Un punto quantico luminoso perfettamente integrato in una matrice di cristalli di perovskite. Credito:Sargent Group/ U of T Engineering
È l'ora della merenda:hai un semplice biscotto di farina d'avena, e un mucchio di gocce di cioccolato. Entrambi sono deliziosi da soli, ma se riesci a trovare un modo per combinarli senza problemi, ottieni il meglio da entrambi i mondi.
I ricercatori del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica di Edward S. Rogers Sr. hanno utilizzato questa intuizione per inventare qualcosa di totalmente nuovo:hanno combinato per la prima volta due promettenti materiali per celle solari, creando una nuova piattaforma per la tecnologia LED.
Il team ha progettato un modo per incorporare nanoparticelle fortemente luminescenti chiamate punti quantici colloidali (le gocce di cioccolato) nella perovskite (il biscotto di farina d'avena). Le perovskiti sono una famiglia di materiali che possono essere facilmente prodotti da soluzione, e che consentono agli elettroni di muoversi rapidamente attraverso di essi con perdite minime o cattura per difetti.
Il lavoro è pubblicato sulla rivista internazionale Natura il 15 luglio, 2015.
"È un'idea piuttosto nuova fondere insieme questi due materiali optoelettronici, entrambi stanno guadagnando molta trazione, "dice Xiwen Gong, uno degli autori principali dello studio e un dottorando che lavora con il professor Ted Sargent. "Volevamo sfruttare i vantaggi di entrambi combinandoli perfettamente in una matrice a stato solido".
Il risultato è un cristallo nero che si basa sulla matrice di perovskite per "imbucare" gli elettroni nei punti quantici, che sono estremamente efficienti nel convertire l'elettricità in luce. Le tecnologie LED iper-efficienti potrebbero consentire applicazioni dalle lampadine LED a luce visibile in ogni casa, a nuovi display, al riconoscimento dei gesti utilizzando lunghezze d'onda del vicino infrarosso.
I ricercatori Riccardo Comin (a sinistra) e Xiwen Gong con il cristallo ibrido incorporato in un primo prototipo di dispositivo. Credito:Marit Mitchell/ U of T Engineering
"Quando provi a mettere insieme due cristalli diversi, spesso formano fasi separate senza fondersi dolcemente l'una nell'altra, " afferma il Dott. Riccardo Comin, un borsista post-dottorato nel Gruppo Sargent. "Abbiamo dovuto progettare una nuova strategia per =convincere questi due componenti a dimenticare le loro differenze e piuttosto mescolarsi per formare un'entità cristallina unica".
La sfida principale consisteva nell'allineare l'orientamento delle due strutture cristalline, chiamato eteroexpitassia. Per ottenere l'eteroepitassia, Gong, Comin e il loro team hanno progettato un modo per collegare le "estremità" atomiche delle due strutture cristalline in modo che si allineassero senza problemi, senza difetti che si formano alle cuciture. "Abbiamo iniziato costruendo un'impalcatura su nanoscala attorno ai punti quantici in soluzione, poi crebbe il cristallo di perovskite attorno a quel guscio in modo che le due facce si allineassero, " ha spiegato il coautore Dr. Zhijun Ning, che ha contribuito al lavoro mentre era borsista post-dottorato presso UofT ed è ora membro di facoltà presso ShanghaiTech.
Il materiale eterogeneo che ne risulta è la base per una nuova famiglia di LED nel vicino infrarosso ad alta efficienza energetica. I LED a infrarossi possono essere sfruttati per una migliore tecnologia di visione notturna, per un migliore imaging biomedico, alle telecomunicazioni ad alta velocità.
Unendo in questo modo i due materiali si risolve anche il problema dell'autoassorbimento, che si verifica quando una sostanza riassorbe in parte lo stesso spettro di energia che emette, con una perdita netta di efficienza. "Questi punti in perovskite non subiscono riassorbimento, perché l'emissione dei punti non si sovrappone allo spettro di assorbimento della perovskite, " spiega Comin.
Gong, Comin e il team hanno deliberatamente progettato il loro materiale per essere compatibile con l'elaborazione della soluzione, quindi potrebbe essere facilmente integrato con i modi più economici e commercialmente pratici di produzione di pellicole e dispositivi solari. Il loro prossimo passo è costruire e testare l'hardware per capitalizzare il concetto che hanno dimostrato con questo lavoro.
"Costruiremo il dispositivo LED e proveremo a battere il record di efficienza energetica riportato in letteratura, "dice Gong.
