Plus lumineux et plus efficace

Par École d'ingénierie de l'Université de Stanford25 août 2023

Huit substrats de LED en pérovskite verte dans le laboratoire de Congreve brillent lorsque les chercheurs les éclairent avec une lumière ultraviolette. Crédit : Sebastian Fernández / Université de Stanford

En modifiant la composition matérielle des LED à pérovskite, un type de LED moins cher et plus facile à fabriquer, les chercheurs de Stanford ont réalisé des progrès en termes de luminosité et d'efficacité, mais ont vu leurs lumières s'éteindre après quelques minutes d'utilisation.

Il y a de fortes chances que l'écran sur lequel vous lisez brille grâce à des diodes électroluminescentes, communément appelées LED. Cette technologie très répandue fournit un éclairage intérieur économe en énergie et illumine de plus en plus nos écrans d’ordinateurs, de téléviseurs et de smartphones. Malheureusement, cela nécessite également un processus de fabrication relativement laborieux et coûteux.

Dans l'espoir de remédier à cette lacune, les chercheurs de Stanford ont testé une méthode permettant d'améliorer la luminosité et l'efficacité des LED pérovskites, ou PeLED, une alternative moins chère et plus facile à fabriquer. Leurs améliorations ont cependant provoqué l’extinction des lumières en quelques minutes, démontrant les compromis minutieux qu’il faut comprendre pour faire progresser cette classe de matériaux.

« Nous avons fait de grands pas pour comprendre pourquoi c'est dégradant. La question est : pouvons-nous trouver un moyen d’atténuer cela tout en préservant l’efficacité ? » déclare Dan Congreve, professeur adjoint de génie électrique et auteur principal de l'article publié plus tôt ce mois-ci dans la revue Device. « Si nous y parvenons, je pense que nous pouvons vraiment commencer à travailler vers une solution commerciale viable. »

Huit LED vertes en pérovskite dopées au manganèse dans le laboratoire de Congreve brillent tandis que les chercheurs y font passer un courant électrique. Crédit : Sebastian Fernández / Université de Stanford

In simplest terms, LEDs transform electrical energy into light by passing electric current through a semiconductor – layers of crystalline material that emits light with an applied electric field. But creating those semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Les semi-conducteurs deviennent complexes et coûteux par rapport aux lampes moins économes en énergie comme les lampes à incandescence et les lampes fluorescentes.

"Beaucoup de ces matériaux sont cultivés sur des surfaces coûteuses telles qu'un substrat en saphir de quatre pouces", explique Sebastian Fernández, doctorant au laboratoire de Congreve et auteur principal de l'article. « L’achat de ce substrat coûte quelques centaines de dollars. »

Les PeLED utilisent un semi-conducteur appelé pérovskites aux halogénures métalliques, composé d'un mélange de différents éléments. Les ingénieurs peuvent faire pousser des cristaux de pérovskite sur des substrats de verre, ce qui permet d'économiser une somme importante par rapport aux LED normales. Ils peuvent également dissoudre les pérovskites dans une solution et les « peindre » sur du verre pour créer une couche électroluminescente, un processus de production plus simple que celui requis par les LED classiques.

Ces avantages pourraient rendre l’éclairage intérieur économe en énergie possible pour une plus grande partie de l’environnement bâti, réduisant ainsi la demande énergétique. Les PeLED pourraient également améliorer la pureté des couleurs des écrans de smartphones et de téléviseurs. "Un vert est plus vert, un bleu est plus bleu", explique Congreve. "Vous pouvez littéralement voir plus de couleurs depuis l'appareil."

Most PeLEDs today, however, peter out after just a few hours. And they often don’t match the energy efficiency of standard LEDs, due to random gaps in the perovskite’s atomic structure known as defects. “There should be an atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"atom here, but there’s not,” Congreve explains. “Energy goes in there, but you don’t get light out, so it harms the overall efficiency of the device.”/p>