LEDs y Láseres – La nueva comprensión de las perovskitas podría cambiar los indicadores de rendimiento

Los científicos están profundizando en la perovskita para comprender mejor este material, que tiene amplias aplicaciones que abarcan la electrónica, el almacenamiento de energía, los láseres, la optoelectrónica, los sensores de glucosa y más. ¿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. Fue descubierta 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 perovskita.

Fuente: Fabre Minerals

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

También pueden usarse 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 potencialmente ayudar a avanzar en todo tipo de industrias, tiene sentido que los científicos intenten comprenderla mejor.

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Comprender la perovskita a nivel atómico para un mejor control

Researchers from North Carolina State University, with support from the National Science Foundation, have discovered a way to create layered hybrid perovskites (LHPs) by studying them at the molecular level.

Este avance permite un control sin precedentes sobre las propiedades de emisión de luz de las LHPs y puede conducir a avances significativos en las tecnologías de láser y LED. También promete la ingeniería de otros materiales para su uso en dispositivos fotovoltaicos.

Las perovskitas híbridas en capas (LHPs), según la investigación, han surgido como semiconductores prometedores para aplicaciones energéticas y fotónicas de próxima generación. Aquí, controlar la distribución, el tamaño y la orientación de los pozos cuánticos (QWs) es extremadamente importante.

Las LHPs están compuestas por láminas muy delgadas de material semiconductor perovskita. Estas láminas están separadas entre sí por finas capas orgánicas de “espaciador”.

Dado que estas películas delgadas de múltiples láminas de perovskita y capas de “espaciador” pueden convertir eficientemente la carga eléctrica en luz, las LHPs han sido de considerable interés para la comunidad investigadora durante años. Sin embargo, todavía se comprende poco cómo diseñarlas para controlar sus características de rendimiento.

Para comprenderlas, debemos comenzar con los pozos cuánticos, que son láminas de material semiconductor comprimidas entre capas de “espaciador”.

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

Porque 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 espesor entre los pozos cuánticos de dos y cinco átomos de espesor, permitiendo que la energía fluya eficientemente.

“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, la gente siguió encontrando una anomalía al estudiar las LHPs. La anomalía es la distribución de tamaños de los pozos cuánticos en una muestra de LHP observada mediante difracción de rayos X, que difiere de lo detectado con espectroscopía óptica.

Aram Amassian, autor correspondiente del artículo y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Estatal de Carolina del Norte, ilustró cómo la difracción puede indicar que los pozos cuánticos tienen un espesor de dos átomos y forman parte de un cristal volumétrico 3D. Mientras tanto, la espectroscopía puede revelar que los pozos cuánticos tienen dos, tres y cuatro átomos de espesor, además de la presencia de la fase volumétrica tridimensional.

Así que el equipo buscó respuestas: ¿Por qué existe esta desconexión entre ambos, y cómo se puede controlar el tamaño y la distribución de los pozos cuánticos en las LHPs?

A través de experimentos, el equipo descubrió que los nanoplaquetas (NPLs) son el factor clave. Los NPLs son láminas individuales de material perovskita que se forman espontáneamente en la superficie de la solución que los investigadores usaron para crear LHPs.

“Descubrimos que estas nanoplaquetas sirven esencialmente como plantillas para los materiales en capas que se forman bajo ellas”, dijo Amassian, señalando que el espesor atómico de las nanoplaquetas determina el espesor de la LHP debajo de ellas.

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

“Eventualmente, la nanoplaqueta crece tanto que se convierte en un cristal tridimensional.”

– Amassian

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

“Lo emocionante es que descubrimos que podemos detener esencialmente el crecimiento de las nanoplaquetas de manera controlada, ajustando esencialmente el tamaño y la distribución de los pozos cuánticos en películas LHP.”

Al hacerlo, los investigadores pueden lograr cascadas de energía sobresalientes, que son esenciales para una alta reproducibilidad, umbrales bajos y fotostabilidad ambiental.

Esto se traduce en que el material sea rápido y altamente eficiente al canalizar cargas y energía para aplicaciones de láser y LED.

Con las nanoplaquetas desempeñando un papel crítico en la formación de capas de perovskita en las LHPs, los investigadores investigaron si los NPLs pueden usarse para diseñar la estructura y propiedades de otros materiales perovskita, incluidos los utilizados en células solares y otras tecnologías fotovoltaicas.

“Descubrimos que las nanoplaquetas juegan un papel similar en otros materiales perovskita y pueden usarse para diseñar esos materiales para mejorar la estructura deseada, mejorando su rendimiento fotovoltaico y estabilidad.”

– Milad Abolhasani, coautor y Profesor ALCOA de Ingeniería Química y Biomolecular en NC State

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

Uso de simulaciones por computadora para obtener una visión detallada de las perovskitas

Las células solares, o células fotovoltaicas (PV), están ganando mucha popularidad gracias a sus beneficios medioambientales. La energía solar, después de todo, es limpia, renovable y no produce emisiones de gases de efecto invernadero. La luz solar también está disponible en cantidades ilimitadas, lo que facilita su aprovechamiento con células solares.

