太陽電池では、ペロブスカイトと呼ばれる安価で製造が容易な材料が、光子を電気に変換することに長けています。現在、ペロブスカイトが形勢を一変させ、携帯電話やフラット スクリーン TV に見られる市販の有機発光ダイオード (LED) と同等の効率で電子を光に変換しています。また、研究者は先週 Science Advances で、それらがどのように利用されるかを垣間見ることができました。 彼らは 3D プリンターを使用して、フルカラー ディスプレイで使用するペロブスカイトをパターン化しました。
2014 年に最初のペロブスカイト LED を開発したイギリスのケンブリッジ大学の物理学者 Richard Friend は、次のように述べています。一般的な成分から作られたこれらの安価な結晶性物質で構成されます。しかし友人は、新しいペロブスカイト ディスプレイはまだ商業的に実行可能ではないことを警告しています。
有機バージョンを含む現在の半導体 LED の材料は、結果として得られる半導体が元の状態であることを保証するために、真空チャンバー内で高温で処理する必要があります。対照的に、ペロブスカイトは、室温で溶液中の化学成分を混合するだけで調製できます。それらを結晶化するために必要なのは、簡単な熱処理だけです。また、ペロブスカイト結晶が不完全になってしまうとしても、これらの欠陥は通常、材料の発光能力を損なうことはありません.
ほとんどのペロブスカイト LED では、発光材料を挟む電極が電荷 (負に帯電した電子と正に帯電した電子空孔) を供給します。電荷がサンドイッチの中心で出会うと、電子が空孔を埋め、光の光子としてエネルギーの一部を放棄します。
光子の色はペロブスカイトの化学成分に依存するため、研究者はペロブスカイトのレシピを変更することで色を調整できます。ケンブリッジ グループの最初のペロブスカイト LED は、構成に応じて、近赤外線、赤、または緑に光りました。それ以来、チームや他のグループは、さまざまな色を作成してきました.
最も初期のペロブスカイト LED は、電子の 0.76% のみを光子に変換しました。これは、材料中を移動する電荷が、材料を構成する無数の微結晶間の境界で詰まったためです。しかし、多くのチームがそのハードルを克服しています。昨年末 Nature Photonics で たとえば、Friend のグループは、表面欠陥の周囲で電荷を制御するのに役立つ発光ポリマー層を追加することにより、20.1% の効率で赤色ペロブスカイト LED を作成したと報告しました。
カナダのトロント大学の化学者エドワード・サージェントが率いるチームは昨年、別のアプローチを取り、ペロブスカイトの結晶子の周りに結晶シェルを形成する添加剤をペロブスカイトのレシピに加えました。シェルは欠陥が電荷をトラップするのをブロックし、その結果、20.3% の効率で緑色のペロブスカイト LED が得られたと、チームは Nature で報告しました。 .これは、多くの無機 LED の効率をはるかに下回っていますが、一部のアプリケーションにはおそらく十分です。
スウェーデンのリンショーピン大学の物理学者である Feng Gao が率いる研究者は、Nature Photonics で 3 月 25 日にオンラインで報告しました。 彼らは、欠陥の問題に取り組むためのさらに別の方法を開発しました。彼らは、ペロブスカイト微結晶のエッジにある鉛イオンが通過する電子をトラップする傾向に注目しました。鉛に結合する添加剤を使用して、イオンの電子への渇望を減らし、21.6% の効率を持つ近赤外 LED を作成しました。
過去 5 年間の改善のペースは「非常に例外的」であると Friend は言います。それでも、どのペロブスカイト デバイスも約 50 時間を超えて存続することはなく、商用利用に必要な推定 10,000 時間をはるかに下回っています。ペロブスカイト結晶が数十時間後にバラバラになる理由は明らかではないと Gao は言う。しかし、初期の有機 LED は寿命が短いという問題も抱えていた、と彼は指摘します。また、ペロブスカイト太陽電池メーカーは、デバイスを空気や湿気から保護することで、同様の寿命の問題をほぼ解決しています。 「この分野も急速に発展し、ペロブスカイト LED が改善されると楽観視しています」と Gao 氏は言います。
もしそうなら、ハーバード大学の材料科学者であるジェニファー・ルイスが率いる研究者による最新の研究は、ディスプレイを構築するための新しい戦略を指し示す可能性があります.ルイスと彼女の同僚は、3D プリンターを使用して、小さなワイヤー形状のペロブスカイト構造をマルチカラー ディスプレイに配置しました。ナノワイヤーを運ぶ「インク」がプリンターのノズルを通過すると、剪断力がそれらを整列させた、とLewisは言う。ナノワイヤの共通の向きにより、各 LED からの光に単一の好ましい振動、つまり偏光が与えられました。
プロトタイプのディスプレイでは、Lewis のチームは各 LED を電極に配線しませんでした。代わりに、研究者はディスプレイ全体を紫外 (UV) 光にさらしました。印加された電圧のように、UV ライトは電子を通常の状態から追い出し、移動できるようにします。その後、空孔と再結合して可視光を放出することができます。しかし、放出された光は偏光されていたため、Lewis と彼女の同僚は偏光フィルターを使用してそれを制御できました。
一例では、研究者は 3 つの異なるペロブスカイト配合を使用して、各ピクセルに赤、緑、青のスポットが並んで含まれ、各スポットのナノワイヤの方向が 60° ずれているディスプレイを作成しました。偏光フィルターを回転させることで、研究者は色を混ぜたり、単一の色を分離したりできました。
ペロブスカイト LED には多くのハードルが残っている、と Sargent は言います。しかし彼は、「この研究は 10 年先のことであり、私たちができる素晴らしいことを示しています」と付け加えています。
