LED-er og lasere – Ny forståelse av perovskitter kan endre ytelsesparametere

Forskere dykker dypere ned i perovskitt for å forstå dette materialet bedre, som har omfattende anvendelser innen elektronikk, energilagring, lasere, optoelektronikk, glukosesensorer og mer. Men hva er det egentlig?

Perovskitt er et naturlig mineral bestående av kalsium, titan og oksygen med krystallstrukturen CaTiO₃ eller med formelen ABX3. Det ble først oppdaget i 1839 i Russland. En klasse av materialer med samme krystallstruktur som mineralet perovskitt er også kjent som perovskittmaterialer.

Kilde: Fabre Minerals

De eksepsjonelle fysiske egenskapene som ferroelectricitet, dielektrisitet, piezoelectricitet og pyroelectricitet, samt de kjemiske egenskapene, inkludert katalytisk aktivitet og oksygentransportkapasitet, gjør perovskitt til en av de viktigste strukturelle klassene innen materialvitenskap. Dette gjør dem til en potensiell kandidat for anvendelser i brenselceller, minneenheter og fotovoltaikk.

De kan også brukes i solceller for å omdanne sollys til elektrisitet, samt for innhenting av ren energi og nedbrytning av organiske forurensninger.

Gitt at perovskitt potensielt kan bidra til fremdrift i en rekke ulike industrier, er det fornuftig at forskere prøver å forstå det bedre.

Klikk her for å lære alt om piezoelektriske materialer.

Forstå perovskitt på atomnivå for bedre kontroll

Forskere fra North Carolina State University, med støtte fra National Science Foundation, har oppdaget en metode for å lage lagdelte hybride perovskitter (LHP) ved å studere dem på molekylært nivå.

Dette gjennombruddet gir enestående kontroll over LHP-ers lysutstrålende egenskaper og kan føre til betydelige fremskritt innen laser- og LED-teknologier. Det gir også løfter om å kunne konstruere andre materialer for bruk i fotovoltaiske enheter.

Lagdelte hybride perovskitter (LHP), ifølge forskningen, har vist seg som lovende halvledere for neste generasjons energi- og fotonikkapplikasjoner. Her er kontroll av fordeling, størrelse og orientering av kvantebrønner (QW) ekstremt viktig.

LHP-er består av svært tynne lag med perovskitt-halvledermateriale. Disse lagene er adskilt fra hverandre av tynne organiske «spacer»-lag.

Siden disse tynne filmene med flere lag av perovskitt og «spacer»-lag kan effektivt omdanne elektrisk ladning til lys, har LHP-er vært av betydelig interesse for forskningsmiljøet i flere år. Imidlertid er forståelsen av hvordan man kan konstruere dem for å kontrollere deres ytelsesegenskaper fortsatt begrenset.

For å forstå dem, må vi starte med kvantebrønner, som er lag med halvledermateriale presset mellom «spacer»-lag.

Dette er lagene som dannes i LHP-er. Og en kvantebrønn som er to atomer tykk har høyere energi enn en som er fem atomer tykk.

Fordi energi flyter fra høyenergi-strukturer til lavenergi-strukturer på molekylært nivå, trenger vi kvantebrønner som er tre og fire atomer tykke mellom de to og fem atomer tykke kvantebrønnene, slik at energien kan flyte effektivt.

“Du vil i hovedsak ha en jevn skråning som energien kan renne nedover.”

– Kenan Gundogdu, medforfatter av artikkelen og professor i fysikk ved NC State

Imidlertid støtte folk stadig på en anomalie når de studerte LHP-er. Anomalien er størrelsesfordelingen av kvantebrønner i en LHP-prøve observert gjennom røntgendiffraksjon, som er forskjellig fra det som oppdages ved optisk spektroskopi.

Aram Amassian, korresponderende forfatter av artikkelen og professor i materialvitenskap og ingeniørfag ved NC State University, illustrerte hvordan diffraksjon kan indikere at kvantebrønner har en to-atoms tykkelse og er en del av en 3D bulkkrystall. Samtidig kan spektroskopi avsløre at kvantebrønnene er to, tre og fire atomer tykke, i tillegg til tilstedeværelsen av den tredimensjonale bulkfasen.

Så gikk teamet på jakt etter svar: Hvorfor er det denne avstanden mellom de to, og hvordan kan størrelsen og fordelingen av kvantebrønner i LHP-er kontrolleres?

Gjennom eksperimenter oppdaget teamet nanoplateletter (NPL) som den viktigste faktoren. NPL-er er individuelle lag av perovskittmateriale som spontant dannes på overflaten av løsningen forskerne brukte for å lage LHP-er.

