אנרגיה
LEDs and Lasers – New Understanding of Perovskites Could Upend Performance Metrics
מדענים נכנסים לעומק הפרובסקיט כדי להבין טוב יותר את החומר הזה, שיש לו יישומים רבים המכסים אלקטרוניקה, אחסון אנרגיה, לייזרים, אופטו-אלקטרוניקה, חיישני גלוקוז, ועוד. אבל מהו בדיוק?
פרובסקיט הוא מינרל טבעי העשוי מסידיום, טיטניום וחמצן עם מבנה גבישי של CaTiO₃ או בעל נוסחה ABX3. הוא התגלה לראשונה ב-1839 ברוסיה. קבוצת חומרים עם אותו מבנה גבישי כמו המינרל פרובסקיט ידועים גם הם כחומרי פרובסקיט.
התכונות הפיזיקליות הייחודיות כגון פרואלקטרי, דיאלקטרי, פיאזואלקטרי ופירואלקטרי, והתכונות הכימיות, כולל פעילות קטליטית ויכולת הובלת חמצן, הופכות אותם לאחד ממחלקות המבנה החשובות ביותר במדע החומרים. זה הופך אותם למועמדים פוטנציאליים ליישומים בתאי דלק, התקני זיכרון ופוטובולטאים.
הם יכולים גם לשמש בתאים סולאריים להמרת אור שמש לחשמל, כמו גם לרכישת אנרגיה נקייה ולהרס זיהומים אורגניים.
נתון כל הסוגים השונים של תעשיות, פרובסקיט יכול לעזור לקדם, זה מובן שמדענים מנסים להבין אותו טוב יותר.
לחץ כאן כדי ללמוד הכל על חומרים פיאזואלקטריים.
הבנת פרובסקיט ברמה האטומית לשליטה טובה יותר
חוקרים מאוניברסיטת מדינת קרוליינה הצפונית, עם תמיכה מקרן המדע הלאומית, גילו דרך ליצור היברידים משוכבים של פרובסקיט (LHPs) על ידי לימודם ברמה המולקולרית.
הפריצה הזאת מאפשרת שליטה בלתי רגילה בתכונות הפליטה של LHPs ויכולה להוביל לקידום משמעותי בטכנולוגיות לייזר ו-LED. היא מחזיקה גם הבטחה להנדסת חומרים אחרים לשימוש בהתקנים פוטובולטאים.
היברידים משוכבים של פרובסקיט (LHPs), על פי המחקר, התגלו כסמיקונדוקטורים מבטיחים ליישומי אנרגיה ופוטונים הבאים. כאן, בקרה על ההפצה, הגודל והכיוון של בארות קוונטום (QWs) היא מאוד חשובה.
LHPs מורכבים מדפים דקים מאוד של חומר סמיקונדוקטורי של פרובסקיט. הדפים האלה מופרדים זה מזה על ידי שכבות “מרווח” אורגניות דקות.
נתון ששכבות דקות אלו של מספר דפים של פרובסקיט ושכבות “מרווח” יכולות להמיר יעיל את האיתות החשמלי לאור, LHPs היו בעלי עניין רב לקהילת המחקר במשך שנים. אולם, עדיין יש הבנה מוגבלת של כיצד להנדס אותם כדי לשלוט באפיונים של ביצועים.
כדי להבין אותם, אנו צריכים להתחיל עם בארות קוונטום, שהם דפים של חומר סמיקונדוקטורי הלכודים בין ‘שכבות מרווח’.
הם השכבות שנוצרות ב-LHPs. ובאר קוונטום בעובי שתי אטומים הוא בעל אנרגיה גבוהה יותר מזה שעוביו חמישה אטומים.
מכיוון שאנרגיה זורמת ממבנים בעלי אנרגיה גבוהה למבנים בעלי אנרגיה נמוכה ברמה המולקולרית, אנו צריכים להיות בעלי בארות קוונטום בעובי שלושה וארבעה אטומים בין בארות הקוונטום בעובי שתיים וחמישה אטומים, מה שמאפשר לאנרגיה לזרום ביעילות.
“באמת, אתה רוצה להיות בעל מדרון הדרגתי שהאנרגיה יכולה לרדת.”
– קנאן גונדוגדו, שותף למאמר ופרופסור לפיזיקה ב-NC State
אולם, אנשים המשיכו להיתקל באנומליה כאשר הם לומדים LHPs. האנומליה היא ההפצה הגודלית של בארות קוונטום בדגים LHP שנצפים דרך קרני רנטגן, שונה ממה שנגלה באמצעות ספקטרוסקופיה אופטית.
