Durante los últimos años se ha producido un gran interés por la perovskita y como este material se puede utilizar para el desarrollo de una nueva tecnología LED que sea más eficiente y potencialmente más barata que los materiales utilizados en los LED actuales. Sin embargo, la mayoría de los informes presentan dispositivos que funcionan a densidades de corriente relativamente pequeñas (<500 mA cm-2) con una radiación moderada (<400 W sr-1 m-2). Aquí, el calentamiento de Joule y la ineficiente disipación térmica se muestran como los principales obstáculos para lograr un alto resplandor y una larga vida útil. Investigadores de Princeton han logrado perfeccionar la fabricación de LEDs de perovskita, mejorando de forma significativa la estabilidad y el rendimiento del material mediante una mejor gestión del calor generado por los LED.
La investigación, publicada en Advanced Materials, identifica varias técnicas que reducen la acumulación de calor dentro del material, lo que prolonga su vida útil diez veces. Cuando los investigadores evitaron que el dispositivo se sobrecalentara, fueron capaces de suministrar la suficiente corriente en él para producir una luz cientos de veces más intensa que la de la típica pantalla de un teléfono móvil. La intensidad, medida en vatios por metro cuadrado, refleja la cantidad real de luz procedente de un dispositivo, sin que influyan los ojos humanos ni el color de la luz. Anteriormente, tal nivel de corriente habría causado que el LED fallara.
El hallazgo establece un nuevo récord de brillo y expande los límites de lo que es posible conseguir con este material de halura de perovskita, así como el permitir estas características sean aprovechadas de forma práctica.
“Es la primera vez que demostramos que el calor parece ser el mayor cuello de botella para estos materiales que operan a altas corrientes.. Esto significa que el material podría ser usado para luces brillantes y pantallas, lo cual nunca se pensó que fuera posible”, explica Barry Rand, profesor asociado de ingeniería eléctrica del Andlinger Center for Energy and the Environment.
Rand, que también es director asociado de asociaciones externas en el Centro Andlinger, dijo que se han abierto vías claras para un mayor desarrollo, pero advirtió que la tecnología todavía está a 10 o 20 años de su uso comercial a gran escala.
Para contener la acumulación de calor de Joule dentro del dispositivo, o el tipo de calor que resulta de la corriente eléctrica, los investigadores abordaron metódicamente elementos clave. Diseñaron la composición del material en el dispositivo para hacerlo más conductor de la electricidad y, por lo tanto, generar menos calor durante el funcionamiento. Hicieron los dispositivos más estrechos de lo habitual, alrededor de una décima parte del grosor de un cabello humano, para permitir una mejor propagación del calor. Y añadieron disipadores de calor, o componentes que conducen el calor lejos de los componentes eléctricos sensibles, lo que ayudó a dispersar el mismo.
Una vez que estos elementos clave estaban en su lugar, emplearon una táctica para «pulsar» continuamente el dispositivo, o encenderlo y apagarlo rápidamente, tan rápido que el ojo humano no podía ver el parpadeo, pero el tiempo suficiente para que el dispositivo se recuperara y se enfriara. Para esta parte del trabajo, aprovecharon la experiencia de la coautora Claire Gmachl, Profesora de Ingeniería Eléctrica Eugene Higgins. Al reducir la cantidad de tiempo que el dispositivo estaba realmente encendido, los investigadores lograron mejoras en la eficiencia y pudieron operar el dispositivo por más tiempo del que se había informado. Rand describe el trabajo como una guía de «cómo» operar los LEDs de perovskita a las altas densidades de potencia requeridas para la iluminación y las pantallas brillantes.
“La investigación contrarresta el pensamiento prevalente de que la perovskitas intrínsecamente no podían operar eficientemente a altas densidades de potencia. Reducir el calentamiento de Joule es un desafío significativo para los LEDs de perovskita hacia el alto brillo y la estabilidad a largo plazo. Los resultados son realmente alentadores para la próxima comercialización de iluminación y pantallas basadas en materiales de perovskita», afirma Lianfeng Zhao, primer autor del artículo y asociado de investigación postdoctoral en el Departamento de Ingeniería Eléctrica.
Una de las partes más atractivas de los LEDs de perovskita es la forma en que se fabrican, que requiere mucha menos energía que la producción de los LEDs inorgánicos convencionales utilizados para la iluminación de hoy en día. Los LEDs convencionales están hechos de una pieza de un solo cristal, lo cual es muy difícil y costoso de producir y a menudo requiere sistemas de vacío ultra alto y temperaturas de más de 1000 grados centígrados. Los materiales de la perovskita se fabrican típicamente a temperaturas inferiores a los 100 grados centígrados, y se forman a partir de soluciones en un proceso similar a la impresión por inyección de tinta. Si se comercializara la tecnología, probablemente se reduciría considerablemente la energía necesaria y la huella de carbono de esos aparatos electrónicos, tanto en su fabricación como en su funcionamiento.
Los LEDs de Perovskite producen un color puro y concentrado, y los investigadores también esperan utilizar el material para construir láseres baratos y fáciles de fabricar. Rand y Zhao continuarán estudiando cómo funciona el material para entender mejor sus propiedades para hacer dispositivos de mayor calidad, duraderos y eficientes.
Créditos imagen portada: Sameer A. Khan
