LED’s en Lasers – Nieuw Begrip van Perovskieten Kan Prestatiestatistieken Omverwerpen

Wetenschappers duiken dieper in perovskiet om dit materiaal beter te begrijpen, dat talloze toepassingen heeft op het gebied van elektronica, energieopslag, lasers, opto-elektronica, glucosesensoren en meer. Maar wat is het precies?

Perovskiet is een natuurlijk mineraal bestaande uit calcium, titanium en zuurstof met de kristalstructuur CaTiO₃ of de formule ABX3. Het werd voor het eerst ontdekt in 1839 in Rusland. Een klasse van materialen met dezelfde kristalstructuur als het mineraal perovskiet worden ook perovskietmaterialen genoemd.

Bron: Fabre Minerals

De uitzonderlijke fysieke eigenschappen zoals ferroelectrisch, dielektrisch, piezo-elektrisch en pyroelectrisch gedrag en chemische eigenschappen, waaronder katalytische activiteit en zuurstoftransportcapaciteit van perovskiet, maken ze tot een van de belangrijkste structuurklassen in de materiaalkunde. Dit maakt ze een potentiële kandidaat voor toepassingen in brandstofcellen, geheugentoestellen en fotovoltaïsche cellen.

Ze kunnen ook worden gebruikt in zonnecellen om zonlicht om te zetten in elektriciteit, evenals voor de verwerving van schone energie en de afbraak van organische verontreinigingen.

Gezien de verschillende industrieën die perovskiet potentieel kan helpen vooruit te brengen, is het logisch dat wetenschappers proberen het beter te begrijpen.

Klik hier om alles te leren over piëzo-elektrische materialen.

Perovskiet Begrijpen op Atomair Niveau voor Betere Controle

Onderzoekers van North Carolina State University, met steun van de National Science Foundation, hebben een manier ontdekt om gelaagde hybride perovskieten (LHP’s) te creëren door ze op moleculair niveau te bestuderen.

Deze doorbraak maakt ongekende controle over de lichtgevende eigenschappen van LHP’s mogelijk en kan leiden tot aanzienlijke vooruitgang in laser- en LED-technologieën. Het biedt ook belofte voor het ontwerpen van andere materialen voor gebruik in fotovoltaïsche apparaten.

Gelaagde hybride perovskieten (LHP’s), volgens het onderzoek, zijn uitgegroeid tot veelbelovende halfgeleiders voor de volgende generatie energie- en fotonische toepassingen. Hier is het beheersen van de verdeling, grootte en oriëntatie van kwantumputten (QW’s) uiterst belangrijk.

LHP’s bestaan uit zeer dunne vellen van perovskiet halfgeleidermateriaal. Deze vellen worden van elkaar gescheiden door dunne organische “spacer”-lagen.

Aangezien deze dunne films van meerdere perovskietvellen en “spacer”-lagen efficiënt elektrische lading kunnen omzetten in licht, zijn LHP’s al jarenlang van aanzienlijk belang voor de onderzoeksgemeenschap. Er is echter nog beperkte kennis over hoe ze te ontwerpen om hun prestatiekenmerken te beheersen.

Om ze te begrijpen, moeten we beginnen met kwantumputten, die vellen halfgeleidermateriaal zijn die tussen ‘spacer’-lagen zijn ingesloten.

Dit zijn de lagen die zich vormen in LHP’s. En een kwantumput van twee atomen dik heeft een hogere energie dan die van vijf atomen dik.

Omdat energie op moleculair niveau van structuren met hoge energie naar structuren met lage energie stroomt, moeten we kwantumputten van drie en vier atomen dik tussen de twee- en vijf-atomen-dikke kwantumputten plaatsen, zodat de energie efficiënt kan stromen.

“Je wilt eigenlijk een geleidelijke helling hebben waar de energie langs kan cascaderen.”

– Kenan Gundogdu, co-auteur van het artikel en professor in de natuurkunde aan NC State

Echter, onderzoekers liepen een anomalie tegen bij het bestuderen van LHP’s. De anomalie is de grootteverdeling van kwantumputten in een LHP-monster waargenomen via röntgendiffractie, die verschilt van wat wordt gedetecteerd met optische spectroscopie.

