LED dan Laser: Pemahaman Baru tentang Perovskit Dapat Meningkatkan Kinerja

Para ilmuwan mempelajari perovskit untuk memahami sifat material yang berpotensi digunakan dalam elektronik, penyimpanan energi, laser, optoelektronik dan sensor. Istilah ini mencakup keluarga material yang luas, bukan satu zat dengan semua sifat yang sama.

Mineral perovskit adalah kalsium titanat, CaTiO₃, yang ditemukan pada 1839 di Rusia. Nama perovskit juga digunakan untuk material dengan susunan kristal terkait, sering ditulis ABX₃. Dalam perovskit oksida X adalah oksigen, sedangkan perovskit halida dapat memakai anion halida. Jadi, tidak semua anggota keluarga ini memiliki komposisi CaTiO₃.

Sumber: Fabre Minerals

Anggota keluarga perovskit dapat memiliki sifat feroelektrik, dielektrik, piezoelektrik, piroelektrik, katalitik atau transport oksigen yang menarik. Sifatnya bergantung pada komposisi dan struktur, sehingga bahan yang sesuai dapat digunakan dalam sel bahan bakar, memori atau fotovoltaik.

Sebagian perovskit diteliti untuk sel surya dan fotokatalisis, termasuk pemecahan polutan. Potensi ini perlu dibedakan dari kinerja komersial yang telah terbukti.

Keragaman aplikasi tersebut mendorong penelitian untuk memahami dan mengendalikan strukturnya.

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang material piezoelektrik.

Memahami Perovskit pada Tingkat Atom untuk Kontrol yang Lebih Baik

Peneliti North Carolina State University, dengan dukungan National Science Foundation, mendemonstrasikan teknik untuk mengendalikan perovskit hibrida berlapis atau LHP pada tingkat atom.

Teknik ini membantu mengatur perubahan muatan listrik menjadi cahaya dan membuka kemungkinan pengembangan LED, laser serta perangkat fotovoltaik. Hasil penelitian tidak berarti semua perangkat tersebut sudah siap dipasarkan.

Menurut penelitian tersebut , LHP merupakan semikonduktor berdimensi rendah yang menjanjikan untuk fotonik dan energi. Ukuran, orientasi serta distribusi sumur kuantum perlu dikendalikan.

LHP terdiri atas lembaran semikonduktor perovskit yang sangat tipis, dipisahkan oleh lapisan penyekat organik.

Susunan ini dapat mengubah energi dan muatan menjadi cahaya secara efisien. Meski lama menarik perhatian, cara mengatur karakteristik filmnya belum sepenuhnya dipahami.

Sumur kuantum adalah lapisan semikonduktor yang terkurung di antara lapisan penyekat. Ketebalannya memengaruhi tingkat energi.

Dalam penjelasan sederhana peneliti, sumur yang lebih tipis, misalnya dua lapisan atom, memiliki energi lebih tinggi dibandingkan yang lebih tebal, misalnya lima lapisan.

Susunan dengan ketebalan antara, seperti tiga dan empat lapisan, dapat membentuk alur transfer energi dari tingkat tinggi ke rendah.

“Anda pada dasarnya ingin memiliki kemiringan bertahap sehingga energi dapat mengalir turun.”

– Kenan Gundogdu, penulis bersama makalah dan profesor fisika di NC State

Peneliti menemukan ketidaksesuaian antara distribusi ketebalan yang terlihat melalui difraksi sinar-X dan spektroskopi optik.

Aram Amassian menjelaskan bahwa difraksi dapat menunjukkan sumur yang sangat tipis dan fase kristal tiga dimensi, sedangkan spektroskopi juga menangkap lembaran dengan ketebalan antara. Perbedaan ini berkaitan dengan struktur yang dapat dideteksi masing-masing metode.

Tim kemudian menyelidiki penyebab perbedaan tersebut serta cara mengendalikan distribusi sumur kuantum.

Kuncinya adalah nanoplatelet atau keping nano, lembaran perovskit individual yang terbentuk di permukaan larutan pembuat LHP.

“Kami menemukan bahwa keping nano ini pada dasarnya menjadi cetakan bagi material berlapis yang terbentuk di bawahnya,” kata Amassian. Ketebalan keping nano memengaruhi ketebalan sumur kuantum yang terbentuk.

Keping nano sendiri terus bertambah tebal seiring waktu, dengan penambahan lapisan atom.

“Akhirnya, nanoplatelet tumbuh begitu tebal sehingga menjadi kristal tiga dimensi.”

– Amassian

Difraksi terutama menangkap tumpukan lembaran, sedangkan spektroskopi optik dapat mendeteksi lembaran terisolasi. Ini menjelaskan sebagian perbedaan pengamatan. Amassian menambahkan:

“Yang menarik adalah kami menemukan bahwa kami dapat secara efektif menghentikan pertumbuhan nanoplatelet dengan cara yang terkontrol, sehingga menyesuaikan ukuran dan distribusi sumur kuantum dalam film LHP.”

Pengendalian ukuran dan susunan membantu membentuk kaskade energi, yang penting bagi reproduktibilitas, ambang emisi terstimulasi yang rendah dan kestabilan terhadap cahaya.

Dengan demikian, muatan dan energi dapat disalurkan dengan cepat dan efisien untuk aplikasi laser dan LED.

Tim juga menguji apakah keping nano dapat mengatur struktur dan sifat perovskit lain, termasuk material fotovoltaik yang mengubah cahaya menjadi listrik.

“Kami menemukan bahwa nanoplatelet memainkan peran serupa dalam material perovskit lainnya dan dapat digunakan untuk merekayasa material tersebut guna meningkatkan struktur yang diinginkan, meningkatkan kinerja fotovoltaik dan stabilitasnya.”

– Milad Abolhasani, rekan penulis dan pemegang jabatan profesor ALCOA dalam bidang teknik kimia dan biomolekuler di NC State

Keping nano, disingkat NPL, juga dimanfaatkan untuk mengatur orientasi bidang kristal perovskit tiga dimensi serta meningkatkan efisiensi dan kestabilan sel surya bercelah pita lebar yang diteliti.

Simulasi Komputer untuk Memahami Perovskit

Sel surya atau sel fotovoltaik mengubah cahaya menjadi listrik tanpa pembakaran saat beroperasi. Sumber sinarnya terbarukan, tetapi produksi material dan perangkat tetap memiliki jejak lingkungan, dan pasokan cahaya berubah menurut waktu serta cuaca.

Biaya teknologi surya telah menurun tajam sejak 2010, meskipun besarnya penurunan bergantung pada produk dan ukuran biaya yang dibandingkan. Kemajuan juga meningkatkan kinerja dan keandalan.

Salah satu proyeksi pasar yang dikutip memperkirakan nilai pasar sel surya dapat mencapai US$730,74 miliar dalam sekitar satu dekade. Ini merupakan perkiraan komersial dengan cakupan tertentu, bukan nilai yang sudah terealisasi.

Sel surya menggunakan semikonduktor, misalnya silikon. Perovskit dipelajari sebagai alternatif atau pelengkap karena sifat optiknya, dengan tantangan kestabilan, skala produksi dan pengelolaan material tertentu.

Sel tandem perovskit-silikon memanfaatkan bagian spektrum yang berbeda untuk meningkatkan efisiensi. Tidak semua sel perovskit merupakan tandem dengan silikon.

Peneliti Chalmers University of Technology di Swedia menggunakan simulasi komputer dan pembelajaran mesin untuk memahami gerakan atom dalam perovskit dua dimensi.

Metode ini memungkinkan studi sistem dan skala waktu yang lebih besar dibandingkan beberapa perhitungan atomistik standar, dengan akurasi yang tetap perlu diperiksa.

Tim meneliti material perovskit dua dimensi yang, pada komposisi tertentu, memiliki keunggulan kestabilan dibandingkan bentuk tiga dimensi.

Mereka memodelkan struktur dan menguji berbagai kondisi. Karena lapisan permukaan dan bagian dalam dapat bergerak berbeda, simulasi memberikan informasi yang sulit diukur langsung melalui eksperimen.

Paul Erhart menyatakan bahwa pendekatan tersebut memberikan pemahaman yang lebih rinci tentang perilaku perovskit dua dimensi.

Material ini mempunyai lapisan anorganik yang ditumpuk dan dipisahkan molekul organik.

“Kami menemukan bahwa pilihan penghubung organik dapat langsung mengendalikan gerakan atom pada lapisan permukaan dan memengaruhi gerakan atom jauh di dalam lapisan perovskit. Karena gerakan itu penting bagi sifat optik, pengaruhnya seperti efek domino.”

– Paul Erhart

Wawasan ini membantu menjelaskan asal kestabilan material dua dimensi dan hubungan antara struktur dengan sifatnya.

“(Ini dapat membantu memprediksi) penghubung dan dimensi mana yang dapat membuat material lebih stabil dan lebih efisien secara bersamaan.”

– Penulis bersama Julia Wiktor

Julia Wiktor menambahkan bahwa langkah berikutnya adalah mempelajari sistem yang lebih kompleks, terutama antarmuka yang menentukan fungsi perangkat.

Kemajuan dalam Teknologi Laser dan LED

Penelitian perovskit berkembang karena potensinya dalam sel surya, fotodetektor, sensor dan memori. Setiap penggunaan memerlukan kombinasi sifat dan validasi tersendiri.

Pemahaman tentang LHP dapat membantu pengembangan laser dan LED, termasuk emisi yang lebih terkendali untuk layar, penerangan dan fotonik.

Pengaturan struktur diharapkan meningkatkan kestabilan cahaya, menurunkan kebutuhan energi dan menghasilkan emisi yang lebih kuat. Peningkatan pada film penelitian belum otomatis menjadi perangkat tahan lama dalam pemakaian nyata.

Laser dan LED sudah digunakan dalam komunikasi, alat medis, manufaktur dan penerangan hemat energi.

Riset perovskit dan sumur kuantum merupakan salah satu dari banyak jalur untuk meningkatkan teknologi tersebut.

Perkembangan lain dalam laser dan LED meliputi:

Dioda laser menawarkan ukuran ringkas dan efisiensi untuk komunikasi optik, penyimpanan data dan sebagian sistem LiDAR. Daya, jarak dan biaya bergantung pada rancangan serta aplikasi.

Laser ultracepat dapat menghasilkan pulsa femtodetik, yaitu 10⁻¹⁵ detik. Pulsa singkat memungkinkan pemrosesan presisi dengan dampak panas yang lebih terbatas, bukan tanpa risiko panas sama sekali. Aplikasinya mencakup riset dan prosedur medis tertentu.

Sensor, pembelajaran mesin dan sistem kendali dapat membantu pengaturan proses laser secara otomatis dan meningkatkan ketepatan.

Dalam manufaktur aditif, laser dapat melebur atau menyatukan material secara selektif untuk membuat bentuk kompleks. Laser serat digunakan karena daya, efisiensi dan kualitas berkasnya, sesuai kebutuhan proses.

Laser juga digunakan untuk pengukiran dan modifikasi permukaan. Pilihannya mencakup laser serat, CO2, dioda dan laser padat. Penelitian di Flinders University menunjukkan kemungkinan modifikasi permukaan tertentu dengan daya lebih rendah; hasil itu tidak berlaku untuk semua bahan atau proses penyimpanan data.

Riset lain mempelajari pembangkitan respons magnetik dengan eksitasi laser pada material yang semula tidak magnetik. Ini merupakan temuan eksperimental, bukan bukti komputer baru sudah diproduksi atau semua material menjadi magnet permanen.

Di bidang medis, sistem optik dapat memantau jaringan dan menargetkan area tertentu. Dalam urologi, laser holmium:YAG telah ditingkatkan melalui teknologi modulasi pulsa . Kajian yang dikutip membedakan teknologi ini dari thulium:YAG yang dapat beroperasi dalam mode pulsa maupun gelombang kontinu; kemampuan tersebut tidak otomatis berasal dari modulasi pulsa holmium.

Mikrolaser menawarkan ukuran kecil dan pengurungan optik kuat, sehingga berguna untuk penelitian interaksi cahaya dan materi serta perangkat fotonik.

Pada LED, masa pakai yang panjang dan efisiensi dapat mengurangi pemeliharaan dan konsumsi energi, jika rancangan serta kondisi penggunaan sesuai.

LED digunakan dalam penerangan kendaraan dan jalan. Peningkatan visibilitas serta penghematan bergantung pada optik, pengaturan intensitas dan instalasi, bukan semata-mata jenis sumber cahaya.

Titik kuantum adalah nanokristal yang sifat emisinya dapat diatur melalui ukuran dan komposisi. Banyak televisi bertitik kuantum menggunakan lapisan konversi warna, bukan LED elektroluminesen titik kuantum sepenuhnya. Keduanya perlu dibedakan.

Mini-LED biasanya menjadi lampu latar layar LCD, sedangkan micro-LED dapat menjadi piksel pemancar langsung. Potensi kecerahan, kontras dan efisiensi keduanya berbeda. Perbandingan waktu respons dengan OLED harus memperhitungkan keseluruhan teknologi layar; mini-LED tidak otomatis menggantikan sifat respons panel LCD.

Dengan sensor dan konektivitas, penerangan pintar dapat mengatur kecerahan, warna serta jadwal sesuai preferensi atau kondisi lingkungan.

Perusahaan-Perusahaan yang Memimpin Perubahan

Berikut beberapa perusahaan di bidang surya, laser dan penerangan. Kegiatan mereka tidak berarti masing-masing telah mengomersialkan hasil riset perovskit yang dibahas.

First Solar(FSLR ) berfokus pada modul surya film tipis. Dalam snapshot pasar 2024 yang dikutip, harganya US$207,75, kenaikan sejak awal tahun 19,35%, dan kapitalisasi sekitar US$22 miliar. Pada kuartal kedua 2024, penjualan mencapai US$1,01 miliar dan laba bersih sekitar US$349,4 juta, lebih dari dua kali lipat dibandingkan tahun sebelumnya. Mark Widmar saat itu membahas ketidakpastian kebijakan dan akses pembiayaan sektor surya.

Sementara itu, Lumentum Holdings (LITE ) membuat produk fotonik dan laser untuk komunikasi serta aplikasi industri. Snapshot 2024 yang dikutip mencatat harga US$69,43, kenaikan sejak awal tahun 31,21%, dan kapitalisasi sekitar US$4,7 miliar; angka tersebut bukan harga langsung.

Kemudian ada Acuity Brands, Inc. (AYI ) menyediakan sistem penerangan dan kontrol, termasuk LED. Snapshot 2024 yang dikutip mencatat harga sekitar US$305, kenaikan sejak awal tahun 48,9%, dan kapitalisasi sekitar US$9,38 miliar.

Berikut pembahasan lebih rinci mengenai perusahaan fotonik lainnya.

Coherent Corp.

Coherent memasok laser untuk pemrosesan material, elektronik dan biomedis. Snapshot pasar 2024 dalam artikel mencatat kenaikan lebih dari 132%, harga US$105,10 dan kapitalisasi sekitar US$15,6 miliar. EPS dua belas bulan yang dikutip sebesar −US$1,85 menunjukkan kerugian. Rasio P/E negatif, seperti −54,79 dalam snapshot, tidak dapat ditafsirkan sebagai valuasi laba yang murah.

Untuk kuartal keempat tahun fiskal 2024, perusahaan melaporkan pendapatan US$1,314 miliar dan pendapatan setahun US$4,708 miliar hingga 30 Juni 2024. Margin kotor GAAP masing-masing 32,9% dan 30,9%. Rich Martucci, CFO sementara saat itu, mengaitkan pertumbuhan kuartalan dengan kuatnya bisnis transceiver datacom untuk kebutuhan terkait AI.

Pada Agustus 2024, perusahaan memperkenalkan laser distributed feedback gelombang kontinu untuk transceiver fotonik silikon. Menurut Coherent, efisiensi dayanya sekitar 15% lebih tinggi daripada pembanding standar industri yang digunakan. Pada tahun yang sama, perusahaan juga meluncurkan laser pikodetik HyperRapid NXT untuk manufaktur presisi, termasuk pemrosesan sel surya film tipis.

Kesimpulan

Perovskit menarik karena sifat optik dan elektronik yang dapat diatur. Sebagian komposisi menawarkan film tipis, fleksibilitas atau proses pembuatan berbiaya rendah, tetapi tidak semua material memiliki seluruh keunggulan tersebut.

Pengendalian sumur kuantum membuka peluang transfer energi dan emisi cahaya yang lebih baik. Tantangan kestabilan, produksi, keselamatan material dan integrasi perangkat tetap menentukan apakah hasil penelitian menjadi teknologi komersial yang berhasil.

Klik di sini untuk daftar sepuluh saham surya teratas.