JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi. Perovskit: Supermaterialet för solceller och lysdioder

Billiga ämnen i kombination med en enkel och energisnål tillverkningsprocess har gjort perovskit till ett lovande material för optokomponenter. I Linköping finns en forskargrupp som bland annat utvecklar lysdioder med blått ljus i det nya supermaterialet.

Perovskiter

är en grupp material med samma kubiska kristallstruktur som kalciumtitanoxid (CaTiO3). Namnet kommer från den ryska 1800-talsmineralogen Lev Perovski.

I Linköping finns en grupp med cirka 40 forskare varav två tredjedelar arbetar med olika optiska tillämpningar för perovskiter. Fokus ligger på metallhalidpeorvskiter som är en undergrupp vars egenskaper passar för optoelektroniska tillämpningar som solceller, lysdioder och fotodetektorer.

Metallhalidpeorvskiter absorberar och avger ljus bättre än kisel plus att laddningstransporten är bra. Dessutom är de mindre känsliga för defekter som uppstår under tillverkningen än klassiska halvledarmaterial.

Som grädde på moset är de ingående grundämnena förhållandevis billiga plus att tillverkningen går att göra med enkla och energisnåla metoder.

– Det är lite av en fattigmanshalvledare, billig att tillverka och ganska tålig för de smutsiga metoder vi använder, säger Max Karlsson som är doktorand i Linköping på institutionen för Fysik, kemi och biologi.

Att materialet är intressant för optokomponenter hänger samman med att det i princip bara är att lägga på en ström så kommer det ut fotoner. Även det omvända gäller, skickar man in fotoner får man ut en ström.

Materialet liknar därmed galliumarsenid mer än kisel.

De första forskningsresultaten på perovskiter för solcellstilllämpningar publicerades runt 2009 och redan 2014 tillverkades den första lysdioden som fungerade i rumstemperatur.

– Halida perovskiter kan lysa i hela det synliga ljusspektrumet. Färgen justeras genom att använda olika sammansättningar av halogener i kristallstrukturen.

För att få rött ljus används framförallt jod, för att få grönt är det brom medan klor ger blått ljus eller UV-ljus.

– Tyvärr blir blått ljus grönt under användning på grund av instabilitet i materialet men vi har hittat en metod som förhindrar färgskiftningen genom att kontrollera kristalliseringen under tillverkningen av perovskiten. Upptäckten banar väg för stabila perovskiter både för lysdioder och även solceller, säger Max Karlsson.

Resultatet publicerades för ett år sedan och visade på 11 till 12 procents effektivitet, knappt hälften jämfört med röda och gröna lysdioder.

Det forskarna i Linköping gjorde var att kontrollera kristallationsprocessen bättre genom att hålla ämnena lite fuktig medan de växer. Därmed blev lagret homogenare.

Max Karlsson

– Vi har löst ett av problemen, att hålla dem blå, men vi har inte löst det här med livslängden än, säger Max Karlsson.

För röda och gröna lysdioder är man uppe i ett hundratal timmar. För blå är det endast en forskargrupp som rapporterat tiotals timmar. Oftast räknas livslängden i minuter vilket är långt från de 10 000 eller 100 000 timmar som krävs för en kommersiell produkt.

– Nu sysslar vi främst med att förstå vad det finns för mekanismer som bryter ned dioderna under användning. När man förstått det kan man hitta sätt att motverka det.

För även om materialen är okänsliga för de defekter i kristallstrukturen som uppstår under tillverkningen finns det joner i materialen som rör sig när man lägger på en spänning, vilket kan förstöra skikten i sig eller kontakterna.

Däremot är det inget problem att slå av och på dioderna snabbt, som i en skärm eller när man dimmar belysningen.

– Vår forskargrupp använde exakt samma struktur och enhet för att sända ut ljus och detektera det. Vi kom upp i megahertz, vilket har potential att lätt förbättras genom att göra dioderna mindre till exempel.

Effektiviteten hos röda och gröna lysdioder i perovskit är över 25 procent utan att man tar till en massa ingenjörsmässiga knep för att leda ut ljuset, så kallad outcoupling. Gör man även det går det troligen att nå upp i 80 till 90 procent vilket innebär att de nästan kan konkurrera med organiska lysdioder (OLED) effektivitetsmässigt.