Aram Amassian, de corresponderende auteur van het artikel en professor in materiaalkunde en -techniek aan de NC State University, illustreerde hoe diffractie kan aangeven dat kwantumputten een dikte van twee atomen hebben en deel uitmaken van een 3D bulkkristal. Ondertussen kan spectroscopie aantonen dat de kwantumputten twee, drie en vier atomen dik zijn, naast de aanwezigheid van de driedimensionale bulkfase.

Dus ging het team op zoek naar antwoorden: Waarom is er deze discrepantie tussen de twee, en hoe kunnen de grootte en verdeling van kwantumputten in LHP’s worden gecontroleerd?

Door experimenten ontdekte het team dat nanoplaten (NPL’s) de sleutelspeler zijn. NPL’s zijn individuele vellen perovskietmateriaal die spontaan ontstaan op het oppervlak van de oplossing die de onderzoekers gebruikten om LHP’s te creëren.

“We vonden dat deze nanoplaten in feite dienen als sjablonen voor gelaagde materialen die zich eronder vormen,” zei Amassian, waarbij hij opmerkte dat de atomaire dikte van nanoplaten de dikte van de LHP eronder bepaalt.

Echter, de nanoplaten zijn niet stabiel, en hun dikte blijft groeien, waardoor na verloop van tijd nieuwe atomaire lagen worden toegevoegd.

“Uiteindelijk groeit de nanoplaten zo dik dat het een driedimensionaal kristal wordt.”

– Amassian

Dus, de anomalie was te wijten aan het feit dat diffractie de stapeling van vellen detecteert maar niet de nanoplaten, terwijl optische spectroscopie geïsoleerde vellen detecteert. Hij voegde toe:

“Wat opwindend is, is dat we hebben ontdekt dat we de groei van nanoplaten in een gecontroleerde manier kunnen stoppen, waardoor we de grootte en verdeling van kwantumputten in LHP-films kunnen afstemmen.”

Door dit te doen kunnen onderzoekers uitstekende energiecascades bereiken, die essentieel zijn voor hoge reproduceerbaarheid, lage drempel en omgevingsfotostabiliteit.

Dit betekent dat het materiaal snel en zeer efficiënt is in het kanaliseren van ladingen en energie voor laser- en LED-toepassingen.

Met nanoplaten die een cruciale rol spelen in de vorming van perovskietlagen in LHP’s, gingen de onderzoekers onderzoeken of NPL’s kunnen worden gebruikt om de structuur en eigenschappen van andere perovskietmaterialen te ontwerpen, inclusief die gebruikt in zonnecellen en andere fotovoltaïsche technologieën.

“We ontdekten dat de nanoplaten een vergelijkbare rol spelen in andere perovskietmaterialen en kunnen worden gebruikt om die materialen te ontwerpen om de gewenste structuur te verbeteren, waardoor hun fotovoltaïsche prestaties en stabiliteit toenemen.”

– Milad Abolhasani, Co-auteur en ALCOA Professor of Chemical and Biomolecular Engineering aan NC State

Dus gebruikte het team de NPL’s om de facetoriëntatie van 3D-perovskieten te beheersen en de stabiliteit en efficiëntie van breedbandgap-zonnecellen te verbeteren.

Computer Simulaties Gebruiken voor Gedetailleerd Inzicht in Perovskieten

Zonnecellen, of fotovoltaïsche (PV) cellen, winnen veel populariteit dankzij hun milieuvriendelijke voordelen. Zonne-energie is immers schoon, hernieuwbaar en produceert geen broeikasgassen. Zonlicht is bovendien in onbeperkte hoeveelheden beschikbaar, waardoor het gemakkelijk te benutten is met zonnecellen.

Bovendien zijn hun kosten aanzienlijk gedaald, tot wel 70% sinds 2010, waardoor ze betaalbaar zijn. Technologische vooruitgang heeft hun prestaties en levensduur verder verbeterd.

Daarom wordt verwacht dat de wereldwijde markt voor zonnecellen $730,74 miljard zal bereiken in het komende decennium.

