Un punto cuántico brillante integrado a la perfección en una matriz de cristal de perovskita. Crédito:Sargent Group / U of T Engineering
Es la hora de la merienda:tienes una galleta de avena simple, y un montón de chispas de chocolate. Ambos son deliciosos por sí solos, pero si puede encontrar una manera de combinarlos sin problemas, obtienes lo mejor de ambos mundos.
Los investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Edward S. Rogers Sr. utilizaron esta información para inventar algo totalmente nuevo:combinaron dos materiales prometedores de células solares por primera vez, creando una nueva plataforma para la tecnología LED.
El equipo diseñó una forma de incrustar nanopartículas fuertemente luminiscentes llamadas puntos cuánticos coloidales (las chispas de chocolate) en la perovskita (la galleta de avena). Las perovskitas son una familia de materiales que se pueden fabricar fácilmente a partir de una solución, y que permiten que los electrones se muevan rápidamente a través de ellos con una pérdida mínima o captura por defectos.
El trabajo se publica en la revista internacional Naturaleza el 15 de julio 2015.
"Es una idea bastante novedosa combinar estos dos materiales optoelectrónicos, ambos están ganando mucha tracción, "dice Xiwen Gong, uno de los autores principales del estudio y un candidato a doctorado que trabaja con el profesor Ted Sargent. "Queríamos aprovechar los beneficios de ambos combinándolos a la perfección en una matriz de estado sólido".
El resultado es un cristal negro que se basa en la matriz de perovskita para 'canalizar' electrones en los puntos cuánticos, que son extremadamente eficientes para convertir la electricidad en luz. Las tecnologías LED hiper eficientes podrían permitir aplicaciones de las bombillas LED de luz visible en cada hogar, a nuevas pantallas, al reconocimiento de gestos utilizando longitudes de onda del infrarrojo cercano.
Los investigadores Riccardo Comin (izquierda) y Xiwen Gong con el cristal híbrido incorporado en un dispositivo prototipo temprano. Crédito:Marit Mitchell / U of T Engineering
"Cuando intentas juntar dos cristales diferentes, a menudo forman fases separadas sin mezclarse suavemente entre sí, "dice el Dr. Riccardo Comin, becario postdoctoral en el Sargent Group. "Tuvimos que diseñar una nueva estrategia para =convencer a estos dos componentes de que se olvidaran de sus diferencias y se mezclaran para formar una entidad cristalina única".
El principal desafío fue alinear la orientación de las dos estructuras cristalinas, llamado heteroexpitaxia. Para lograr la heteroepitaxia, Gong, Comin y su equipo diseñaron una forma de conectar los 'extremos' atómicos de las dos estructuras cristalinas para que se alinearan sin problemas. sin que se formen defectos en las costuras. "Comenzamos construyendo un 'caparazón' de andamio a nanoescala alrededor de los puntos cuánticos en solución, luego creció el cristal de perovskita alrededor de ese caparazón para que las dos caras se alinearan, "explicó el coautor Dr. Zhijun Ning, quien contribuyó al trabajo mientras era becaria postdoctoral en la UofT y ahora es miembro de la facultad en ShanghaiTech.
El material heterogéneo resultante es la base de una nueva familia de LED de infrarrojo cercano de alta eficiencia energética. Los LED infrarrojos se pueden aprovechar para mejorar la tecnología de visión nocturna, para obtener mejores imágenes biomédicas, a las telecomunicaciones de alta velocidad.
La combinación de los dos materiales de esta manera también resuelve el problema de la autoabsorción, que ocurre cuando una sustancia reabsorbe parcialmente el mismo espectro de energía que emite, con una pérdida neta de eficiencia. "Estos puntos en la perovskita no sufren reabsorción, porque la emisión de los puntos no se superpone con el espectro de absorción de la perovskita, "explica Comin.
Gong, Comin y el equipo diseñaron deliberadamente su material para que fuera compatible con el procesamiento de soluciones, por lo que podría integrarse fácilmente con las formas más económicas y comercialmente prácticas de fabricar películas y dispositivos solares. Su siguiente paso es construir y probar el hardware para capitalizar el concepto que han probado con este trabajo.
"Vamos a construir el dispositivo LED e intentaremos batir el récord de eficiencia energética reportado en la literatura, "dice Gong.