Además, sus costos han disminuido significativamente, hasta un 70 % desde 2010, lo que las hace asequibles. Los avances tecnológicos han mejorado aún más su rendimiento y vida útil.

Con eso, se espera que el mercado global de células solares alcance $730.74 mil millones en 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 consideran una alternativa prometedora.

Los científicos han estado trabajando en la tecnología solar de perovskita durante algún tiempo, y los avances han llevado a romper récords de eficiencia. En las células solares, las perovskitas trabajan junto con el silicio para aprovechar más del espectro solar y, a su vez, generar más electricidad por célula.

Ahora, mediante el uso de simulaciones por computadora y aprendizaje automático, investigadores de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia han podido obtener nuevas ideas sobre cómo funcionan los materiales perovskita para diseñar dispositivos optoelectrónicos eficientes y estables.

El aprendizaje automático ha ganado mucho impulso en la comunidad científica, ya que los investigadores lo utilizan para estudiar sistemas más grandes de lo que era posible con los métodos estándar y durante un período más prolongado.

Así, el equipo de investigación estudió una serie de materiales perovskita 2D, que son más estables que los 3D.

Mapearon el material en simulaciones por computadora y luego lo sometieron a diferentes escenarios para obtener una idea detallada de lo que condujo a los resultados en un experimento. El equipo pudo obtener una visión mucho más amplia y detallada que antes, lo cual es especialmente importante aquí porque, en las capas muy finas de este material, cada capa se comporta de manera diferente, lo que es extremadamente difícil de detectar experimentalmente.

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

En los materiales perovskita 2D, existen capas inorgánicas apiladas una sobre otra y separadas por moléculas orgánicas.

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

– Paul Erhart

La considerable comprensión, según el coautor, brinda la oportunidad de entender de dónde proviene la estabilidad de los materiales perovskita 2D.

“(Esto puede ayudar a predecir) qué enlaces y dimensiones pueden hacer que el material sea simultáneamente más estable y más eficiente.”

– Coautora Julia Wiktor

En el siguiente paso, el equipo “pasará a sistemas aún más complejos y, en particular, a interfaces que son fundamentales para la función de los dispositivos,” añadió Wiktor.

Avances en tecnologías de láser y LED

Se ha producido mucho desarrollo en perovskitas gracias a su enorme potencial en varios campos de alta tecnología, incluida la generación de energía limpia mediante células solares, dispositivos optoelectrónicos como fotodetectores y sensores, y dispositivos de memoria.

Más importante aún, el avance en la comprensión de los materiales perovskita y la investigación de LHPs puede ser un factor decisivo para los dispositivos láser de próxima generación, donde la precisión y la eficiencia son primordiales, y la tecnología LED, que tiene implicaciones para pantallas, iluminación y tecnologías de visualización avanzadas.

Al afinar estos materiales, podemos obtener láseres más eficientes con mayor fotostabilidad y LEDs de alta luminosidad con un consumo de energía reducido.

En el mundo de la tecnología, que evoluciona rápidamente, los láseres y los LEDs se han convertido en componentes fundamentales en una amplia gama de industrias: comunicaciones, dispositivos médicos, fabricación e iluminación de bajo consumo.

En pocas palabras, estas tecnologías han transformado la forma en que interactuamos con el mundo moderno. Los últimos avances en el uso de perovskitas y estructuras de pozo cuántico son solo una de las muchas áreas que los científicos están explorando para avanzar en la tecnología de láser y LED.

A continuación, se presentan algunos avances recientes en tecnologías de láser y LED:

Los diodos láser prometen reducir costos, aumentar la salida de luz, mejorar la distancia del haz y la eficiencia. Debido a estos beneficios, se están convirtiendo en un componente crucial del almacenamiento óptico de datos. La miniaturización de los diodos láser también ha llevado a avances en sistemas LiDAR para vehículos autónomos.

Los láseres ultrarrápidos, por su parte, emiten pulsos en el rango de femtosegundos, que es una cuatrillonésima parte de un segundo. Esto permite un procesamiento de materiales preciso sin causar daño térmico y, por lo tanto, se utilizan cada vez más en cirugías médicas e investigaciones científicas, particularmente para estudiar fenómenos a nivel molecular y atómico.

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

La impresión 3D habilitada por láser, en la que una fuente láser se utiliza para fusionar selectivamente materiales y crear objetos complejos, es otra tendencia líder 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 de entregar un haz a largas distancias con mínima pérdida.

Los láseres también se están utilizando cada vez más para el grabado. Para este propósito, se emplean 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 normalmente requieren láseres costosos y de alta potencia para el almacenamiento de datos.

En otro estudio, informamos que 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 computadoras más eficientes energéticamente y rápidas, revolucionando la electrónica.

Los nuevos dispositivos láser se han vuelto tan avanzados que ahora pueden incluso analizar la piel de una persona en tiempo real. Además, permiten un objetivo preciso de áreas específicas. El láser de holmio (YAG), que es uno de los láseres más destacados en el campo de la urología, se ha mejorado recientemente con tecnología de modulación de pulsos. Esta nueva tecnología permite modos pulsados y de onda continua.

La evolución de los láseres también nos ha dado microláseres, que son altamente personalizables y ofrecen una fuerte confinación óptica y una mayor interacción luz‑materia.

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

La aplicación de la tecnología LED está ganando particularmente impulso en la iluminación automotriz, donde su mayor visibilidad, eficiencia energética y durabilidad mejoran la seguridad. Mientras tanto, en la iluminación pública, los LED ofrecen una iluminación más brillante y ahorros energéticos significativos.

Aquí, la nanotecnología está demostrando el potencial de impactar significativamente la eficiencia de los LED. Los puntos cuánticos son cristales extremadamente pequeños que contienen propiedades únicas que pueden ajustarse para emitir luz a lo largo del espectro visible, proporcionando más opciones de color. Los QD‑LEDs ofrecen mayor precisión de color y brillo y, por ello, están convirtiéndose en predominantes en televisores y monitores.

Las versiones más pequeñas de los LED tradicionales, mini y micro‑LEDs, permiten una mayor resolución, mejor contraste y eficiencia energética en pantallas. Se están integrando en televisores de próxima generación, dispositivos AR/VR y teléfonos móviles para ofrecer una luminosidad mucho mayor y tiempos de respuesta superiores a los de los OLEDs.

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 el tiempo según las preferencias del usuario o las condiciones ambientales.

Empresas que lideran la carga

First Solar (FSLR ) es un líder en tecnología solar cuyo enfoque está en soluciones fotovoltaicas (PV) de película delgada. Con sus acciones cotizando a $207.75, un 19.35 % más arriba en lo que va del año, su capitalización de mercado es de $22 mil millones. Para el 2T24, la compañía reportó $1.01 mil millones en ventas mientras que el ingreso neto se más que duplicó a $349.4 millones. En ese momento, el CEO Mark Widmar dijo que las compañías solares enfrentaban restricciones en el acceso al capital ya que los inversores esperaban que la política fuera más clara para tomar decisiones de financiamiento.

Mientras tanto, Lumentum Holdings (LITE ) está involucrada en el diseño y fabricación de láseres para comunicaciones, aplicaciones comerciales e industriales. Las acciones de esta compañía, con una capitalización de mercado de $4.7 mil millones, han subido un 31.21 % en lo que va del año, cotizando a $69.43.

Luego está Acuity Brands, Inc. (AYI ), que es un líder en sistemas de iluminación LED. Las acciones de esta compañía, con una capitalización de mercado de $9.38 mil millones, han subido un 48.9 % y actualmente cotizan a $305.

Ahora, profundicemos en uno de los principales actores del sector.

Coherent, Inc. (COHR )

Un actor clave en el campo de la tecnología basada en láser, Coherent proporciona láseres para una amplia gama de aplicaciones, incluidas el procesamiento de materiales, la electrónica y la biomedicina. Sus acciones han subido más del 132 % este año; hasta ahora, se han negociado a $105.10, lo que sitúa su capitalización de mercado en $15.6 mil millones. Su EPS (TTM) es -1.85, y su P/E (TTM) es -54.79.

Para su cuarto trimestre fiscal, la compañía reportó $1.314 mil millones en ingresos y $4.708 mil millones para el año completo que terminó el 30 de junio de 2024, con márgenes brutos GAAP del 32.9 % y 30.9 %, respectivamente. El crecimiento, según Rich Martucci, CFO interino, fue “principalmente impulsado por la fortaleza continua relacionada con IA en nuestro negocio de transceptores Datacom”.

Recientemente, la compañía presentó una nueva serie de láseres de retroalimentación distribuida (DFB) de onda continua (CW) altamente eficientes, diseñados para ofrecer un 15 % mayor eficiencia energética que los estándares de la industria. Estos láseres responden a la demanda de mayor ancho de banda requerida por los centros de datos centrados en IA. A principios de este año, Coherent también lanzó un láser industrial picosegundo HyperRapid NXT que permite la fabricación de ultra precisión de células solares de película delgada.

Conclusión

Los materiales perovskita son extremadamente valiosos gracias a su eficiencia, rentabilidad, flexibilidad, delgadez, movilidad y capacidad de absorción de luz. Como tal, obtener una comprensión mejor y más profunda de estos materiales, que avanza a un ritmo rápido, puede ayudarnos a desbloquear nuevas posibilidades para las tecnologías de láser y LED de próxima generación.

Al controlar la estructura y el comportamiento de los pozos cuánticos, los investigadores están allanando el camino para una transferencia de energía más eficiente, mayor estabilidad y propiedades de emisión de luz mejoradas. Estos avances pueden posicionar a las perovskitas como agentes de cambio en una variedad de industrias, y a medida que la investigación continúa, tienen el potencial de revolucionar la energía limpia, las tecnologías de visualización y las aplicaciones láser, convirtiéndolas en el foco de la ciencia de materiales.

Haga clic aquí para obtener una lista de las diez principales acciones solares.