Een zonnecel is in principe een apparaat dat zonlicht direct omzet in elektriciteit. Hiervoor gebruikt het materialen zoals silicium, maar wetenschappers zoeken naar efficiëntere en stabielere materialen, en perovskieten worden gezien als een veelbelovend alternatief.

Wetenschappers werken al geruime tijd aan perovskiet-zonneceltechnologie, en vooruitgang heeft geleid tot het breken van efficiëntierecords. In zonnecellen werken perovskieten samen met silicium om een groter deel van het zonnespectrum te benutten en zo meer elektriciteit per cel te genereren.

Nu, door gebruik te maken van computersimulaties en machine learning, hebben onderzoekers van de Chalmers University of Technology in Zweden nieuwe inzichten verkregen in hoe perovskietmaterialen functioneren om efficiënte en stabiele opto-elektronische apparaten te ontwerpen.

Machine learning wint veel aanhang in de wetenschappelijke gemeenschap, omdat onderzoekers het gebruiken om grotere systemen te bestuderen dan voorheen mogelijk was met standaardmethoden en over een langere periode.

Dus bestudeerde het onderzoeksteam een reeks 2D-perovskietmaterialen, die stabieler zijn dan 3D-materialen.

Ze kaartten het materiaal in computersimulaties en onderwierpen het aan verschillende scenario’s om een gedetailleerd beeld te krijgen van precies wat tot de resultaten in een experiment leidde. Het team kon een veel breder en gedetailleerder overzicht verkrijgen dan voorheen, wat hier vooral belangrijk is omdat in de zeer dunne lagen van dit materiaal elke laag zich anders gedraagt, wat experimenteel uiterst moeilijk te detecteren is.

Professor Paul Erhart, lid van het onderzoeksteam, hielp hen een “veel groter inzicht” te krijgen in hoe 2D-perovskieten werken.

In 2D-perovskietmaterialen zijn er anorganische lagen die bovenop elkaar gestapeld zijn en gescheiden worden door organische moleculen.

“Wat we hebben ontdekt is dat je direct kunt sturen hoe atomen in de oppervlaktelagen bewegen door de keuze van de organische koppelingen en hoe dit de atomaire bewegingen diep in de perovskietlagen beïnvloedt. Aangezien die beweging zo cruciaal is voor de optische eigenschappen, is het als een domino-effect.”

– Paul Erhart

Het aanzienlijke inzicht, volgens de co-auteur, biedt de mogelijkheid te begrijpen waar de stabiliteit van 2D-perovskietmaterialen vandaan komt.

“(Dit kan helpen voorspellen) welke koppelingen en dimensies het materiaal zowel stabieler als efficiënter kunnen maken.”

– Co-auteur Julia Wiktor

In de volgende stap zal het team “overgaan naar nog complexere systemen en, in het bijzonder, interfaces die fundamenteel zijn voor de werking van apparaten,” voegde Wiktor toe.

Vooruitgang in Laser- en LED-Technologieën

Er is veel ontwikkeling geweest in perovskieten dankzij hun enorme potentieel in verschillende hightech-velden, waaronder schone energieopwekking via zonnecellen, opto-elektronische apparaten zoals fotodetectoren en sensoren, en geheugentoestellen.

Belangrijker nog, vooruitgang in het begrip van perovskietmaterialen en onderzoek naar LHP’s kan een game-changer zijn voor de volgende generatie laserapparaten, waar precisie en efficiëntie het belangrijkst zijn, en LED-technologie, die implicaties heeft voor schermen, verlichting en geavanceerde displaytechnologieën.

Door deze materialen fijn af te stemmen, kunnen we efficiëntere lasers krijgen met verhoogde fotostabiliteit en hoog-lichtsterkte LED’s met verminderd energieverbruik.

In de snel evoluerende technologische wereld zijn lasers en LED’s fundamentele componenten geworden in een breed scala aan industrieën: communicatie, medische apparaten, productie en energiezuinige verlichting.

Kort gezegd hebben deze technologieën de manier waarop we omgaan met de moderne wereld getransformeerd. De nieuwste doorbraken in het gebruik van perovskieten en kwantumputstructuren zijn slechts een van de vele gebieden die wetenschappers verkennen om laser- en LED-technologie te verbeteren.

