En el competitivo y exigente campo de la tecnología de iluminación, cada innovación que logre integrar eficiencia, sostenibilidad y viabilidad industrial supone un avance decisivo hacia sistemas más limpios, duraderos y respetuosos con el medio ambiente. Un equipo internacional de investigadores liderado por la Universidad de Rutgers (EE.UU.) ha desarrollado un nuevo material emisor híbrido a base de cobre e ioduro que podría transformar radicalmente el diseño y la fabricación de diodos emisores de luz (LED) de color azul profundo, una pieza clave en la generación de luz blanca para aplicaciones de iluminación general.
El proceso de obtención de este nuevo material ha sido detallado en un paper recientemente publicado en la revista científica Nature, donde se presenta como una alternativa ecoeficiente frente a las tecnologías actuales, aún dominadas por compuestos más tóxicos, costosos e inestables.
«Los LED de color azul profundo están en el corazón de las tecnologías de iluminación de hoy en día. Sin embargo, las opciones existentes a menudo presentan problemas con estabilidad, escalabilidad, coste, eficiencia o preocupaciones ambientales debido al uso de componentes tóxicos. Este nuevo híbrido de cobre-yoduro ofrece una solución convincente, aprovechando su no toxicidad, robustez y alto rendimiento”, explica la profesora Jing Li, encargado de dirigir el estudio.
La importancia de luz azul
Los diodos emisores de luz (LED) son dispositivos que transforman la electricidad en luz mediante materiales semiconductores, lo que les permite ofrecer una iluminación eficiente, duradera y de bajo consumo energético. La invención de los LED azules a comienzos de la década de 1990 supuso un avance crucial para la tecnología de iluminación, ya que posibilitó la generación de luz blanca al combinarse con otros colores. Este logro fue reconocido con el Premio Nobel de Física en 2014.
Los LED azules son especialmente relevantes en aplicaciones de iluminación general, ya que constituyen la base para obtener luz blanca de alta calidad, ampliamente utilizada en entornos residenciales, comerciales e industriales.
Con el propósito de superar las limitaciones actuales en cuanto a eficiencia, sostenibilidad y coste, la profesora Jing Li y su equipo de la Universidad de Rutgers colaboraron con investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven y con otros cuatro grupos de instituciones académicas y científicas de ámbito nacional e internacional. Juntos, emprendieron el desarrollo de nuevos materiales capaces de mejorar las prestaciones de los emisores azules convencionales.
Fruto de esta colaboración, los investigadores lograron diseñar una nueva clase de material híbrido, formado por una combinación de yoduro de cobre y moléculas orgánicas, que permite fabricar LED azules más brillantes, eficientes y sostenibles. “Queríamos crear un nuevo tipo de materiales que emitiesen una luz azul profunda muy intensa y que, al mismo tiempo, pudieran emplearse en la fabricación de LED a un coste inferior al de las tecnologías actuales”, explica Jing Li.
El desafío del azul profundo en la tecnología LED
A pesar de que la tecnología LED ha alcanzado un elevado grado de madurez y penetración en el mercado global, persisten desafíos relevantes en ciertas regiones del espectro visible. Uno de los más críticos es el segmento del azul profundo, cuya optimización resulta esencial para la generación de luz blanca y para aplicaciones específicas en pantallas, comunicación óptica y sistemas de iluminación avanzada.
En este rango espectral, los materiales emisores actualmente disponibles suelen presentar limitaciones significativas en términos de sostenibilidad, estabilidad o eficiencia, lo que dificulta su adopción a gran escala. Entre los compuestos más investigados hasta la fecha destacan:
- Perovskitas de haluros de plomo, que combinan alta eficiencia lumínica y bajo coste, pero plantean serias preocupaciones medioambientales debido a la toxicidad del plomo y su vulnerabilidad frente a la humedad y el oxígeno.
- OLEDs (diodos orgánicos emisores de luz), apreciados por su flexibilidad y su potencial eficiencia, aunque aquejados de problemas de degradación estructural y cromática con el paso del tiempo.
- Puntos cuánticos coloidales, que ofrecen excelentes resultados en las regiones verde y roja del espectro, pero muestran un rendimiento limitado en el azul profundo y, además, suelen estar basados en cadmio, un material altamente tóxico y sujeto a restricciones regulatorias.
- Emisores orgánicos fosforescentes, capaces de proporcionar buena eficiencia, pero que requieren métodos de síntesis complejos y costosos, lo que restringe su escalabilidad industrial.
Ante este escenario, sigue existiendo una necesidad no resuelta de contar con emisores en la región del azul profundo que reúnan simultáneamente cuatro características clave: alta eficiencia cuántica, buena estabilidad operativa, bajo impacto ambiental y viabilidad para su producción a gran escala.
Es precisamente en este contexto donde el nuevo material híbrido a base de cobre e ioduro, desarrollado por el equipo liderado por la Universidad de Rutgers, irrumpe con un notable potencial transformador.
“El nuevo material es capaz de proporcionar una alternativa ecológica y estable a las tecnologías actuales, abordando varios de sus problemas críticos y con potencial para impulsar el desarrollo de la tecnología LED”, apunta Jing Li.
Rendimiento cuántico cercano al 100 % y alta eficiencia externa
Una de las propiedades más destacadas del nuevo material híbrido de cobre y yoduro es su altísimo rendimiento cuántico de fotoluminiscencia, que alcanza aproximadamente el 99,6 %. Esta cifra significa que el material convierte casi toda la energía fotoeléctrica que recibe en emisión de luz azul, lo que lo posiciona entre los emisores más eficientes conocidos hasta la fecha para esta parte del espectro.
Los dispositivos LED azules fabricados con este nuevo material han conseguido una eficiencia cuántica externa (EQE) máxima del 12,6 %. Este valor representa la proporción entre el número de fotones emitidos y el número de electrones inyectados, y se sitúa entre los más altos logrados hasta ahora para LEDs de emisión azul profunda obtenidos mediante técnicas de procesamiento en solución.
Durabilidad operativa y escalabilidad del dispositivo
Además de su alta eficiencia, estos nuevos LEDs destacan por su durabilidad. En condiciones normales de funcionamiento, la vida media operativa registrada fue de unas 204 horas, es decir, el tiempo que tarda en reducirse al 50 % la intensidad de emisión inicial. Este dato representa una mejora importante frente a otros emisores en fase experimental, y anticipa una vida útil razonable incluso para aplicaciones prácticas.
El equipo de investigación también ha verificado que el rendimiento del material se mantiene cuando se escala a dispositivos de mayor tamaño. Esto refuerza su idoneidad para aplicaciones reales, más allá de las pruebas en laboratorio. La capacidad de mantener una alta eficiencia en formatos más grandes es fundamental para la integración del material en soluciones comerciales de iluminación o visualización.
Una técnica innovadora para maximizar el rendimiento
El rendimiento del nuevo material no se debe únicamente a su composición química, sino también a una técnica de procesamiento innovadora desarrollada por el propio equipo. Denominada pasivación de enlace de hidrógeno interfacial dual (dual interfacial hydrogen-bond passivation), esta estrategia permite optimizar las interfaces entre las distintas capas funcionales del dispositivo.
Como explica Kun Zhu, primer autor del estudio y actualmente investigador en el Instituto Max Planck en Alemania: “Nuestro método de procesamiento minimiza los defectos que pueden obstaculizar el movimiento de cargas eléctricas en las interfaces de estos materiales híbridos. Este enfoque puede convertirse en una estrategia versátil para producir LEDs de alto rendimiento”.
Desde un punto de vista técnico, un LED puede conceptualizarse como una estructura multicapa, similar a un sándwich, en el que cada capa cumple una función específica: emisión de luz, transporte de electrones, transporte de huecos, etc. Cuando la interacción entre la capa emisora y las capas adyacentes no es óptima, pueden generarse defectos que reducen la eficiencia del dispositivo o acortan su vida útil.
La técnica desarrollada por los investigadores introduce enlaces de hidrógeno entre estas capas, lo que refuerza su acoplamiento y estabilidad. Esta pasivación dual mejora la transferencia de carga, reduce los estados de trampa y mejora significativamente el rendimiento fotónico.
Créditos de imágenes: Kun Zhu/Jing Li Lab/Rutgers University