“Vi fant at disse nanoplatelettene i hovedsak fungerer som maler for lagdelte materialer som dannes under dem,” sa Amassian, og bemerket at den atomære tykkelsen på nanoplatelettene bestemmer tykkelsen på LHP under den.

Imidlertid er nanoplatelettene ikke stabile, og deres tykkelse fortsetter å vokse, og legger til nye lag med atomer over tid.

“Etter hvert vokser nanoplateleten så tykk at den blir en tredimensjonal krystall.”

– Amassian

Så var anomalien på grunn av at diffraksjon oppdaget lagdelingen av ark, men ikke nanoplateletter, mens optisk spektroskopi oppdager isolerte ark. Han la til:

“Det spennende er at vi fant at vi i hovedsak kan stoppe veksten av nanoplateletter på en kontrollert måte, og dermed justere størrelse og fordeling av kvantebrønner i LHP-filmer.”

Ved å gjøre dette kan forskerne oppnå fantastiske energikaskader, som er essensielle for høy reproduserbarhet, lav terskel og omgivelsesfotostabilitet.

Dette betyr at materialet er raskt og svært effektivt i å lede ladninger og energi for laser- og LED-applikasjoner.

Med nanoplateletter som spiller en kritisk rolle i dannelsen av perovskittlag i LHP-er, undersøkte forskerne om NPL-er kan brukes til å konstruere strukturen og egenskapene til andre perovskittmaterialer, inkludert de som brukes i solceller og andre fotovoltaiske teknologier.

“Vi fant at nanoplatelettene spiller en lignende rolle i andre perovskittmaterialer og kan brukes til å konstruere disse materialene for å forbedre ønsket struktur, noe som forbedrer deres fotovoltaiske ytelse og stabilitet.”

– Milad Abolhasani, medforfatter og ALCOA-professor i kjemisk og biomolekylær ingeniørfag ved NC State

Dermed utnyttet teamet NLP-ene til å kontrollere fasettorienteringen til 3D-perovskitter og forbedre stabiliteten og effektiviteten til bredbåndgap-solceller.

Bruk av datasimuleringer for detaljert innsikt i perovskitter

Solceller, eller fotovoltaiske (PV) celler, blir stadig mer populære takket være deres miljøfordeler. Solenergi er tross alt ren, fornybar og produserer ingen klimagassutslipp. Sollys er også tilgjengelig i ubegrensede mengder, noe som gjør det enkelt å utnytte med solceller.

I tillegg har kostnadene deres falt betydelig, opptil 70 % siden 2010, noe som gjør dem rimelige. Fremskritt innen teknologi har ytterligere forbedret deres ytelse og levetid.

Med dette forventes det globale markedet for solceller å nå $730.74 billion over the next decade.

En solcelle er i hovedsak en enhet som direkte omdanner sollys til elektrisitet. For dette bruker den materialer som silisium, men forskere leter etter mer effektive og stabile materialer, og perovskitter blir sett på som et lovende alternativ.

Forskere har arbeidet med perovskitt-solteknologi en stund nå, og fremskritt har ført til at den bryter effektivitetsrekorder. I solceller samarbeider perovskitter med silisium for å utnytte mer av solspektrumet og dermed generere mer elektrisitet per celle.

Nå, ved å bruke datasimuleringer og maskinlæring, har forskere ved Chalmers University of Technology i Sverige kunnet få nye innsikter i hvordan perovskittmaterialer fungerer for å designe effektive og stabile optoelektroniske enheter.

Maskinlæring har fått stor oppmerksomhet i det vitenskapelige fellesskapet ettersom forskere bruker den til å studere større systemer enn tidligere mulig med standardmetoder, og over lengre perioder.

Dermed studerte forskningsteamet en serie 2D-perovskittmaterialer, som er mer stabile enn 3D-varianter.

De kartla materialet i datasimuleringer og utsatte det deretter for ulike scenarier for å få en detaljert forståelse av akkurat hva som førte til resultatene i et eksperiment. Teamet fikk et mye bredere og mer detaljert overblikk enn før, noe som er spesielt viktig her fordi hver tynn lag i dette materialet oppfører seg forskjellig, noe som er ekstremt vanskelig å oppdage eksperimentelt.

Professor Paul Erhart, et medlem av forskningsteamet, hjalp dem med å få en «mye større innsikt i hvordan 2D-perovskitter fungerer».

I 2D-perovskittmaterialer finnes det uorganiske lag som er stablet oppå hverandre og separert av organiske molekyler.

