Un additif moléculaire améliore ensuite

Bricoler des lampes LED bon marché a amélioré leur luminosité et leur efficacité, mais les nouvelles lumières n'ont duré que quelques minutes.

École d'ingénierie de l'Université de Stanford

image : Huit substrats de LED en pérovskite verte dans le laboratoire de Congreve brillent lorsque les chercheurs les éclairent avec une lumière ultraviolette.Voir plus

Crédit : Sebastian Fernández / Université de Stanford

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.

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 le 1er août dans Device. « Si nous y parvenons, je pense que nous pouvons vraiment commencer à travailler vers une solution commerciale viable. »

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 la création de ces semi-conducteurs devient complexe et coûteuse 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.

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 y entre, mais la lumière n'en sort pas, ce qui nuit à l'efficacité globale de l'appareil."

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."