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
Un additif moléculaire améliore les LED de nouvelle génération, mais raccourcit leur durée de vie
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.
La quête de Stanford pour un éclairage abordable et efficace
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 Appareil. « 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
Ce qui différencie les LED pérovskites
En termes simples, les LED transforment l’énergie électrique en lumière en faisant passer le courant électrique à travers un semi-conducteur – des couches de matériau cristallin qui émettent de la lumière avec un champ électrique appliqué. Mais créer ces semi-conducteurs devient complexe 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.
Applications et limites des LED pérovskites
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. »
Cependant, la plupart des PeLED d’aujourd’hui s’éteignent après seulement quelques heures. Et souvent, leur efficacité énergétique n’égale pas celle des LED standards, en raison de lacunes aléatoires dans la structure atomique de la pérovskite, appelées défauts. « Il devrait y avoir un atome ici, mais il n’y en a pas », explique Congreve. « L’énergie entre là-dedans, mais la lumière n’en sort pas, ce qui nuit à l’efficacité globale de l’appareil. »
Luminosité contre longévité
Pour atténuer ces problèmes, Fernández s’est appuyé sur une technique lancée par Congreve et Mahesh Gangishetty, professeur adjoint de chimie à l’Université d’État du Mississippi et co-auteur de l’article. Beaucoup de ces lacunes gaspilleuses d’énergie dans les pérovskites se trouvent là où devraient se trouver les atomes de plomb. En remplaçant 30 % du plomb de la pérovskite par des atomes de manganèse, ce qui contribue à combler ces lacunes, l’équipe a plus que doublé la luminosité de ses PeLED, presque triplé son efficacité et prolongé la durée de vie des lumières de moins d’une minute à 37 minutes.
La technique a également le potentiel de faire bouger les choses en matière de risques pour la santé. « Le plomb est extrêmement important pour l’émission de lumière dans ce matériau, mais en même temps, il est connu pour être toxique », explique Fernández. Ce type de plomb est également soluble dans l’eau, ce qui signifie qu’il pourrait s’infiltrer à travers, par exemple, l’écran d’un smartphone fissuré. « Les gens sont sceptiques quant aux technologies commerciales toxiques, ce qui m’a également poussé à envisager d’autres matériaux. »
Développements ultérieurs et défis
Mais Fernández est allé plus loin en mélangeant un oxyde de phosphine appelé TFPPO à la pérovskite. «Je l’ai ajouté et j’ai constaté que les gains d’efficacité ont explosé», dit-il. L’additif a rendu les lumières jusqu’à cinq fois plus économes en énergie que celles avec seulement un apport de manganèse et a fait ressortir l’une des lueurs les plus brillantes de tous les PeLED jamais enregistrés.
Mais ces gains ont eu un inconvénient : les lumières ont diminué de moitié pour atteindre la moitié de leur luminosité maximale en seulement deux minutes et demie. (D’un autre côté, les pérovskites qui n’ont pas été traitées au TFPPO sont la version qui a maintenu leur luminosité pendant 37 minutes.)
Comprendre le compromis
Fernández pense que la transformation de l’énergie électrique en lumière au fil du temps dans les PeLED avec TFPPO devient moins efficace que dans ceux sans, en grande partie à cause des obstacles accrus liés au transport de charge au sein du PeLED. L’équipe suggère également que même si le TFPPO comble initialement certaines lacunes dans la structure atomique de la pérovskite, ces lacunes se rouvrent rapidement, entraînant une baisse de l’efficacité énergétique ainsi que de la durabilité.
À l’avenir, Fernández espère expérimenter différents additifs à base d’oxyde de phosphine pour voir s’ils produisent des effets différents et pourquoi.
« Il est clair que cet additif est incroyable en termes d’efficacité », déclare Fernández. « Cependant, ses effets sur la stabilité doivent être supprimés pour pouvoir espérer commercialiser ce matériau. »
Le laboratoire de Congreve s’efforce également de remédier à d’autres limites des PeLED, telles que leur difficulté à produire de la lumière violette et ultraviolette. Dans un autre article récent de la revue Matière dirigé par le doctorant Manchen Hu (qui est également co-auteur du Appareil papier), l’équipe a découvert qu’en ajoutant de l’eau à la solution dans laquelle se forment les cristaux de pérovskite, ils pouvaient produire des PeLED émettant une lumière violette brillante cinq fois plus efficacement. Avec d’autres améliorations, les PeLED ultraviolettes pourraient stériliser le matériel médical, purifier l’eau et aider à faire pousser des cultures en intérieur – le tout à un prix plus abordable que ne le permettent les LED actuelles.
Parmi les autres co-auteurs de cette recherche à Stanford figurent l’étudiant de premier cycle William Michaels, l’étudiant diplômé Pournima Narayanan, l’étudiant de premier cycle Natalia Murrietta, l’étudiant diplômé Arynn Gallegos, la chercheuse postdoctorale Ghada Ahmed et l’étudiant diplômé Junrui Lyu.
Cette recherche a été financée par la bourse Diversifying Academia, Recruiting Excellence (DARE), le Département américain de l’énergie, les bourses d’études supérieures de Stanford en sciences et en ingénierie (bourses P. Michael Farmwald, Gabilan Fellow et Scott A. et Geraldine D. Macomber Fellow) , le National GEM Consortium, le Département de génie électrique de l’Université de Stanford et la National Science Foundation. Une partie de ce travail a été réalisée dans les installations partagées de Stanford Nano, soutenues par la National Science Foundation.
