Un equipo de científicos de materiales y químicos teóricos han conseguido diseñar una nueva clase de materiales electroluminiscentes, componentes claves para el desarrollo por ejemplo de iluminación LED o células solares, que funcionan de manera más eficiente. Publicada recientemente en Nature Photonics, esta nueva investigación proporciona información relevante sobre cómo estos y otros materiales similares podrían utilizarse para aplicaciones novedosas en el campo de la fotovoltaica y la iluminación LED.
Hace dos años, el químico teórico de Penn Andrew M. Rappe visitó el laboratorio de Tae-Woo Lee en la Universidad Nacional de Seúl, y la discusión pronto se centró en si podían desarrollar una teoría para ayudar a explicar algunos de sus resultados experimentales. El material que estaban utilizando era bromuro de plomo de formamidinio, un tipo de nanocristal de perovskita de halogenuro metálico (PNC). Los resultados recopilados por el grupo Lee parecían indicar que los LED verdes hechos con este material estaban funcionando de manera más eficiente de lo esperado. “Tan pronto como vi sus datos, me sorprendió la correlación entre los resultados estructurales, ópticos y de eficiencia lumínica. Algo especial tenía que estar pasando», dice Rappe.
Los PNC como el bromuro de plomo de formamidinio se utilizan en dispositivos fotovoltaicos, donde pueden almacenar energía como electricidad o convertir la corriente eléctrica en luz en dispositivos emisores de luz (LED). En los LED, los electrones se transportan desde una región rica en electrones (tipo n) a un nivel de alta energía en una región pobre en electrones (tipo p), donde encuentran un estado vacío de menor energía, o «hueco», para caer y emitir luz. La eficiencia de un material está determinada por lo bien que puede convertir la luz en electricidad (o viceversa), que depende de la facilidad con la que un electrón excitado puede encontrar un huevo y cuánta de esa energía se pierde por el calor.
Para dar sentido a los resultados del grupo Lee, el postdoctorado de Penn Arvin Kakekhani comenzó a trabajar con Young-Hoon Kim y Sungjin Kim de la Universidad Nacional de Seúl para desarrollar un modelo computacional de la eficiencia inesperada del material y diseñar experimentos de seguimiento específicos para confirmar estas nuevas teorías.
Después de meses de intercambio de ideas y reducción de potenciales teorías, los investigadores desarrollaron un modelo teórico utilizando un método conocido como teoría funcional de densidad, un enfoque de modelado que se basa en teorías matemáticas de la mecánica cuántica. Si bien este método se ha utilizado en el campo durante muchos años, las implementaciones de esta teoría ahora pueden incorporar eficientemente los impactos de pequeñas interacciones mecánicas cuánticas deslocalizadas, conocidas como fuerzas van der Waals, que se sabe que juegan un papel importante en el comportamiento de materiales blandos que son similares a las PNC utilizadas en este estudio.
Utilizando su nuevo modelo, los investigadores encontraron que los PNC eran más eficientes si el tamaño de los puntos cuánticos era menor, ya que la probabilidad de que un electrón encontrara un agujero era mucho mayor. Pero debido a que reducir el tamaño de una partícula también significa aumentar su relación superficie-volumen, esto también significa que hay más lugares a lo largo de la superficie del material que son propensos a defectos, donde la energía de los electrones se puede perder fácilmente.
Para abordar ambos desafíos, los investigadores encontraron que una simple sustitución química, reemplazando el formamidinio por un catión orgánico más grande llamado guanidinio, hizo que las partículas fueran más pequeñas al tiempo que preservaba la integridad estructural del material al permitir que se formaran más enlaces de hidrógeno. Basándose en este enfoque de aleación, los investigadores encontraron estrategias adicionales para mejorar la eficiencia, incluida la adición de ácidos de cadena larga y aminas para estabilizar los iones superficiales y la adición de grupos de curación de defectos para «curar» cualquier vacante que pueda formarse.
El resultado es diodos emisores de luz basados en PNC altamente eficientes que tienen una eficiencia actual de 108 cd A−1 (eficiencia cuántica externa del 23,4%), que se eleva a 205 cd A−1 (eficiencia cuántica externa del 45,5%) con una lente hemisférica.
Si bien el estudio actual proporciona estrategias específicas para materiales que tienen el potencial de uso generalizado como células solares y LED, esta estrategia también es algo que podría adoptarse de manera más general en el campo de la ciencia de materiales. «El avance del Internet de las Cosas y el impulso hacia la computación optoelectrónica exigen fuentes de luz eficientes, y estos novedosos LED basados en perovskita pueden liderar el camino», concluye Rappe.
Este trabajo fue el resultado de una colaboración entre la Universidad de Pennsylvania, la Universidad Nacional de Seúl, el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, la Escuela Politécnica Federal de Lausana, la Universidad de Tennessee, la Universidad de Cambridge, la Universidad de Valencia, el Instituto Tecnológico de Harbin y la Universidad de Oxford.
