分子添加剂可增强下一代LED但会缩短其使用寿命

您正在阅读的屏幕很可能会因发光二极管(通常称为 LED)而发光。这项广泛应用的技术提供了节能的室内照明，并越来越多地照亮我们的电脑显示器、电视和智能手机屏幕。不幸的是，它还需要相对费力且昂贵的制造过程。

为了解决这个缺点，斯坦福大学的研究人员测试了一种提高钙钛矿 LED(即 PeLED)亮度和效率的方法，这是一种更便宜、更容易制造的替代品。然而，它们的增强导致灯光在几分钟内熄灭，这表明了推进此类材料必须进行仔细的权衡。

“我们采取了一些重大措施来了解它为何退化。问题是，我们能否找到一种方法来缓解这种情况，同时保持效率?” 电气工程助理教授、该论文的资深作者 Dan Congreve表示 ，该论文 于 8 月 1 日 发表在《Device》杂志上。“如果我们能做到这一点，我认为我们就可以真正开始致力于寻找可行的商业解决方案。”

钙钛矿的前景和陷阱

简而言之，LED 通过使电流流过半导体(一层晶体材料，在施加的电场下发光)将电能转化为光。但与白炽灯和荧光灯等节能灯相比，制造这些半导体变得复杂且成本高昂。

“许多这些材料都是在昂贵的表面上生长的，例如四英寸的蓝宝石基板，”康格里夫实验室的博士生、该论文的主要作者 Sebastian Fernández 说。“光是购买这种基材就需要几百美元。”

PeLED 使用一种称为金属卤化物钙钛矿的半导体，由不同元素的混合物组成。工程师可以在玻璃基板上生长钙钛矿晶体，与普通 LED 相比可以节省大量资金。他们还可以将钙钛矿溶解在溶液中，并将其“涂”到玻璃上以形成发光层，这比普通 LED 所需的生产过程更简单。

这些优点可以使节能室内照明适用于更多的建筑环境，从而减少能源需求。PeLED 还可以提高智能手机和电视显示器的色彩纯度。“绿色更绿，蓝色更蓝，”康格里夫说。“你确实可以从设备上看到更多颜色。”

然而，如今大多数 PeLED 都会在几个小时后逐渐消失。由于钙钛矿原子结构中的随机间隙(称为缺陷)，它们的能效通常无法与标准 LED 相匹配。“这里应该有一个原子，但实际上没有，”康格里夫解释道。“能量进入那里，但光无法发出，因此会损害设备的整体效率。”

光泽更亮，褪色更快

为了缓解这些问题，费尔南德斯采用了康格里夫和密西西比州立大学化学助理教授、该论文的合著者马赫什·甘吉什蒂 (Mahesh Gangishetty) 首次提出的技术。钙钛矿中许多浪费能量的间隙出现在铅原子应该出现的地方。通过用锰原子取代 30% 的钙钛矿铅(这有助于填补这些空白)，该团队将 PeLED 的亮度提高了一倍以上，效率几乎提高了两倍，并将灯的使用寿命从不到一分钟延长到了 37 分钟。

该技术还有可能改善健康风险。“铅对于这种材料内的发光极其重要，但同时，众所周知，铅是有毒的，”费尔南德斯说。这种类型的铅也是水溶性的——这意味着它可能会从破裂的智能手机屏幕等处泄漏。“人们对有毒的商业技术持怀疑态度，因此这也促使我考虑其他材料。”

但费尔南德斯更进一步，将一种名为 TFPPO 的氧化膦混合到钙钛矿中。“我添加了它，发现效率直线上升，”他说。这种添加剂使灯的能效比仅添加锰的灯高出五倍，并发出迄今为止有记录的 PeLED 中最亮的光芒之一。