“Det vi har oppdaget er at du kan direkte kontrollere hvordan atomer i overflatelagene beveger seg gjennom valget av organiske koblere og hvordan dette påvirker atombevegelsene dypt inne i perovskittlagene. Siden denne bevegelsen er så avgjørende for de optiske egenskapene, er det som en dominobrikkeeffekt.”

– Paul Erhart

Den betydelige innsikten, ifølge medforfatteren, gir muligheten til å forstå hvor stabiliteten til 2D-perovskittmaterialer kommer fra.

“(Dette kan hjelpe med å forutsi) hvilke koblere og dimensjoner som kan gjøre materialet både mer stabilt og mer effektivt samtidig.”

– Medforfatter Julia Wiktor

I neste steg vil teamet «gå videre til enda mer komplekse systemer og spesielt grensesnitt som er grunnleggende for enhetenes funksjon», la Wiktor til.

Fremskritt innen laser- og LED-teknologier

Det har vært mye utvikling innen perovskitter takket være deres store potensial på tvers av flere høyteknologiske felt, inkludert ren energiproduksjon via solceller, optoelektroniske enheter som fotodetektorer og sensorer, samt minneenheter.

Mer viktig er at fremskritt i forståelsen av perovskittmaterialer og forskning på LHP-er kan bli en spillveksler for neste generasjons laserenheter, hvor presisjon og effektivitet er mest avgjørende, samt LED-teknologi, som har betydning for skjermer, belysning og avanserte displayteknologier.

Ved finjustering av disse materialene kan vi få mer effektive lasere med økt fotostabilitet og høylysende LED-er med redusert energiforbruk.

I den raskt utviklende teknologiverden har lasere og LED-er blitt grunnleggende komponenter på tvers av en rekke industrier: kommunikasjon, medisinsk utstyr, produksjon og energieffektiv belysning.

Kort sagt har disse teknologiene transformert hvordan vi samhandler med den moderne verden. De siste gjennombruddene i bruken av perovskitter og kvantebrønnstrukturer er bare ett av mange områder forskere utforsker for å fremme laser- og LED-teknologi.

Her er noen nylige fremskritt innen laser- og LED-teknologier:

Laserdioder lover reduserte kostnader, høyere lysutbytte, bedre stråleavstand og effektivitet. På grunn av disse fordelene blir de en viktig komponent i optisk datalagring. Miniatyrisering av laserdioder har også ført til fremskritt i LiDAR-systemer for autonome kjøretøy.

Ultrasnelle lasere, på den annen side, sender pulser i femtosekundområdet, som er en kvadrilliondel av et sekund. Dette gjør presis materialbehandling uten varmeskade mulig, og brukes i økende grad i medisinske operasjoner og vitenskapelig forskning, spesielt for å studere molekylære og atomære fenomener.

Ved å integrere maskinlæring, AI og sensorer blir mer avanserte lasere utviklet som opererer autonomt, øker effektiviteten og er mer presise.

Laserbasert 3D-utskrift, der en laserkilde brukes til selektivt å smelte materialer sammen og lage komplekse objekter, er en annen ledende trend innen laserteknologi. I additiv produksjon får fiberlasere spesielt popularitet på grunn av deres høye kraft, effektivitet og evne til å levere en stråle over lange avstander med minimal tap.

Lasere brukes også i økende grad til etsning. Til dette formålet brukes alle typer lasere, fra fiber-, CO₂- og krystallaser til diode- og diode-pumpede faststofflasere. I ett tilfelle modifiserte forskere fra Flinders University overflater med laveffektlasere — som vanligvis krever dyre, høy- effektlasere for datalagring.

I en annen studie rapporterte vi at forskere eksponerte et ikke-magnetisk materiale for høyfrekvent laserstråling for å skape en magnetisk effekt ved romtemperatur, noe som kan bane vei for mer energieffektive og raskere datamaskiner og revolusjonere elektronikk.

Nye laserenheter har blitt så avanserte at de nå kan analysere en persons hud i sanntid. De gjør også mulig presis målretting av spesifikke områder. Holmium (YAG)-laseren, som er en av de mest bemerkelsesverdige laserne innen urologi, har nylig blitt forbedret med pulsmodulerende teknologi. Denne nye teknologien gjør både pulserende og kontinuerlige bølgetilstander mulig.

Utviklingen av lasere har også gitt oss mikrolasere, som er svært tilpassbare og tilbyr sterk optisk innkapsling og forbedrede lys-materie-interaksjoner.

I LED‑området har levetiden økt dramatisk, noe som bidrar til energisparing.

Bruken av LED‑teknologi får spesielt fart innen bilbelysning, hvor deres forbedrede synlighet, energieffektivitet og holdbarhet øker sikkerheten. Samtidig gir LED-er i gatebelysning sterkere belysning og betydelige energibesparelser.