אראם אמאסיאן, מחבר המאמר התואם ופרופסור להנדסת חומרים ומדע באוניברסיטת מדינת קרוליינה הצפונית, הראה כיצד קרינה יכולה להראות כי בארות קוונטום הם בעלי עובי של שני אטומים והם חלק מגביש 3D. בינתיים, ספקטרוסקופיה יכולה לחשוף כי בארות הקוונטום הם בעלי עובי של שניים, שלושה וארבעה אטומים, בנוסף לנוכחות של הפאז התלת-ממדי.
כך, הצוות הלך לחפש תשובות: למה ישנו ניתוק בין השניים, וכיצד ניתן לשלוט בגודל וההפצה של בארות קוונטום ב-LHPs?
דרך ניסויים, הצוות גילה ננו-לוחות (NPLs) כשחקנים מפתח. NPLs הם דפים בודדים של חומר פרובסקיט שנוצרים באופן ספונטני על פני הפתרון שהחוקרים השתמשו בו כדי ליצור LHPs.
“מצאנו כי ננו-לוחות אלו משמשים בעצם כתבניות לחומרים משוכבים שנוצרים מתחתיהם,” אמר אמאסיאן, והוסיף כי עובי האטומי של ננו-לוחות קובע את עובי LHPs מתחתיו.
אולם, הננו-לוחות אינם יציבים, ועוביהם ממשיך לגדול, מוסיף שכבות חדשות של אטומים עם הזמן.
“בסופו של דבר, הננו-לוחות גדלים כל כך עבים עד שהם הופכים לגביש תלת-ממדי.”
– אמאסיאן
כך, האנומליה הייתה עקב קרינה שגילתה את הסידור של הדפים אך לא את הננו-לוחות, בעוד שספקטרוסקופיה אופטית מגלה דפים מבודדים. הוא הוסיף:
“מה שמרגש הוא שמצאנו כי אנו יכולים לעצור את צמיחת הננו-לוחות באופן מבוקר, בעצם כיוונו את הגודל וההפצה של בארות קוונטום בסרטי LHP.”
בכך, החוקרים יכולים להשיג זרימת אנרגיה מעולה, שהיא חיונית לרפרודוקציה גבוהה, סף נמוך ויציבות פוטונית בסביבה.
זה מתרגם לחומר היותו מהיר ויעיל מאוד בערוץ חשמל ואנרגיה לצורך יישומים של לייזר ו-LED.
עם ננו-לוחות משחקים תפקיד מפתח ביצירת שכבות פרובסקיט ב-LHPs, החוקרים הלכו לראות אם NPLs יכולים לשמש להנדסת המבנה והתכונות של חומרי פרובסקיט אחרים, כולל אלו המשמשים בתאים סולאריים וטכנולוגיות פוטובולטאיות אחרות.
“מצאנו כי הננו-לוחות משחקים תפקיד דומה בחומרי פרובסקיט אחרים ויכולים לשמש להנדסת אותם חומרים כדי לשפר את המבנה הרצוי, מה שמשפר את ביצועים הפוטובולטאים והיציבות שלהם.”
– מילאד אבולחסאני, שותף למאמר ופרופסור להנדסה כימית וביומולקולרית ב-NC State
כך, הצוות ניצל את NLPs כדי לשלוט בכיוון הפאזים של 3D פרובסקיט ולשפר את היציבות והיעילות של תאים סולאריים בעלי פער רחב.
שימוש בסימולציות מחשב לתובנה מפורטת לגבי פרובסקיטים
תאים סולאריים, או תאים פוטובולטאים (PV), זוכים לפופולריות רבה בזכות יתרונותיהם הסביבתיים. אנרגיית השמש, בעצם, היא נקייה, מתחדשת, ואינה מייצרת פליטות גזי חממה. האור השמשי זמין גם בכמויות בלתי מוגבלות, מה שהופך אותו לקל לניצול עם תאים סולאריים.
בנוסף, עלויותיהם ירדו במידה ניכרת, כמעט 70% מאז 2010, מה שהופך אותם למשתלמים. התקדמויות בטכנולוגיה שיפרו עוד יותר את ביצועיהם ואת חיי המדף שלהם.
עם זאת, השוק העולמי לתאים סולאריים צפוי להגיע ל-730.74 מיליארד דולר בעשור הקרוב.
תא סולארי הוא בעצם התקן שממיר אור שמש ישירות לחשמל. לשם כך, הוא משתמש בחומרים כגון סיליקון, אבל מדענים מחפשים חומרים יעילים ויציבים יותר, ופרובסקיטים נראים כחלופה מבטיחה.
