La búsqueda de una iluminación más eficiente y económica ha estado en marcha desde la invención de la bombilla. Mientras que la tecnología LED ha revolucionado la forma que iluminamos todo tipo de aplicaciones, nuevos desarrollos luchan por alcanzar nuevas cotas de eficiencia energética y facilidad de fabricación que pueden marcar el futuro de la iluminación. 

Una alternativa que actualmente se está consolidando como una prometedora promesa para la próxima generación de emisores de luz son los LED de perovskita o PeLED, ya que representa una alternativa mucho más barata y fácil de fabricar. Estos LED utilizan un semiconductor conocido como perovskita de halogenuros metálicos, compuesto por una mezcla de diferentes elementos, que tienen unas fantasticas propiedades en términos de pureza de color, capacidad de adjuste de intervalo de banda y bajo de coste de procesamiento. Sin embargo, todavía hay importantes retos que superar para que esta tecnología logre su viabilidad comercial. 

En este contexto, investigadores de la Universidad de Stanford han desarrollado un nuevo método de fabricación que aumenta el brillo y la eficiencia de estos PeLED. Sus mejoras, sin embargo, hicieron que las luces se apagaran en cuestión de minutos, lo que demuestra las importantes retos y cuidadosas compensaciones que se deben entender para avanzar en esta clase de materiales.

El equipo, liderado por el profesor asistente de ingeniería eléctrica Dan Congreve, publicó sus hallazgos en el artículo «Advances in the Efficiency and Brightness of Perovskite Light Emitting Diodes» en la revista científica Device: «Hicimos avances significativos para entender por qué se degrada. La pregunta es si podemos encontrar una forma de mitigarlo sin comprometer la eficiencia. Si logramos eso, creo que podremos avanzar hacia una solución comercial viable de PeLEDS». 

Las promesas y trampas de la perovskita

Para comprenderlo de manera sencilla, los LEDs transforman la energía eléctrica en luz al pasar corriente eléctrica a través de un semiconductor, que emite luz cuando se le aplica un campo eléctrico. Sin embargo, la creación de estos semiconductores es compleja y costosa en comparación con las luces menos eficientes en términos energéticos, como las incandescentes y fluorescentes.

«Muchos de estos materiales se cultivan en superficies costosas, como sustratos de zafiro de cuatro pulgadas», explica Sebastian Fernández, estudiante de doctorado en el laboratorio de Congreve y también autor principal del paper. «Solo adquirir este sustrato cuesta varios cientos de dólares».

Los PeLEDs utilizan un semiconductor conocido como perovskita de haluro metálico, compuesto por una mezcla de diferentes elementos. Los ingenieros pueden cultivar cristales de perovskita en sustratos de vidrio, lo que ahorra una cantidad significativa en comparación con los LEDs normales. También pueden disolver perovskitas en solución y «pintarlas» sobre vidrio para crear una capa emisora de luz, un proceso de producción más simple que el requerido por los LEDs convencionales.

Estas ventajas podrían reducir de forma importante los costes de iluminar cualquier entorno o espacio. Además, los PeLEDs podrían mejorar la pureza del color en las pantallas de smartphones y televisores. «Un verde será más verde, un azul será más azul», comenta Congreve. «Se pueden apreciar más colores en el dispositivo».

Sin embargo, la mayoría de los PeLEDs actuales pierden brillo después de unas pocas horas y no logran igualar la eficiencia energética de los LEDs estándar debido a defectos en la estructura atómica de la perovskita.

Haciendo frente a los desafíos

Para mitigar estos problemas, Fernández aprovechó una técnica desarrollada por Congreve y Mahesh Gangishetty, profesor asistente de química en la Universidad Estatal de Mississippi y coautor del artículo. Muchos de los huecos donde se desperdicia energía en las perovskitas se encuentran donde deberían estar los átomos de plomo. Al reemplazar el 30% del plomo de la perovskita con átomos de manganeso, que ayudan a llenar esos huecos, el equipo logró más que duplicar el brillo de sus PeLEDs, aumentar casi tres veces la eficiencia y prolongar la vida útil de las luces de menos de un minuto a 37 minutos.

Esta técnica también tiene el potencial de reducir los riesgos para la salud. «El plomo es extremadamente importante para la emisión de luz en este material, pero al mismo tiempo, se sabe que es tóxico», dice Fernández. Además, este tipo de plomo es soluble en agua, lo que significa que podría filtrarse a través de una pantalla de smartphone agrietada. «La gente se muestra escéptica ante la tecnología comercial tóxica, lo que también me motivó a considerar otros materiales».

Pero Fernández fue un paso más allá y agregó un óxido de fosfina llamado TFPPO a la perovskita. «Lo añadí y vi cómo las eficiencias aumentaban drásticamente», comenta. El aditivo hizo que las luces fueran hasta cinco veces más eficientes en términos energéticos que las que solo tenían el impulso de manganeso y generaran uno de los brillos más intensos registrados en PeLEDs.

Sin embargo, estas mejoras tenían un inconveniente: las luces perdían la mitad de su brillo máximo en solo dos minutos y medio. Por otro lado, las perovskitas que no fueron tratadas con TFPPO eran las que mantuvieron su brillo durante 37 minutos.

Comprendiendo el equilibrio

Fernández cree que la transformación de la energía eléctrica en luz con el tiempo en los PeLEDs con TFPPO se vuelve menos eficiente que en los que carecen de él, principalmente debido a los obstáculos aumentados relacionados con el transporte de carga dentro del PeLED. El equipo también sugiere que aunque el TFPPO inicialmente llena algunos huecos en la estructura atómica de la perovskita, estos huecos se vuelven a abrir rápidamente, lo que provoca una disminución de la eficiencia energética junto con la durabilidad.

De cara al futuro, Fernández espera experimentar con diferentes aditivos de óxido de fosfina para ver si producen efectos diferentes y entender por qué: «Fue evidente que este aditivo es increíble en términos de eficiencia.Sin embargo, sus efectos en la estabilidad deben ser suprimidos para tener alguna esperanza de comercializar este material».

El laboratorio de Congreve también está trabajando para abordar otras limitaciones de los PeLEDs, como su dificultad para producir luz violeta y ultravioleta. En otro paper reciente en la revista Matter, liderado por el estudiante de doctorado Manchen Hu (quien también es coautor del artículo en Device), el equipo descubrió que al agregar agua a la solución en la que se forman los cristales de perovskita, podrían producir PeLEDs que emitieran luz violeta brillante cinco veces más eficiente. Con mejoras adicionales, los PeLEDs ultravioleta podrían esterilizar equipos médicos, purificar agua y ayudar al cultivo de plantas en interiores, todo de manera más asequible que lo que permiten los LEDs actuales.

Imágen de portada: Sebastian Fernández / Universidad de Stanford