LEDs och Lasrar – Ny förståelse av perovskiter kan omkullkasta prestandamått

Forskare fördjupar sig i perovskit för att bättre förstå detta material, som har omfattande tillämpningar inom elektronik, energilagring, lasrar, optoelektronik, glukossensorer och mer. Men vad är det egentligen?

Perovskit är en naturlig mineral bestående av kalcium, titan och syre med kristallstrukturen CaTiO₃ eller med formeln ABX3. Den upptäcktes först 1839 i Ryssland. En klass av material med samma kristallstruktur som mineralen perovskit kallas också perovskitmaterial.

Källa: Fabre Minerals

De exceptionella fysiska egenskaperna såsom ferroelectric, dielektrisk, piezoelektrisk och pyroelectric beteende samt de kemiska egenskaperna, inklusive katalytisk aktivitet och syretransportkapacitet hos perovskit, gör dem till en av de viktigaste struktursklasserna inom materialvetenskap. Detta gör dem till en potentiell kandidat för tillämpningar i bränsleceller, minnesenheter och fotovoltaik.

De kan också användas i solceller för att omvandla solljus till elektricitet, samt för att erhålla ren energi och för nedbrytning av organiska föroreningar.

Med tanke på alla olika industrier som perovskit potentiellt kan hjälpa att utveckla, är det logiskt att forskare försöker förstå det bättre.

Klicka här för att lära dig allt om piezoelektriska material.

Förstå perovskit på atomnivå för bättre kontroll

Forskare från North Carolina State University, med stöd från National Science Foundation, har upptäckt ett sätt att skapa lagerade hybridperovskiter (LHP) genom att studera dem på molekylär nivå.

Detta genombrott möjliggör en oöverträffad kontroll över LHP:ernas ljusemitterande egenskaper och kan leda till betydande framsteg inom laser- och LED-teknologier. Det lovar också möjligheter att konstruera andra material för användning i fotovoltaiska enheter.

Lagerade hybridperovskiter (LHP) har, enligt forskningsresultaten, framträtt som lovande halvledare för nästa generations energi- och fotoniska tillämpningar. Här är kontroll av fördelning, storlek och orientering av kvantbrunnar (QW) extremt viktig.

LHP består av mycket tunna blad av perovskit‑halvledarmaterial. Dessa blad separeras från varandra av tunna organiska ”avstånds‑” lager.

Eftersom dessa tunna filmer med flera blad av perovskit och ”avstånds‑” lager effektivt kan omvandla elektrisk laddning till ljus, har LHP varit av stort intresse för forskarsamhället i åratal. Det finns dock fortfarande begränsad förståelse för hur man konstruerar dem för att kontrollera deras prestandakaraktäristik.

För att förstå dem måste vi börja med kvantbrunnar, som är blad av halvledarmaterial som pressas mellan ’avstånds‑’ lager.

Det är lagren som bildas i LHP. Och en två‑atom tjock kvantbrunn har högre energi än en som är fem atom tjock.

Eftersom energi flödar från högenergi‑strukturer till lågenergi‑strukturer på molekylär nivå, behöver vi ha tre‑ och fyratomstjocka kvantbrunnar mellan de två‑ och fematomstjocka kvantbrunnarna, vilket möjliggör ett effektivt energiflöde.

“Du vill i princip ha en gradvis lutning som energin kan rinna nerför.”

– Kenan Gundogdu, medförfattare till artikeln och professor i fysik vid NC State

Dock stötte forskarna på ett avvikande fenomen när de studerade LHP. Avvikelsen är storleksfördelningen av kvantbrunnar i ett LHP‑prov observerad genom röntgendiffraktion, vilket skiljer sig från vad som upptäcks med optisk spektroskopi.

Aram Amassian, den korresponderande författaren till artikeln och professor i materialvetenskap och -teknik vid NC State University, illustrerade hur diffraktion kan indikera att kvantbrunnar har en två‑atom tjocklek och är en del av en 3D‑bulk‑kristall. Samtidigt kan spektroskopi avslöja att kvantbrunnarna är två, tre och fyra atom tjocka, samt att den tredimensionella bulk‑fasen finns.

Så gick teamet på jakt efter svar: Varför finns detta avbrott mellan de två, och hur kan kvantbrunarnas storlek och fördelning i LHP kontrolleras?

Genom experiment upptäckte teamet nanoplatett (NPL) som den avgörande faktorn. NPL är enskilda blad av perovskitmaterial som spontant bildas på ytan av lösningen som forskarna använde för att skapa LHP.

”Vi fann att dessa nanoplatett i princip fungerar som mallar för lagerade material som bildas under dem,” sade Amassian och påpekade att den atomiska tjockleken på nanoplatett bestämmer tjockleken på LHP under den.

Dock är nanoplatetten inte stabil, och dess tjocklek fortsätter att växa, vilket lägger till nya atomlager över tid.

“Till slut växer nanoplatetten så tjock att den blir en tredimensionell kristall.”

– Amassian

Alltså berodde avvikelsen på att diffraktion upptäckte staplingen av blad men inte nanoplatett, medan optisk spektroskopi upptäcker isolerade blad. Han tillade:

“Det spännande är att vi fann att vi i princip kan stoppa tillväxten av nanoplatett på ett kontrollerat sätt, vilket i princip finjusterar storlek och fördelning av kvantbrunnar i LHP‑filmer.”

Genom att göra så kan forskarna uppnå enastående energikaskader, vilka är avgörande för hög reproducerbarhet, låg tröskel och omgivningsfotostabilitet.

Detta innebär att materialet är snabbt och mycket effektivt på att leda laddningar och energi för laser‑ och LED‑tillämpningar.

Med nanoplatetter som spelar en kritisk roll i bildandet av perovskitlager i LHP, undersökte forskarna om NPL kan användas för att konstruera strukturen och egenskaperna hos andra perovskitmaterial, inklusive de som används i solceller och andra fotovoltaiska teknologier.

“Vi fann att nanoplatetten spelar en liknande roll i andra perovskitmaterial och kan användas för att konstruera dessa material för att förbättra den önskade strukturen, vilket förbättrar deras fotovoltaiska prestanda och stabilitet.”

– Milad Abolhasani, medförfattare och ALCOA‑professor i kemisk och biomolekylär ingenjörskonst vid NC State

Alltså utnyttjade teamet NPL för att kontrollera 3D‑perovskiters fasorientering och förbättra stabiliteten och effektiviteten hos bredbandgap‑solceller.

Användning av datorsimuleringar för detaljerad insikt i perovskiter

Solceller, eller fotovoltaiska (PV) celler, blir allt mer populära tack vare deras miljöfördelar. Solenergi är trots allt ren, förnybar och producerar inga växthusgaser. Solljus är också tillgängligt i obegränsade mängder, vilket gör det enkelt att utnyttja med solceller.

Dessutom har deras kostnader minskat avsevärt, med upp till 70 % sedan 2010, vilket gör dem prisvärda. Framsteg inom tekniken har ytterligare förbättrat deras prestanda och livslängd.

Med detta förväntas den globala solcellsmarknaden nå $730,74 miljarder under det kommande decenniet.

En solcell är i princip en enhet som omvandlar solljus direkt till elektricitet. För detta använder den material som kisel, men forskare söker mer effektiva och stabila material, och perovskiter ses som ett lovande alternativ.

Forskare har arbetat med perovskitsolteknik under en tid nu, och framsteg har lett till att den slagit effektivitetsrekord. I solceller samarbetar perovskiter med kisel för att utnyttja mer av solspektrumet och därmed generera mer elektricitet per cell.

Nu har forskare vid Chalmers tekniska högskola i Sverige, genom att använda datorsimuleringar och maskininlärning, kunnat få nya insikter i hur perovskitmaterial fungerar för att designa effektiva och stabila optoelektroniska enheter.

Maskininlärning har fått stort genomslag i forskarsamhället när forskare använder den för att studera större system än vad som tidigare var möjligt med standardmetoder och under en längre period.

Så studerade forskningsteamet en serie 2D‑perovskitmaterial, som är mer stabila än 3D‑material.

De kartlade materialet i datorsimuleringar och utsatte det sedan för olika scenarier för att få en detaljerad bild av exakt vad som ledde till resultaten i ett experiment. Teamet kunde få en mycket bredare och mer detaljerad översikt än tidigare, vilket är särskilt viktigt här eftersom varje mycket tunn lager i detta material beter sig olika, vilket är extremt svårt att upptäcka experimentellt.

Professor Paul Erhart, en medlem av forskningsteamet, hjälpte dem att få en ”mycket större insikt i hur 2D‑perovskiter fungerar.”

I 2D‑perovskitmaterial finns oorganiska lager som staplas ovanpå varandra och separeras av organiska molekyler.

“Vad vi har upptäckt är att man kan direkt kontrollera hur atomer i ytlagerna rör sig genom valet av organiska bindemedel och hur detta påverkar atomrörelserna djupt inne i perovskitlagren. Eftersom den rörelsen är så avgörande för de optiska egenskaperna, är det som en dominokaskad.”