מדענים עובדים על טכנולוגיית פרובסקיט סולארית במשך זמן מה עכשיו, והתקדמויות הובילו לשבירת שיאי יעילות. בתאים סולאריים, פרובסקיטים עובדים יחד עם סיליקון כדי לנצל יותר מהספקטרום הסולארי וליצור יותר חשמל לכל תא.
עכשיו, באמצעות סימולציות מחשב ולמידת מכונה, חוקרים באוניברסיטת Chalmers לטכנולוגיה בשוודיה הצליחו לקבל תובנות חדשות לגבי כיצד חומרי פרובסקיט פועלים כדי לעצב התקנים אופטו-אלקטרוניים יעילים ויציבים.
למידת מכונה זוכה לתשומת לב רבה בקהילה המדעית כיוון שחוקרים משתמשים בה כדי לחקור מערכות גדולות יותר ממה שהיה אפשרי עם השיטות הסטנדרטיות ובמשך זמן ארוך יותר.
כך, צוות המחקר למד סדרה של חומרי פרובסקיט 2D, שהם יציבים יותר מאשר 3D.
הם מיפו את החומר בסימולציות מחשב ואז חשפו אותו לתרחישים שונים כדי לקבל תמונה מפורטת של מה שהוביל לתוצאות בניסוי. הצוות הצליח לקבל תמונה רחבה ומפורטת יותר מאשר לפני, מה שחשוב במיוחד כאן, כיוון שבשכבות הדקות מאוד של חומר זה, כל שכבה מתנהגת אחרת, מה שקשה מאוד לגלות בניסוי.
פרופסור פול ארהרט, חבר בצוות המחקר, עזר להם לקבל “תובנה רבה יותר לגבי כיצד 2D פרובסקיטים פועלים.”
בחומרי פרובסקיט 2D, יש שכבות אי-אורגניות המונחות זו על גבי זו ומופרדות על ידי מולקולות אורגניות.
“מה שאנו גילינו הוא שאתה יכול לשלוט ישירות באטומים בשכבות השטח דרך בחירת הקשרים האורגניים וכיצד זה משפיע על תנועת האטומים עמוק בתוך שכבות הפרובסקיט. מכיוון שתנועה זו חיונית לתכונות האופטיות, זהו אפקט דומינו.”
– פול ארהרט
התובנה המשמעותית, על פי השותף, מעניקה את ההזדמנות להבין מהם מקורות היציבות של חומרי פרובסקיט 2D.
“(זה יכול לעזור לחזות) אילו קשרים וממדים יכולים להפוך את החומר ליציב ויעיל יותר בו-זמנית.”
– שותף יוליה ויקטור
בשלב הבא, הצוות “יעבור למערכות מורכבות יותר ובמיוחד לממשקים שהם חיוניים לתפקוד ההתקנים,” הוסיף ויקטור.
קידום בטכנולוגיות לייזר ו-LED
יש הרבה פיתוחים המתבצעים בפרובסקיטים בזכות הפוטנציאל הרחב שלהם בתחומים רבים, כולל ייצור אנרגיה נקייה דרך תאים סולאריים, התקנים אופטו-אלקטרוניים כגון פוטודטקטורים וחיישנים, והתקני זיכרון.
חשוב יותר, התקדמות בהבנת חומרי פרובסקיט ומחקר ב-LHPs יכול להיות משחק משני להתקנים לייזר בדור הבא, שם דיוק ויעילות הם החשובים ביותר, וטכנולוגיית LED, שיש לה משמעויות למסכים, תאורה וטכנולוגיות תצוגה מתקדמות.
על ידי כיול עדין של חומרים אלו, אנו יכולים לקבל לייזרים יעילים יותר עם יציבות פוטונית משופרת ו-LEDs בעלי בהירות גבוהה עם צריכת אנרגיה מופחתת.
בעולם הטכנולוגיה המשתנה במהירות, לייזרים ו-LEDs הפכו לרכיבים מרכזיים במגוון רחב של תעשיות: תקשורת, התקנים רפואיים, ייצור ותאורה אנרגטית.
לפשוט מילים, טכנולוגיות אלו שינו את האופן שבו אנו מתייחסים לעולם המודרני. הפריצות האחרונות בשימוש בפרובסקיטים ומבני בארות קוונטום הן רק אחד מני רבים שחוקרים חוקרים כדי לקדם את טכנולוגיית הלייזר ו-LED.