– Blå ligger lite efter, det är klurigare att tillverka. Vår är den näst mest effektiva som visats, säger Max Karlsson.

I jämförelse med OLED är ljuset från en perovskitdiod betydligt smalbandigare. Det passar därför bra för den nya industristandarden REC 2020 som utökar antalet färger som kan visas på bildskärmar.

– De har potential för att bli väldigt bra, antingen som färg­filter eller att driva dem direkt som vi gör.

Trots utmaningarna finns ett antal uppstartsföretag som försöker kommersialisera perovskiter. Det handlar framförallt om solcellstillämpningar. De ligger längre fram eftersom spänningarna inte blir lika höga som i lysdioder. Skikten är dessutom mycket tjockare, vilket gör att livslängden är uppe i tiotusentals timmar, det vill säga några år.

– Det finns ett antal pilot­an­läggningar och ett antal start-ups.

Artikeln är tidigare publicerad i magasinet Elektroniktidningen.
Prenumerera kostnadsfritt!

Förutom brittiska Oxford PV arbetar även Uppsalaföretaget Evolar på att kommersialisera tekniken. Produkterna förväntas vara i paritet med kiselsolceller när det handlar om verkningsgrad, men billigare att tillverka.

En annan möjlig tillämpning som kan vara inom räckhåll är att använda perovskiter som färgfilter, ungefär som i QLED-skärmar.

Foto ingressbilden: Thor Balkhed/Linköpings universitet

Enkel och billig process

Det behövs inga reaktorer eller andra dyra maskiner för att tillverka perovskitkomponenter. Det räcker med att lösa upp ämnena i ett organiskt lösningsmedel och sedan deponera dem för att skapa de tunna skikt som bygger upp komponenterna.

ABX3

Den kemiska formeln för en metallhallidperovskit är ABX3 där A står för en organisk molekyl eller cesium. B är allt som oftast bly men det går också att använda tenn och i viss mån germanium. X3 är halogenerna, exempelvis jod, brom eller klor.

Blyperovskiterna har extremt bra optiska egenskaper men utgör samtidigt den största nackdelen med materialet. Bly är som bekant ett ämne som EU lyckats fasa ut från elektroniktillverkningen och inte vill få in i nya produkter.

– Det är ett problem man måste ta hänsyn till. Kanske kan man kapsla in det på ett bra sätt och ha redundans om de spricker så kanske man kan använda dem ändå, säger Max Karlsson.

Ett annat alternativ är att använda tenn även om det är känsligare för syre eller använda ett tredje ämne.

Rent praktiskt utgår forskarna från ett glassubstrat belagt med en tunn film av indiumtennoxid. Filmen är ledande och dessutom transparent. Den släpper igenom fotonerna oberoende om de ska in (som i en solcell) eller ut (som i en lysdiod).

Substratet placeras i en spinner, en maskin som snurrar mycket snabbt, och sedan tillförs olika kemikalier för varje skikt som ska byggs upp. Därefter värms skivan upp till mellan 80 och 150 grader för att skapa kristalliseringen. Slutligen förångar man ett tunt lager av guld, silver eller aluminium på toppen för att skapa den andra kontakten.

Processen är energisnål. Den kan göras i rumstemperatur – bortsett från kristalliseringen – och ställer inte särskilt höga krav på renheten vid tillverkningen. Ett enstaka fel i kristallstrukturen är inte lika fatalt som i klassiska halvledarprocesser där det räcker med att en atom av en miljard hamnar fel för att kretsen inte ska fungera.

Dock går det inte att göra tillverkningen i vanlig luft eftersom den är känslig för fukt. Istället används kvävgas i utrustningen.

Metoden med att spinna på skikten resulterar i en enda komponent per skiva vilket inte har någon betydelse för forskarna. Den dag tekniken ska skalas upp är det rimligt att anta att det går att använda samma metoder för dagens OLED-komponenter, där förångas materialen och man använder olika masker för att skapa komponenterna.

Återvinning är visserligen inget forskningsområde för Linköping med Max Karlsson ser en intressant möjlighet:

– De skulle kunna vara ganska enkla att återvinna. Egentligen är det bara att lösa upp dem igen om det finns metoder för att separera materialen sedan.

MER LÄSNING:
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus