Um aditivo molecular melhora o próximo

Mexer na composição de luzes LED baratas aumentou seu brilho e eficiência, mas as novas luzes duraram apenas alguns minutos.

Escola de Engenharia da Universidade de Stanford

imagem: Oito substratos de LED de perovskita verde no laboratório de Congreve brilham enquanto os pesquisadores direcionam luz ultravioleta sobre eles.Veja mais

Crédito: Sebastian Fernández/Universidade de Stanford

Provavelmente, a tela que você está lendo brilha graças a diodos emissores de luz – comumente conhecidos como LEDs. Esta tecnologia generalizada fornece iluminação interior com eficiência energética e ilumina cada vez mais os monitores dos nossos computadores, TVs e ecrãs de smartphones. Infelizmente, também requer um processo de fabricação relativamente trabalhoso e caro.

Na esperança de resolver esta lacuna, os investigadores de Stanford testaram um método que aumentou o brilho e a eficiência dos LEDs de perovskita, ou PeLEDs, uma alternativa mais barata e mais fácil de fabricar. Suas melhorias, no entanto, fizeram com que as luzes se apagassem em poucos minutos, demonstrando as compensações cuidadosas que devem ser compreendidas para o avanço desta classe de materiais.

“Demos grandes passos para entender por que isso é degradante. A questão é: podemos encontrar uma maneira de mitigar isso e ao mesmo tempo manter a eficiência?” diz Dan Congreve, professor assistente de engenharia elétrica e autor sênior do artigo, publicado em 1º de agosto na Device. “Se conseguirmos fazer isso, acho que poderemos realmente começar a trabalhar em direção a uma solução comercial viável.”

Em termos mais simples, os LEDs transformam energia elétrica em luz ao passar a corrente elétrica através de um semicondutor – camadas de material cristalino que emitem luz com um campo elétrico aplicado. Mas a criação desses semicondutores torna-se complexa e dispendiosa em comparação com lâmpadas menos eficientes em termos energéticos, como incandescentes e fluorescentes.

“Muitos destes materiais são cultivados em superfícies caras, como um substrato de safira de dez centímetros”, diz Sebastian Fernández, estudante de doutoramento no laboratório de Congreve e autor principal do artigo. “Só comprar este substrato custa algumas centenas de dólares.”

Os PeLEDs usam um semicondutor conhecido como perovskitas de iodetos metálicos, composto por uma mistura de diferentes elementos. Os engenheiros podem cultivar cristais de perovskita em substratos de vidro, economizando uma quantia significativa em comparação com LEDs normais. Eles também podem dissolver perovskitas em solução e “pintá-las” no vidro para criar uma camada emissora de luz, um processo de produção mais simples do que o exigido pelos LEDs normais.

Estas vantagens poderiam tornar viável a iluminação interior energeticamente eficiente para uma maior parte do ambiente construído, reduzindo a procura de energia. Os PeLEDs também podem melhorar a pureza das cores dos monitores de smartphones e TV. “O verde é mais verde, o azul é mais azul”, diz Congreve. “Você pode literalmente ver mais cores no dispositivo.”

A maioria dos PeLEDs hoje, entretanto, desaparecem depois de apenas algumas horas. E muitas vezes não correspondem à eficiência energética dos LEDs padrão, devido a lacunas aleatórias na estrutura atômica da perovskita, conhecidas como defeitos. “Deveria haver um átomo aqui, mas não há”, explica Congreve. “A energia entra lá, mas a luz não sai, o que prejudica a eficiência geral do dispositivo.”

Para mitigar esses problemas, Fernández baseou-se em uma técnica lançada por Congreve e Mahesh Gangishetty, professor assistente de química na Universidade Estadual do Mississippi e coautor do artigo. Muitas dessas lacunas que desperdiçam energia nas perovskitas ocorrem onde deveriam estar os átomos de chumbo. Ao substituir 30% do chumbo da perovskita por átomos de manganês, o que ajuda a preencher essas lacunas, a equipe mais que dobrou o brilho dos seus PeLEDs, quase triplicou a eficiência e estendeu a vida útil das luzes de menos de um minuto para 37 minutos.

A técnica também tem o potencial de influenciar os riscos à saúde. “O chumbo é extremamente importante para a emissão de luz neste material, mas, ao mesmo tempo, o chumbo é conhecido por ser tóxico”, diz Fernández. Esse tipo de chumbo também é solúvel em água – o que significa que pode vazar, por exemplo, pela tela quebrada de um smartphone. “As pessoas são céticas em relação à tecnologia comercial que é tóxica, o que também me levou a considerar outros materiais.”