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Aug 08, 2023

分子添加剤が次に強化します

安価な LED ライトの構成を工夫することで明るさと効率が向上しましたが、新しいライトは数分しか持続しませんでした。 スタンフォード大学工学部イメージ：エイトグリーン

安価な LED ライトの構成を工夫することで明るさと効率が向上しましたが、新しいライトは数分しか持続しませんでした。

スタンフォード大学工学部

画像: Congreve の研究室にある 8 つの緑色のペロブスカイト LED 基板は、研究者が紫外線を当てると光ります。もっと見る

クレジット: セバスチャン・フェルナンデス / スタンフォード大学

おそらく、あなたが読んでいる画面は、一般的に LED として知られる発光ダイオードのおかげで光っているのでしょう。 この広く普及したテクノロジーは、エネルギー効率の高い屋内照明を提供し、コンピューターのモニター、テレビ、スマートフォンの画面をますます明るく照らします。 残念ながら、比較的手間がかかり、高価な製造プロセスも必要となります。

この欠点に対処することを期待して、スタンフォード大学の研究者らは、安価で製造が容易な代替品であるペロブスカイト LED (PeLED) の輝度と効率を高める方法をテストしました。 しかし、それらの機能強化により、数分以内にライトが消えてしまい、このクラスのマテリアルを進歩させるには慎重なトレードオフを理解する必要があることがわかりました。

「なぜ劣化しているのかを理解するために、私たちは大きな一歩を踏み出しました。 問題は、効率を維持しながらそれを軽減する方法を見つけられるかどうかです。」 電気工学助教授であり、この論文の主著者であるダン・コングリーブ氏は、8月1日にDevice誌に掲載された論文でこう述べている。 「それができれば、実用的な商業的解決策に向けて本格的に取り組み始めることができると思います。」

最も簡単に言えば、LED は、電場を加えると光を放射する結晶材料の層である半導体に電流を流すことによって、電気エネルギーを光に変換します。 しかし、これらの半導体の製造は、白熱灯や蛍光灯などのエネルギー効率の低い照明に比べて複雑でコストがかかります。

「これらの材料の多くは、4 インチのサファイア基板などの高価な表面上で成長します」と、Congreve の研究室の博士課程の学生で論文の筆頭著者である Sebastian Fernández 氏は言います。 「この基板を購入するだけでも数百ドルかかります。」

PeLED は、さまざまな元素の混合物で構成されるメタルハライド ペロブスカイトとして知られる半導体を使用します。 エンジニアはガラス基板上でペロブスカイト結晶を成長させることができるため、通常の LED と比較して大幅なコストを節約できます。 また、ペロブスカイトを溶液に溶解し、それをガラス上に「ペイント」して発光層を作成することもできます。これは、通常の LED が必要とするよりも簡単な製造プロセスです。

これらの利点により、エネルギー効率の高い屋内照明をより多くの建築環境で実現できるようになり、エネルギー需要が削減される可能性があります。 PeLED は、スマートフォンやテレビのディスプレイの色純度を鮮明にすることもできます。 「緑はより緑に、青はより青に」とコングリーブ氏は言う。 「このデバイスからは文字通り、より多くの色が見えるようになります。」

しかし、今日のほとんどの PeLED はわずか数時間で消えてしまいます。 また、ペロブスカイトの原子構造には欠陥と呼ばれるランダムなギャップがあるため、標準的な LED のエネルギー効率と一致しないことがよくあります。 「ここには原子があるはずですが、ありません」とコングリーブ氏は説明します。 「エネルギーはそこに入りますが、光は取り出されないため、デバイスの全体的な効率が損なわれます。」

これらの問題を軽減するために、フェルナンデス氏はコングリーブ氏と、ミシシッピ州立大学化学助教授で論文の共著者でもあるマヘシュ・ガンギシェッティ氏が発表した手法を基礎に構築した。 ペロブスカイトのエネルギーを浪費するギャップの多くは、鉛原子があるべき場所に発生します。 ペロブスカイトの鉛の 30% をマンガン原子で置き換えることで、これらのギャップを埋めることができ、チームは PeLED の明るさを 2 倍以上、効率をほぼ 3 倍にし、ライトの寿命を 1 分未満から 37 分に延長しました。

この技術は、健康リスクに一石を投じる可能性も秘めている。 「鉛はこの材料内での発光にとって非常に重要ですが、同時に有毒であることが知られています」とフェルナンデス氏は言う。 このタイプの鉛は水溶性でもあるため、たとえばひび割れたスマートフォンの画面から漏れる可能性があります。 「人々は有毒な商用技術に懐疑的です。そのため、私も他の素材を検討するようになりました。」