– Paul Erhart

Den betydande insikten, enligt medförfattaren, ger möjlighet att förstå var stabiliteten hos 2D‑perovskitmaterial kommer ifrån.

“(Detta kan hjälpa att förutsäga) vilka bindemedel och dimensioner som kan göra materialet både mer stabilt och mer effektivt samtidigt.”

– Medförfattare Julia Wiktor

I nästa steg kommer teamet att ”gå vidare till ännu mer komplexa system och särskilt gränssnitt som är grundläggande för enheternas funktion,” tillade Wiktor.

Framsteg inom laser- och LED‑teknologier

Det har skett mycket utveckling inom perovskiter tack vare deras stora potential inom flera högteknologiska områden, inklusive ren energiproduktion via solceller, optoelektroniska enheter såsom fotodetektorer och sensorer samt minnesenheter.

Viktigare är att framsteg i förståelsen av perovskitmaterial och forskning kring LHP kan bli en spelväxlare för nästa generations laser­enheter, där precision och effektivitet är viktigast, samt LED‑teknik, som har betydelse för skärmar, belysning och avancerade displayteknologier.

Genom finjustering av dessa material kan vi få mer effektiva lasrar med ökad fotostabilitet och hög‑ljusstyrka LED‑lampor med minskad energiförbrukning.

I den snabbt föränderliga teknikvärlden har lasrar och LED‑lampor blivit grundläggande komponenter inom en rad olika industrier: kommunikation, medicinteknik, tillverkning och energieffektiv belysning.

Enkelt uttryckt har dessa teknologier förändrat hur vi interagerar med den moderna världen. De senaste genombrotten i användningen av perovskiter och kvantbrunnsstrukturer är bara ett av många områden som forskare utforskar för att driva laser‑ och LED‑teknologin framåt.

Här är några senaste framsteg inom laser‑ och LED‑teknologier:

Laserdioder lovar lägre kostnad, högre ljusutgång, bättre strålningsavstånd och effektivitet. På grund av dessa fördelar blir de en viktig komponent i optisk datalagring. Miniaturiseringen av laserdioder har också lett till framsteg i LiDAR‑system för autonoma fordon.

Ultrasnabba lasrar, å andra sidan, avger pulser i femtosekundintervall, vilket är en biljarddel av en sekund. Detta möjliggör precis materialbearbetning utan värmeskador och används därför i ökande grad i medicinska operationer och vetenskaplig forskning, särskilt för att studera molekylära och atomära fenomen.

Genom att integrera maskininlärning, AI och sensorer skapas mer avancerade lasrar som fungerar autonomt, ökar effektiviteten och är mer precisa.

Laseraktiverad 3D‑utskrift, där en laserkälla används för att selektivt smälta material och skapa komplexa objekt, är en annan ledande trend inom laserteknik. Inom additiv tillverkning blir fiblaser särskilt populära tack vare deras höga effekt, effektivitet och förmåga att leverera en stråle över långa avstånd med minimal förlust.

Lasrar används också i ökande grad för etsning. För detta ändamål används alla typer av lasrar, från fiber, CO₂ och kristall till diode‑lasrar och diode‑pumpade fast‑tillståndslasrar. I ett fall modifierade forskare från Flinders University ytor med låg‑effekt‑lasrar — som vanligtvis kräver dyra, hög‑effekt‑lasrar för datalagring.

I en annan studie rapporterade vi att forskare exponerade ett icke‑magnetiskt material för högfrekvent laserstrålning för att producera en magnetisk effekt vid rumstemperatur, vilket har potential att bana väg för mer energieffektiva och snabbare datorer samt revolutionera elektronik.

Nya laser­enheter har blivit så avancerade att de nu kan analysera en persons hud i realtid. De möjliggör dessutom exakt målning av specifika områden. Holmium‑(YAG)‑lasern, som är en av de mest framstående lasrarna inom urologi, har nyligen förbättrats med pulsmodulerande teknik. Denna nya teknik möjliggör både pulserade och kontinuerliga våglägen.

Laserutvecklingen har också gett oss mikrolasrar, som är mycket anpassningsbara och erbjuder stark optisk inneslutning samt förbättrade ljus‑materia‑interaktioner.

Inom LED‑området har livslängden ökat dramatiskt, vilket bidrar till energibesparingar.

Användningen av LED‑teknik får särskilt fart inom fordonsbelysning, där deras förbättrade synlighet, energieffektivitet och hållbarhet ökar säkerheten. Samtidigt erbjuder LED‑lampor i gatubelysning starkare belysning och betydande energibesparingar.