Hier zijn enkele recente ontwikkelingen in laser- en LED-technologieën:

Laserdiodes beloven lagere kosten, hoger lichtoutput, betere straalafstand en efficiëntie. Door deze voordelen worden ze een cruciaal onderdeel van optische gegevensopslag. De miniaturisatie van laserdiodes heeft ook geleid tot vooruitgang in LiDAR-systemen voor autonome voertuigen.

Ultrasnelle lasers daarentegen zenden pulsen uit in het femtosecondenbereik, wat een kwadriljoenste van een seconde is. Dit maakt nauwkeurige materiaalbewerking mogelijk zonder hittebeschadiging en wordt daardoor steeds vaker gebruikt in medische operaties en wetenschappelijk onderzoek, met name om moleculaire en atomaire fenomenen te bestuderen.

Door machine learning, AI en sensoren te integreren, worden meer geavanceerde lasers gecreëerd die autonoom opereren, de efficiëntie verhogen en nauwkeuriger zijn.

Laser-ondersteunde 3D-printing, waarbij een laserbron wordt gebruikt om materialen selectief te smelten en complexe objecten te creëren, is een andere leidende trend in de lasertechnologie. In additive manufacturing winnen vezellasers, in het bijzonder, aan populariteit dankzij hun hoge vermogen, efficiëntie en vermogen om een straal over lange afstanden met minimale verliezen te leveren.

Lasers worden ook steeds vaker gebruikt voor graveren. Hiervoor worden allerlei lasers gebruikt, van vezel-, CO2- en kristallen lasers tot diode-lasers en diode-gestuurde solid-state lasers. In één geval hebben onderzoekers van Flinders University oppervlakken gemodificeerd met laagvermogenlasers — die normaal gesproken dure, hoogvermogenlasers vereisen voor gegevensopslag.

In een andere studie meldden we dat onderzoekers een niet-magnetisch materiaal blootstelden aan hoogfrequente laserstraling om een magnetisch effect bij kamertemperatuur te produceren, wat de weg kan vrijmaken voor energiezuinigere en snellere computers en de elektronica kan revolutioneren.

Nieuwe laserapparaten zijn zo geavanceerd geworden dat ze nu zelfs de huid van een persoon in realtime kunnen analyseren. Ze stellen bovendien precieze targeting van specifieke gebieden mogelijk. De holmium (YAG) laser, een van de meest opvallende lasers op het gebied van urologie, is recentelijk verbeterd met pulse-modulating technology. Deze nieuwe technologie maakt zowel gepulseerde als continue golfmodi mogelijk.

De evolutie van lasers heeft ons ook microlasers opgeleverd, die sterk aanpasbaar zijn en sterke optische confinering en verbeterde licht-materie-interacties bieden.

In het LED-gebied is de levensduur dramatisch toegenomen, wat bijdraagt aan energiebesparing.

De toepassing van LED-technologie wint bijzonder aan momentum in autoverlichting, waar hun verbeterde zichtbaarheid, energie-efficiëntie en duurzaamheid de veiligheid verhogen. Ondertussen bieden LED’s in straatverlichting helderdere verlichting en aanzienlijke energiebesparingen.

Hier toont nanotechnologie het potentieel om de LED-efficiëntie aanzienlijk te beïnvloeden. Quantumdots zijn extreem kleine kristallen met unieke eigenschappen die kunnen worden afgestemd om licht over het volledige zichtbare spectrum uit te stralen, waardoor meer kleuropties ontstaan. QD-LED’s bieden verbeterde kleurnauwkeurigheid en helderheid en worden daardoor steeds gangbaarder in tv’s en monitoren.

Kleinere versies van traditionele LED’s, mini- en micro-LED’s, bieden daarentegen hogere resolutie, beter contrast en energie-efficiëntie in displays. Ze worden geïntegreerd in next-gen tv’s, AR/VR-apparaten en mobiele telefoons om veel betere helderheid en response times than OLEDs te bieden.

Door sensoren en connectiviteitsfuncties in LED’s te integreren, creëren onderzoekers ook ‘slimme verlichtings’ systemen die helderheid, kleur en timing aanpassen op basis van gebruikersvoorkeuren of omgevingscondities.

