Перовскитные LED: революция света с фокусом на экологию и цену

Стоимость, технические характеристики и воздействие на окружающую среду – вот три ключевых аспекта, от которых зависит широкий коммерческий успех новой технологии светодиодов. Это продемонстрировали исследователи из Университета Линчёпинга в исследовании, опубликованном в Nature Sustainability.

Фэн Гао, профессор оптоэлектроники в Университете Линчёпинга, утверждает, что перовскитные светодиоды дешевле и проще в производстве, чем традиционные, и могут обеспечивать яркие, насыщенные цвета на экранах. Он считает это технологией светодиодов следующего поколения. Однако для технологического сдвига, при котором сегодняшние светодиоды будут заменены аналогами на основе материала перовскит, требуется нечто большее, чем просто техническое превосходство. Поэтому исследовательская группа Фэна Гао сотрудничала с профессором Олофом Хьельмом и доцентом Джоном Лоуренсом Эсгеррой из того же университета, специализирующимися на внедрении на рынок инноваций, способствующих экологической устойчивости.

Совместно они изучили воздействие на окружающую среду и стоимость 18 различных перовскитных светодиодов, поскольку знания в этой области пока неполны. Исследование проводилось с использованием так называемой оценки жизненного цикла и технико-экономической оценки. Такие анализы требуют четкого определения системы – что именно включается и не включается в расчеты стоимости и экологического воздействия. В этих рамках исследуется все, что происходит с продуктом с момента его создания до момента, когда он больше не может использоваться. Жизненный цикл продукта, от «колыбели до могилы», можно разделить на пять фаз: производство сырья, изготовление, дистрибуция, использование и вывод из эксплуатации.

Олоф Хьельм отмечает, что желательно избегать стадии «могилы» продукта, и ситуация усложняется при учете переработки. Однако исследование показывает, что наиболее важно задуматься о повторном использовании органических растворителей и способах производства сырья, особенно если речь идет о редких материалах. Один из примеров, где анализ жизненного цикла дает ориентиры, касается небольшого количества токсичного свинца, содержащегося в перовскитных светодиодах. В настоящее время он необходим для эффективности перовскитов.

Но, по словам Олофа Хьельма, концентрироваться только на свинце – ошибка, так как в светодиодах много и других материалов, например, золото. Он поясняет, что производство золота чрезвычайно токсично, сопровождается выделением побочных продуктов, таких как ртуть и цианид, и к тому же очень энергозатратно. Поэтому наибольший экологический выигрыш был бы достигнут заменой золота медью, алюминием или никелем, при сохранении небольшого количества свинца, необходимого для оптимальной работы светодиода.

Исследователи пришли к выводу, что перовскитные светодиоды обладают большим потенциалом для коммерциализации в долгосрочной перспективе. Возможно, они даже смогут заменить сегодняшние светодиоды благодаря более низкой стоимости и меньшему воздействию на окружающую среду. Главной проблемой остается их долговечность. Однако разработка перовскитных светодиодов ускоряется, и срок их службы увеличивается. Ученые полагают, что для достижения положительного экологического эффекта срок службы должен достичь около 10 000 часов, что, по их мнению, вполне достижимо. Сегодня лучшие перовскитные светодиоды работают сотни часов.

Муйи Чжан, аспирант факультета физики, химии и биологии Университета Линчёпинга, говорит, что до сих пор большая часть исследований была сосредоточена на повышении технических характеристик светодиодов, но он считает, что это изменится. Исследователи стремятся к тому, чтобы их разработки использовались в реальном мире. Но для этого, по его мнению, ученым необходимо расширять свой взгляд: если продукт обладает высокими техническими характеристиками, но дорог и неэкологичен, он может оказаться неконкурентоспособным. Такой подход, по его словам, будет все больше определять направление исследований.