Här visar nanotekniken potential att avsevärt påverka LED‑effektiviteten. Kvantprickar är extremt små kristaller som har unika egenskaper som kan justeras för att avge ljus över hela det synliga spektrumet, vilket ger fler färgalternativ. QD‑LED‑lampor erbjuder förbättrad färgprecision och ljusstyrka och blir därför vanliga i TV‑skärmar och monitorer.

Mindre versioner av traditionella LED‑lampor, mini‑ och mikro‑LED, möjliggör samtidigt högre upplösning, bättre kontrast och energieffektivitet i skärmar. De integreras i nästa generations TV‑skärmar, AR/VR‑enheter och mobiltelefoner för att erbjuda mycket bättre ljusstyrka och snabbare svarstider än OLED‑skärmar.

Genom att integrera sensorer och anslutningsfunktioner i LED‑lampor skapar forskare även ”smarta belysnings”‑system som justerar ljusstyrka, färg och tidpunkter baserat på användarens preferenser eller omgivningsförhållanden.

Företag som leder utvecklingen

Låt oss nu titta på potentiella investeringsmöjligheter inom de snabbt framväxande områdena lasrar, LED‑lampor och ren energi, som alla kan dra nytta av genombrotten i perovskitmaterial.

First Solar (FSLR ) är en ledare inom solteknik med fokus på tunna film‑fotovoltaiska (PV) lösningar. Med aktier som handlas på $207,75, upp 19,35 % YTD, är dess marknadsvärde $22 bn. För 2Q24 rapporterade företaget $1,01 bn i försäljning medan nettoresultatet mer än fördubblades till $349,4 miljoner. Vid den tidpunkten sade VD Mark Widmar att solföretag stod inför begränsningar i tillgången till kapital då investerare väntade på tydligare policy för att kunna fatta finansieringsbeslut.

Under tiden är Lumentum Holdings (LITE ) involverat i design och tillverkning av lasrar för kommunikations‑, kommersiella och industriella tillämpningar. Detta företag med ett marknadsvärde på $4,7 bn har aktier upp 31,21 % YTD och handlas på $69,43.

Därefter finns Acuity Brands, Inc. (AYI ), som är en ledare inom LED‑belysningssystem. Detta företag med ett marknadsvärde på $9,38 bn har sett sina aktier stiga 48,9 % och handlas för närvarande på $305.

Coherent, Inc.

En nyckelspelare inom laserbaserad teknik, Coherent levererar lasrar för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive materialbearbetning, elektronik och biomedicin. Dess aktier har stigit mer än 132 % i år; hittills har de handlats på $105,10, vilket ger ett marknadsvärde på $15,6 bn. Dess EPS (TTM) är -1,85 och dess P/E (TTM) är -54,79.

För sitt fjärde räkenskapskvartal rapporterade företaget rapport $1,314 bn i intäkter och $4,708 bn för hela året som avslutades den 30 juni 2024, med GAAP-bruttomarginaler på 32,9 % respektive 30,9 %. Tillväxten, enligt Rich Martucci, interim‑CFO, var ”i första hand drivet av fortsatt AI‑relaterad styrka i vår Datacom‑transceiver‑verksamhet.”

Senast introducerade företaget en ny serie av högeffektiva kontinuerliga våglängds‑ (CW) distribuerade återkopplings‑ (DFB) lasrar, som är designade för att erbjuda 15 % högre energieffektivitet än branschstandard. Dessa lasrar svarar mot den ökande efterfrågan på bandbredd som krävs av AI‑fokuserade datacenter. Tidigare i år lanserade Coherent också en HyperRapid NXT industriell pikosekundslaser som möjliggör ultraprecisionsframställning av tunna film‑solceller.

Slutsats

Perovskitmaterial är extremt värdefulla tack vare sin effektivitet, kostnadseffektivitet, flexibilitet, tunnhet, rörlighet och ljusabsorberande förmåga. Därför kan en bättre och djupare förståelse av dessa material, som utvecklas i snabb takt, hjälpa oss att låsa upp nya möjligheter för nästa generations laser‑ och LED‑teknologier.

Genom att kontrollera strukturen och beteendet hos kvantbrunnar banar forskarna ytterligare vägen för mer effektiv energitransfer, större stabilitet och förbättrade ljusemitterande egenskaper. Dessa genombrott kan placera perovskiter som spelväxlare i en rad industrier, och när forskningen fortsätter har de potential att revolutionera ren energi, displayteknologier och laser‑tillämpningar, vilket gör dem till fokus för materialvetenskap.

Klicka här för en lista över de tio bästa solaktierna.