Bedrijven die de Voorhoede Leiden

Laten we nu kijken naar potentiële investeringskansen in de snel voortschrijdende velden van lasers, LED’s en schone energie, die allemaal kunnen profiteren van de doorbraken in perovskietmaterialen.

First Solar (FSLR ) is een leider in zonne-energietechnologie met focus op dunne-film fotovoltaïsche (PV) oplossingen. Met een aandelenkoers van $207,75, een stijging van 19,35% YTD, bedraagt de marktkapitalisatie $22 miljard. Voor 2Q24 rapporteerde het bedrijf $1,01 miljard aan omzet terwijl de nettowinst meer dan verdubbelde tot $349,4 miljoen. Destijds zei CEO Mark Widmar dat zonne-energiebedrijven te maken hadden met beperkingen in de toegang tot kapitaal omdat investeerders wachtten tot het beleid duidelijker werd om financieringsbeslissingen te nemen.

Lumentum Holdings (LITE ) is betrokken bij het ontwerpen en vervaardigen van lasers voor communicatie-, commerciële en industriële toepassingen. Dit bedrijf met een marktkapitalisatie van $4,7 miljard heeft een aandelenstijging van 31,21% YTD en wordt verhandeld tegen $69,43.

Acuity Brands, Inc. (AYI ) is een leider in LED-verlichtingssystemen. Dit bedrijf met een marktkapitalisatie van $9,38 miljard heeft een aandelenstijging van 48,9% en wordt momenteel verhandeld tegen $305.

Laten we nu dieper ingaan op een van de toppresteerders in het veld.

Coherent, Inc.

Een belangrijke speler op het gebied van lasertechnologie, Coherent levert lasers voor een breed scala aan toepassingen, waaronder materiaalbewerking, elektronica en biomedische toepassingen. De aandelen zijn dit jaar met meer dan 132% gestegen; tot nu toe werden ze verhandeld tegen $105,10, wat de marktkapitalisatie op $15,6 miljard brengt. De EPS (TTM) is -1,85, en de P/E (TTM) is -54,79.

Voor het fiscale vierde kwartaal rapporteerde het bedrijf $1,314 miljard aan omzet en $4,708 miljard voor het volledige jaar eindigend op 30 juni 2024, met GAAP-brutomarges van respectievelijk 32,9% en 30,9%. Volgens Rich Martucci, interim-CFO, werd de groei ‘voornamelijk gedreven door de voortdurende AI-gerelateerde sterkte in ons Datacom-transceiverbedrijf.’

Recentelijk introduceerde het bedrijf een nieuwe serie zeer efficiënte continue golf (CW) distributed feedback (DFB) lasers, die ontworpen zijn om 15% meer energie-efficiëntie te bieden dan de industriestandaarden. Deze lasers spelen in op de vraag naar de groeiende bandbreedte die nodig is voor AI-gedreven datacenters. Eerder dit jaar lanceerde Coherent ook een HyperRapid NXT industriële picoseconde laser die ultraprecisieproductie van dunne-film zonnecellen mogelijk maakt.

Conclusie

Perovskietmaterialen zijn buitengewoon waardevol dankzij hun efficiëntie, kosteneffectiviteit, flexibiliteit, dunheid, mobiliteit en lichtabsorberende mogelijkheden. Daarom kan een beter en dieper begrip van deze materialen, dat zich in een rap tempo ontwikkelt, ons helpen nieuwe mogelijkheden te ontsluiten voor de volgende generatie laser- en LED-technologieën.

Door de structuur en het gedrag van kwantumputten te beheersen, banen onderzoekers verder de weg voor efficiëntere energietransfer, grotere stabiliteit en verbeterde lichtgevende eigenschappen. Deze doorbraken kunnen perovskieten positioneren als game-changers in diverse industrieën, en naarmate het onderzoek vordert, hebben ze het potentieel om schone energie, displaytechnologieën en laserapplicaties te revolutioneren, waardoor ze de focus van de materiaalkunde worden.

Klik hier voor een lijst van de top tien zonne-energie aandelen.