Her viser nanoteknologi potensialet til å påvirke LED‑effektivitet betydelig. Kvanteprikker er ekstremt små krystaller som har unike egenskaper som kan justeres for å sende ut lys over hele synlige spekteret, og gir flere fargealternativer. QD-LED-er gir forbedret fargenøyaktighet og lysstyrke og blir dermed vanlige i TV-er og skjermer.

Mindre versjoner av tradisjonelle LED-er, mini- og mikro‑LED-er, gjør det mulig med høyere oppløsning, bedre kontrast og energieffektivitet i skjermer. De integreres i neste generasjons TV-er, AR/VR‑enheter og mobiltelefoner for å tilby langt bedre lysstyrke og responstid enn OLED-er.

Ved å integrere sensorer og tilkoblingsfunksjoner i LED-er lager forskere også «smart belysnings»-systemer som justerer lysstyrke, farge og timing basert på brukerpreferanser eller miljøforhold.

Selskaper som leder an

La oss nå se på potensielle investeringsmuligheter i de raskt utviklende feltene lasere, LED-er og ren energi, som alle kan dra nytte av gjennombruddene i perovskittmaterialer.

First Solar (FSLR ) er en ledende aktør innen solteknologi med fokus på tynnfilm-fotovoltaiske (PV) løsninger. Med aksjene handlet til $207,75, opp 19,35 % år‑til‑dato, er markedsverdien $22 milliarder. For 2Q24 rapporterte selskapet $1,01 milliarder i salg mens nettoinntekten mer enn doblet seg til $349,4 millioner. På den tiden sa administrerende direktør Mark Widmar at solenergibedrifter sto overfor restriksjoner på kapitaltilgang ettersom investorer ventet på at politikken skulle bli klarere for å ta finansieringsbeslutninger.

Imidlertid er Lumentum Holdings (LITE ) involvert i design og produksjon av lasere for kommunikasjons-, kommersielle og industrielle applikasjoner. Dette selskapet med en markedsverdi på $4,7 milliarder har aksjer opp 31,21 % år‑til‑dato og handles til $69,43.

Deretter er Acuity Brands, Inc. (AYI ), som er en ledende aktør innen LED-belysningssystemer. Dette selskapet med en markedsverdi på $9,38 milliarder har aksjer opp 48,9 % og handles for tiden til $305.

Coherent, Inc.

En nøkkelspiller innen laserbasert teknologi, Coherent leverer lasere for et bredt spekter av applikasjoner, inkludert materialbehandling, elektronikk og biomedisin. Aksjene har steget mer enn 132 % i år; så langt har de handlet til $105,10, noe som gir en markedsverdi på $15,6 milliarder. EPS (TTM) er -1,85, og P/E (TTM) er -54,79.

For sitt fjerde kvartal rapporterte selskapet $1,314 milliarder i inntekter og $4,708 milliarder for hele året som endte 30. juni 2024, med GAAP-bruttomarginer på 32,9 % og 30,9 % henholdsvis. Veksten, ifølge interim CFO Rich Martucci, var «primært drevet av vedvarende AI‑relatert styrke i vår Datacom‑transceiver‑virksomhet».

Nylig presenterte en ny serie med svært effektive kontinuerlige bølgelengde (CW) distribuerte tilbakemeldingslasere (DFB), som er designet for å tilby 15 % høyere energieffektivitet enn bransjestandarder. Disse laserne møter etterspørselen etter økende båndbredde som kreves av AI‑fokuserte datasentre. Tidligere i år lanserte Coherent også en HyperRapid NXT industriell pikosekundlaser som muliggjør ultranøyaktig produksjon av tynnfilm‑solceller.

Konklusjon

Perovskittmaterialer er ekstremt verdifulle takket være deres effektivitet, kostnadseffektivitet, fleksibilitet, tynne profil, mobilitet og evne til å absorbere lys. Som sådan kan en bedre og mer inngående forståelse av disse materialene, som utvikles i raskt tempo, hjelpe oss med å låse opp nye muligheter for neste generasjons laser- og LED-teknologier.

Ved å kontrollere strukturen og oppførselen til kvantebrønner, baner forskerne videre vei for mer effektiv energioverføring, større stabilitet og forbedrede lysutstrålings‑egenskaper. Disse gjennombruddene kan posisjonere perovskitter som spillvekslere i en rekke industrier, og etter hvert som forskningen fortsetter, har de potensialet til å revolusjonere ren energi, display‑teknologier og laser‑applikasjoner, og bli fokuspunktet i materialvitenskapen.

Klikk her for en liste over de ti beste solaksjene.

på norsk.