuente láser para fusionar materiales de forma selectiva y crear objetos complejos, es otra de las principales tendencias en el campo de la tecnología láser. En la fabricación aditiva, los láseres de fibra, en particular, están ganando popularidad gracias a su alta potencia, eficiencia y capacidad para emitir un haz a grandes distancias con pérdidas mínimas.

Los láseres también se utilizan cada vez más para el grabado. Para ello se utilizan todo tipo de láseres, desde fibra, CO2 y cristal hasta láseres de diodo y láseres de estado sólido bombeados por diodo. En un caso, investigadores de la Universidad Flinders modificaron superficies con láseres de baja potencia, que suelen requerir costosos láseres de alta potencia para el almacenamiento de datos.

En otro estudio, informamos de que los investigadores expusieron un material no magnético a radiación láser de alta frecuencia para producir un efecto magnético a temperatura ambiente, lo que tiene el potencial de allanar el camino hacia ordenadores más rápidos y eficientes energéticamente y revolucionar la electrónica.

Los nuevos dispositivos láser han avanzado tanto que ahora pueden incluso analizar la piel de una persona en tiempo real. Además, permiten tratar con precisión zonas concretas. El láser de holmio (YAG), que es uno de los más notables en el campo de la urología, se ha mejorado recientemente con tecnología de modulación de impulsos. Esta nueva tecnología permite los modos de onda pulsada y continua.

La evolución de los láseres también nos ha proporcionado microláseres, que son altamente personalizables y ofrecen un fuerte confinamiento óptico y mejores interacciones luz-materia.

En el ámbito de los LED, la vida útil ha aumentado espectacularmente, lo que contribuye al ahorro de energía.

La aplicación de la tecnología LED está ganando impulso sobre todo en la iluminación de automóviles, donde su mayor visibilidad, eficiencia energética y durabilidad aumentan la seguridad. Mientras tanto, en el alumbrado público, los LED ofrecen una iluminación más brillante y un importante ahorro de energía.

En este caso, la nanotecnología está demostrando su potencial para influir significativamente en la eficiencia de los LED. Los puntos cuánticos son cristales extremadamente pequeños con propiedades únicas que pueden ajustarse para emitir luz en todo el espectro de visibilidad, lo que ofrece más opciones de color. Los QD-LED ofrecen mayor precisión cromática y luminosidad, por lo que se están imponiendo en televisores y monitores.

Las versiones más pequeñas de los LED tradicionales, los mini y micro LED, permiten una mayor resolución, mejor contraste y eficiencia energética en las pantallas. Se están integrando en televisores de última generación, dispositivos de realidad aumentada y realidad virtual y teléfonos móviles para ofrecer mucho más brillo y eficiencia energética. tiempos de respuesta que los OLED.

Al integrar sensores y funciones de conectividad en los LED, los investigadores también están creando sistemas de "iluminación inteligente" que ajustan el brillo, el color y la temporización en función de las preferencias del usuario o las condiciones ambientales.

Empresas a la cabeza

Echemos ahora un vistazo a las posibles oportunidades de inversión en los campos del láser, los LED y las energías limpias, que avanzan con rapidez y que podrían beneficiarse de los avances en los materiales de perovskita.

First Solar (FSLR -1.13%) es un líder en tecnología solar centrado en soluciones fotovoltaicas de capa fina. Sus acciones cotizan a $207,75, un 19,35% más que hace un año, y su capitalización bursátil es de $22.000 millones. En el segundo trimestre de 2004, la empresa registró unas ventas de 1.010 millones de PTU, mientras que su beneficio neto se duplicó con creces, hasta 1.439,4 millones de PTU. En aquel momento, su Consejero Delegado, Mark Widmar, declaró que las empresas solares se enfrentaban a restricciones en el acceso al capital, ya que los inversores esperaban a que se aclarase la política para tomar decisiones de financiación.

Mientras tanto, Lumentum Holdings (LITE -5.62%) se dedica al diseño y fabricación de láseres para comunicaciones y aplicaciones comerciales e industriales. Las acciones de esta empresa de $4,7 millardos de capitalización bursátil han subido un 31,21% en lo que va de año y cotizan a $69,43.

Luego está Acuity Brands, Inc. (AYI -1.2%)líder en sistemas de iluminación LED. Las acciones de esta empresa de $9,38 billones de capitalización bursátil han subido 48,9% y cotizan actualmente a $305.

Profundicemos ahora en uno de los mejores resultados en este campo.

Coherent, Inc. (COHR -2.5%)

Coherent, empresa clave en el campo de la tecnología láser, suministra láseres para una amplia gama de aplicaciones, como el procesamiento de materiales, la electrónica y la biomedicina. Sus acciones han subido más de 132% este año; hasta ahora, ha cotizado a $105,10, lo que sitúa su capitalización bursátil en $15.600 millones. Su BPA (TTM) es de -1,85, y su PER (TTM) es de -54,79.

En su cuarto trimestre fiscal, la empresa informó $1.314 millones de ingresos y $4.708 millones para todo el ejercicio finalizado el 30 de junio de 2024, con unos márgenes brutos GAAP de 32,9% y 30,9%, respectivamente. El crecimiento, según Rich Martucci, director financiero interino, fue "impulsado principalmente por la continua fortaleza relacionada con la IA en nuestro negocio de transceptores Datacom."

Recientemente, la empresa introdujo una nueva serie de láseres de onda continua (CW) de realimentación distribuida (DFB) altamente eficientes, diseñados para ofrecer una eficiencia energética 15% superior a los estándares del sector. Estos láseres responden a la creciente demanda de ancho de banda que exigen los centros de datos centrados en IA. A principios de este año, Coherent también lanzado un láser industrial de picosegundos HyperRapid NXT que permite la fabricación ultraprecisa de células solares de película fina.

Conclusión

Los materiales de perovskita son muy valiosos por su eficiencia, rentabilidad, flexibilidad, delgadez, movilidad y capacidad de absorción de la luz. Por ello, un conocimiento más profundo y profundo de estos materiales, que avanza a un ritmo vertiginoso, puede ayudarnos a descubrir nuevas posibilidades para la próxima generación de tecnologías láser y LED.

Al controlar la estructura y el comportamiento de los pozos cuánticos, los investigadores están allanando el camino hacia una transferencia de energía más eficiente, una mayor estabilidad y mejores propiedades de emisión de luz. Estos avances pueden situar a las perovskitas en la vanguardia de diversos sectores y, a medida que avance la investigación, podrían revolucionar las energías limpias, las tecnologías de visualización y las aplicaciones láser, convirtiéndolas en el centro de atención de la ciencia de los materiales.

Haga clic aquí para ver una lista de los diez principales valores solares.