Un point quantique brillant intégré de manière transparente dans une matrice cristalline de pérovskite. Crédit :Sargent Group/ U of T Engineering
C'est l'heure du goûter :vous avez un biscuit aux flocons d'avoine nature, et un tas de pépites de chocolat. Les deux sont délicieux seuls, mais si vous pouvez trouver un moyen de les combiner en douceur, Tu reçois le meilleur des deux mondes.
Des chercheurs du département de génie électrique et informatique Edward S. Rogers Sr. ont utilisé cette idée pour inventer quelque chose de totalement nouveau :ils ont combiné pour la première fois deux matériaux de cellules solaires prometteurs, créer une nouvelle plate-forme pour la technologie LED.
L'équipe a conçu un moyen d'intégrer des nanoparticules fortement luminescentes appelées points quantiques colloïdaux (les pépites de chocolat) dans la pérovskite (le biscuit à l'avoine). Les pérovskites sont une famille de matériaux qui peuvent être facilement fabriqués à partir de solution, et qui permettent aux électrons de se déplacer rapidement à travers eux avec une perte ou une capture minimale par des défauts.
Le travail est publié dans la revue internationale La nature le 15 juillet, 2015.
"C'est une idée assez originale de mélanger ces deux matériaux optoélectroniques, qui gagnent tous les deux en popularité, " dit Xiwen Gong, l'un des auteurs principaux de l'étude et un doctorant travaillant avec le professeur Ted Sargent. « Nous voulions tirer parti des avantages des deux en les combinant de manière transparente dans une matrice à semi-conducteurs. »
Le résultat est un cristal noir qui s'appuie sur la matrice de pérovskite pour « entonnoir » les électrons dans les points quantiques, qui sont extrêmement efficaces pour convertir l'électricité en lumière. Les technologies LED hyper-efficaces pourraient permettre des applications à partir des ampoules LED à lumière visible dans chaque maison, à de nouveaux affichages, à la reconnaissance des gestes à l'aide des longueurs d'onde du proche infrarouge.
Les chercheurs Riccardo Comin (à gauche) et Xiwen Gong avec le cristal hybride incorporé dans un premier prototype de dispositif. Crédit :Marit Mitchell/U of T Engineering
"Lorsque vous essayez de bloquer deux cristaux différents ensemble, ils forment souvent des phases séparées sans se fondre harmonieusement les unes dans les autres, " dit le Dr Riccardo Comin, un stagiaire post-doctoral dans le groupe Sargent. "Nous avons dû concevoir une nouvelle stratégie pour =convaincre ces deux composants d'oublier leurs différences et de se mélanger plutôt pour former une entité cristalline unique."
Le principal défi consistait à aligner l'orientation des deux structures cristallines, appelé hétéroexpitaxie. Pour réaliser l'hétéroépitaxie, Gong, Comin et son équipe ont conçu un moyen de connecter les « extrémités » atomiques des deux structures cristallines afin qu'elles s'alignent en douceur, sans défauts se formant au niveau des coutures. « Nous avons commencé par construire une « coque » d'échafaudage à l'échelle nanométrique autour des points quantiques en solution, puis a fait croître le cristal de pérovskite autour de cette coquille de sorte que les deux faces soient alignées, " a expliqué le co-auteur, le Dr Zhijun Ning, qui a contribué au travail alors qu'il était boursier postdoctoral à l'UofT et est maintenant membre du corps professoral de ShanghaiTech.
Le matériau hétérogène qui en résulte est la base d'une nouvelle famille de LED proche infrarouge à haute efficacité énergétique. Les LED infrarouges peuvent être exploitées pour une technologie de vision nocturne améliorée, à une meilleure imagerie biomédicale, aux télécommunications à haut débit.
La combinaison des deux matériaux de cette manière résout également le problème de l'auto-absorption, qui se produit lorsqu'une substance réabsorbe en partie le même spectre d'énergie qu'elle émet, avec une perte nette d'efficacité. "Ces points dans la pérovskite ne subissent pas de réabsorption, car l'émission des points ne chevauche pas le spectre d'absorption de la pérovskite, " explique Comin.
Gong, Comin et l'équipe ont délibérément conçu leur matériel pour être compatible avec le traitement des solutions, il pourrait donc être facilement intégré aux moyens les plus économiques et les plus pratiques sur le plan commercial de fabriquer des films et des dispositifs solaires. Leur prochaine étape consiste à construire et tester le matériel pour capitaliser sur le concept qu'ils ont prouvé avec ce travail.
"Nous allons construire le dispositif LED et essayer de battre le record d'efficacité énergétique rapporté dans la littérature, " dit Gong.