כאן ישנן התקדמויות אחרונות בטכנולוגיות לייזר ו-LED:
דיודות לייזר מבטיחות עלות מופחתת, פליטה גבוהה יותר, מרחק קרן טוב יותר ויעילות. בגלל היתרונות האלו, הן הופכות לרכיב חיוני באחסון נתונים אופטי. המיניאטוריזציה של דיודות לייזר הובילה גם להתקדמויות במערכות LiDAR לכלי רכב אוטונומיים.
לייזרים אולטרה-מהירים, לעומת זאת, פולטים פולסים בטווח הפמטו-שנייה, שהוא רביעית אחת של שנייה. זה מאפשר עיבוד חומרים מדויק ללא נזקי חום ולכן משמש בהולכה רפואית ומחקר מדעי, במיוחד כדי לחקור תופעות ברמה המולקולרית והאטומית.
על ידי שילוב למידת מכונה, AI וחיישנים, נוצרים לייזרים מתקדמים יותר שפועלים באופן אוטונומי, מגבירים יעילות ומדויקים יותר.
הדפסה תלת-ממדית באמצעות לייזר, שבה מקור לייזר משמש להיתוך סלקטיבי של חומרים ויצירת אובייקטים מורכבים, היא עוד מגמה מובילה בתחום טכנולוגיית הלייזר. בייצור אדיטיבי, לייזרים של סיבים, במיוחד, זוכים לפופולריות בזכות כוחם הגבוה, יעילותם ויכולתם לספק קרן במרחקים ארוכים עם אובדן מינימלי.
לייזרים משמשים גם בהגברה. למטרה זו, כל סוגי הלייזרים, מלייזר סיב, CO2, וקריסטל ועד לייזר דיודה ולייזר מונע על ידי דיודה, משמשים. במקרה אחד, חוקרים מאוניברסיטת Flinders שינו פני השטח עם לייזרים בעוצמה נמוכה — שבדרך כלל דורשים לייזרים יקרים ובעוצמה גבוהה לאחסון נתונים.
במחקר אחר, דווחנו כי חוקרים חשפו חומר לא מגנטי לקרינת לייזר בתדירות גבוהה כדי לייצר אפקט מגנטי בטמפרטורת החדר, מה שיכול לפתוח את הדרך למחשבים יותר יעילים באנרגיה ומהירים יותר, ולמהפכה באלקטרוניקה.
התקנים לייזר חדשים הפכו כל כך מתקדמים שהם יכולים עכשיו אפילו לנתח את עורו של אדם בזמן אמת. הם מאפשרים גם הכוונה מדויקת לאזורים ספציפיים. הלייזר הולמיום (YAG), שהוא אחד מהלייזרים הבולטים ביותר בתחום האורולוגיה, עבר לאחרונה שיפור עם טכנולוגיה של בקרת פולס. טכנולוגיה חדשה זו מאפשרת שני רגימות: פולסים וגל רציף.
התפתחות הלייזרים הובילה גם ללייזרים מיקרו, שהם מאוד מותאמים ומציעים הכלאה אופטית חזקה ואינטראקציה בין אור לחומר משופרת.
בתחום ה-LED, החיי מדף גדלו באופן משמעותי, מה שתורם לחיסכון באנרגיה.
היישום של טכנולוגיית LED זוכה לתאוצה במיוחד בתאורת רכב, שם תאורה משופרת, יעילות אנרגטית ועמידות משפרים את הבטיחות. בתאורת רחוב, LEDs מציעים תאורה בהירה יותר וחיסכון משמעותי באנרגיה.
כאן, ננוטכנולוגיה מראה פוטנציאל להשפיע באופן משמעותי על יעילות LED. נקודות קוונטום הן גבישים קטנים מאוד המכילים תכונות ייחודיות שניתן לכוונן כדי לפלוט אור לאורך כל הספקטרום הנראה, מה שמציע יותר אפשרויות לצבע. QD-LEDs מציעים דיוק צבע משופר ובהירות, ולכן הם הופכים לנפוצים בטלוויזיות ומוניטורים.
LEDs מיניאטוריים ומיקרו, לעומת זאת, מאפשרים רזולוציה גבוהה יותר, קונטרסט טוב יותר ויעילות אנרגטית בתצוגות. הם משולבים בטלוויזיות, התקני AR/VR וטלפונים ניידים כדי להציע בהירות וזמני תגובה טובים יותר מאשר OLEDs.
על ידי אינטגרציה של חיישנים ותכונות חיבור ל-LEDs, חוקרים גם יוצרים מערכות תאורה ‘חכמות’ שמותאמות את עוצמת האור, צבע וזמן לפי העדפות המשתמש או תנאים סביבתיים.
