La luz emite diodos, o LED, son casi omnipresentes en la vida moderna, proporcionando el brillo en las pantallas del teléfono, televisores, y luces. Una nueva forma de LED, hecho de una clase de materiales llamados perovskitas de haluro, promete una mayor calidad de color y facilidad de fabricación, pero se sabe que falla cuando se somete al tipo de corriente eléctrica normalmente necesaria para usos prácticos. Ahora, Barry Rand, profesor asociado de ingeniería eléctrica y del Centro Andlinger de Energía y Medio Ambiente, y un equipo de investigadores ha mejorado significativamente la estabilidad y el rendimiento del material al gestionar mejor el calor generado por los LED.

La investigación, publicado en Materiales avanzados , identifica varias técnicas que reducen la acumulación de calor dentro del material, que extendió su vida útil diez veces. Cuando los investigadores evitaron que el dispositivo se sobrecalentara, pudieron bombear suficiente corriente para producir luz cientos de veces más intensa que la pantalla de un teléfono celular típico. La intensidad, medido en vatios por metro cuadrado, refleja la cantidad real de luz que proviene de un dispositivo, no influido por los ojos humanos o el color de la luz. Previamente, tal nivel de corriente habría causado que el LED fallara.

El avance establece un nuevo récord de brillo y expande los límites de lo que es posible para el material al mejorar las propiedades bien establecidas de los LED de perovskita y permitir que esas características sean prácticamente aprovechadas.

"Es la primera vez que demostramos que el calor parece ser el principal cuello de botella para estos materiales que operan a altas corrientes, ", dijo Rand." Esto significa que el material podría usarse para luces brillantes y pantallas, que nunca se pensó que fuera posible ".

Rand, quien también es director asociado de asociaciones externas en el Andlinger Center, dijo que ahora hay vías claras para un mayor desarrollo, pero advirtió que la tecnología aún está a 10 o 20 años de su uso comercial a gran escala.

Para contener la acumulación de calor Joule dentro del dispositivo, o el tipo de calor que resulta de la corriente eléctrica, los investigadores abordaron metódicamente los elementos clave. Diseñaron la composición del material en el dispositivo para hacerlo más conductor de electricidad y, por lo tanto, generar menos calor durante el funcionamiento. Hicieron los dispositivos más estrechos de lo habitual, aproximadamente una décima parte del grosor de una hebra de cabello humano, para permitir una mejor difusión del calor. Y, agregaron disipadores de calor, o componentes que conducen el calor lejos de componentes eléctricos sensibles, lo que ayudó a dispersar el calor.

Una vez que estos elementos clave estuvieron en su lugar, emplearon una táctica para "pulsar" continuamente el dispositivo, o encenderlo y apagarlo rápidamente, tan rápido que un ojo humano no podría ver el parpadeo, pero suficiente tiempo para que el dispositivo se recupere y se enfríe. Para esta parte del trabajo, aprovecharon la experiencia de la coautora Claire Gmachl, el Profesor Eugene Higgins de Ingeniería Eléctrica. Al reducir la cantidad de tiempo que el dispositivo estuvo realmente encendido, los investigadores lograron mejoras de eficiencia, y pudieron operar el dispositivo más tiempo del que se había informado. Rand describe el trabajo como una guía práctica para operar los LED de perovskita a las altas densidades de potencia necesarias para la iluminación y las pantallas brillantes.

Lianfeng Zhao, primer autor del artículo e investigador asociado postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Eléctrica, dijo que la investigación contrarresta el pensamiento predominante en el campo de que las perovskitas intrínsecamente no podrían operar de manera eficiente a altas densidades de potencia.

El trabajo es un "avance importante" para el campo, dijo Feng Gao, profesor del Departamento de Física, Química y Biología en la Universidad de Linköping en Suecia, y experto en semiconductores orgánicos y de perovskita para tecnologías energéticas.

"Reducir el calentamiento Joule es un desafío significativo para los LED de perovskita hacia un alto brillo y estabilidad a largo plazo, ", dijo Gao." Los resultados son realmente alentadores para la próxima comercialización de iluminación y pantallas basadas en materiales de perovskita ".

Hasta ahora, Los investigadores habían pensado que los LED de perovskita serían útiles para producir solo niveles moderados de brillo, pero no para iluminación o pantallas ultrabrillantes en teléfonos móviles y pantallas de portátiles.

"Mejoramos el alcance de las posibles aplicaciones, "dijo Zhao.

Una de las partes más atractivas de los LED de perovskita es la forma en que se fabrican, que requiere mucha menos energía que la producción de LED inorgánicos convencionales que se utilizan para la iluminación en la actualidad. Los LED convencionales están hechos de una pieza de un solo cristal, que es muy difícil y costoso de producir y, a menudo, requiere sistemas de vacío ultra alto y temperaturas de más de 1000 grados Celsius. Los materiales de perovskita se fabrican típicamente a temperaturas inferiores a 100 grados Celsius, y formado a partir de soluciones en un proceso similar a la impresión por chorro de tinta. Si la tecnología se comercializara, probablemente resultaría en una reducción significativa en la energía requerida y la huella de carbono de estos dispositivos electrónicos, tanto en su fabricación como en su funcionamiento.

Los LED de perovskita producen un color concentrado, y los investigadores también esperan utilizar el material para construir láseres fáciles de hacer. Y de manera más general, Rand y Zhao dijeron que continuarán estudiando cómo funciona el material para comprender mejor sus propiedades y lograr una mayor calidad. durable, y dispositivos eficientes.

"Este es un hito bastante importante, ", dijo Rand." No solo es importante para nuestra investigación, pero también para tecnólogos, diseñadores, y la industria electrónica. Creemos que hay un futuro brillante para el material ".