חברות המובילות את הדרך
עכשיו, בואו נביט על הזדמנויות השקעה פוטנציאליות בתחומים המתפתחים במהירות של לייזרים, LEDs ואנרגיה נקייה, שכולם יכולים להיהנות מהפריצות בחומרי פרובסקיט.
First Solar (FSLR ) היא מובילה בטכנולוגיה סולארית שמתמקדת בפתרונות פוטובולטאים דקים (PV). עם מניותיה נסחרות ב-207.75 דולר, עליה של 19.35% מאז תחילת השנה, שווי השוק שלה עומד על 22 מיליארד דולר. לרבעון השני של 2024, החברה דיווחה 1.01 מיליארד דולר במכירות, בעוד הרווח הנקי יותר מגופל ל-349.4 מיליון דולר. באותה עת, המנכ”ל מארק וידמר אמר כי חברות סולאריות מתמודדות עם הגבלות על גישה להון, כיוון שמשקיעים מחכים לבירור מדיניות כדי לקבל החלטות מימון.
(FSLR )
בינתיים, Lumentum Holdings (LITE ) מעורבת בתכנון וייצור לייזרים לתקשורת, שימושים מסחריים ותעשייתיים. חברה זו, בעלת שווי שוק של 4.7 מיליארד דולר, רואה את מניותיה עולות ב-31.21% מאז תחילת השנה, כאשר הן נסחרות ב-69.43 דולר.
(LITE )
אז יש Acuity Brands, Inc. (AYI ), שהיא מובילה במערכות תאורת LED. חברה זו, בעלת שווי שוק של 9.38 מיליארד דולר, רואה את מניותיה עולות ב-48.9%, והן נסחרות כעת ב-305 דולר.
(AYI )
עכשיו, בואו נביט עמוק יותר על אחד מביצועים הטובים ביותר בתחום.
Coherent, Inc. (COHR )
(COHR )
שחקן מפתח בתחום הטכנולוגיה המבוססת לייזר, Coherent מספק לייזרים למגוון רחב של יישומים, כולל עיבוד חומרים, אלקטרוניקה וביורפואה. מניותיה עלו ביותר מ-132% השנה; עד כה, הן נסחרות ב-105.10 דולר, מה שמעמיד את שווי השוק שלה על 15.6 מיליארד דולר. הרווח למניה (TTM) שלה הוא -1.85, ויחס המחיר לרווח (TTM) הוא -54.79.
לרבעון הכספי הרביעי, החברה דיווחה 1.314 מיליארד דולר בהכנסות ו-4.708 מיליארד דולר לשנה הכספית המלאה שהסתיימה ב-30 ביוני 2024, עם שולי רווח גולמי GAAP של 32.9% ו-30.9%, בהתאמה. הצמיחה, על פי ריץ’ מרטוצ’י, ה-CFO הזמני, “נעה בעיקר על ידי חוזק AI-מונע בעסק ה-Datacom transceiver שלנו.”
לאחרונה, החברה השיקה סדרה חדשה של לייזרים רציפים (CW) עם מניעת קרינה מפוזרת (DFB) בעלי יעילות גבוהה, שמציעים 15% יותר יעילות בהשוואה לתקנים תעשייתיים. לייזרים אלו פונים לביקוש הגובר לרוחב פס הולך וגדל הנדרש על ידי מרכזי נתונים המתמקדים ב-AI. קודם לכן, Coherent השיקה גם לייזר פיקושנייה HyperRapid NXT תעשייתי שמאפשר ייצור אולטרה-מדויק של תאים סולאריים דקים.
מסקנה
חומרי פרובסקיט הם בעלי ערך רב בזכות יעילותם, יעילות עלות, גמישות, דקות, ניידות ויכולות שאיבת אור. כך, רכישת הבנה טובה יותר ומעמיקה יותר של חומרים אלו, שמתקדמת בקצב מהיר, יכולה לעזור לנו לפתוח אפשרויות חדשות לטכנולוגיות לייזר ו-LED בדור הבא.
על ידי קבלת שליטה על המבנה וההתנהגות של בארות קוונטום, חוקרים פותחים עוד יותר את הדרך להעברת אנרגיה יעילה, יציבות רבה יותר ותכונות פליטת אור משופרות. התקדמויות אלו יכולות להציב את פרובסקיטים כשחקנים משניים במגוון תעשיות, וככל שהמחקר ממשיך, הם יכולים למהפכת אנרגיה נקייה, טכנולוגיות תצוגה ויישומי לייזר, מה שהופך אותם למוקד המדע החומרים.
