更亮、更高效的新一代 LED：但斯坦福大学的突破是有代价的

斯坦福大学的研究人员通过调整一种更便宜、更容易制造的发光二极管（perovskite LED）的材料构成，实现了亮度和效率的飞跃--但他们的灯在使用几分钟后就熄灭了。您正在阅读的屏幕之所以能发光，很有可能是得益于发光二极管（俗称 LED）。这种广泛应用的技术提供了节能的室内照明，并越来越多地照亮我们的电脑显示器、电视和智能手机屏幕。遗憾的是，它也需要一个相对费力和昂贵的制造过程。

当研究人员用紫外线照射时，Congreve 实验室中的八块绿色过氧化物发光二极管基板会发光。图片来源：Sebastian Fernández / 斯坦福大学

【资料图】

斯坦福大学对经济高效照明的追求

斯坦福大学的研究人员希望解决这一缺陷，他们测试了一种提高过氧化物发光二极管（或称 PeLED）亮度和效率的方法，PeLED 是一种更便宜、更容易制造的替代品。然而，他们的改进却导致这些灯在几分钟内就熄灭了，这表明要想推动这一类材料的发展，必须仔细权衡利弊。

"我们在理解它为什么会退化方面迈出了一大步。问题是，我们能否找到一种方法，在保持效率的同时减轻这种退化？"本月初发表在《设备》（Device）杂志上的这篇论文的资深作者、电气工程助理教授丹-康格里夫（Dan Congreve）说。"如果我们能做到这一点，我想我们就能真正开始为可行的商业解决方案而努力"。

康格里夫实验室中的八个绿色锰掺杂包晶发光二极管在研究人员通过电流时发光。图片来源：Sebastian Fernández / 斯坦福大学

透镜 LED 的与众不同之处

最简单地说，LED 通过电流穿过半导体（在外加电场作用下发光的晶体材料层）将电能转化为光。但与白炽灯和荧光灯等能效较低的灯相比，制造这些半导体既复杂又昂贵。

康格里夫实验室的博士生、本文第一作者塞巴斯蒂安-费尔南德斯（Sebastian Fernández）说："这些材料很多都生长在昂贵的表面上，比如四英寸的蓝宝石衬底。光是购买这种衬底就需要几百美元。"

PeLED 使用一种被称为金属卤化物包晶的半导体，由不同元素混合组成。工程师可以在玻璃基板上生长过氧化物晶体，从而比普通 LED 节省一大笔费用。他们还可以将透辉石溶解在溶液中，然后将其"涂抹"到玻璃上，形成发光层，这种生产工艺比普通 LED 更简单。

透镜 LED 的应用和局限性

这些优点可以使更多的建筑环境采用节能室内照明，从而减少能源需求。PeLED 还能提高智能手机和电视显示屏的色彩纯度。"绿色更绿，蓝色更蓝，"Congreve 说。"你可以从设备上看到更多的颜色。"

然而，目前大多数 PeLED 在使用几个小时后就会失效。而且它们的能效往往无法与标准 LED 相提并论，这是因为被称为"缺陷"的透辉石原子结构中存在随机间隙。"Congreve解释说："这里应该有一个原子，但却没有。能量进去了，但光却出不来，这就损害了设备的整体效率。"

亮度与寿命

为了缓解这些问题，费尔南德斯采用了康格里夫和密西西比州立大学化学系助理教授马赫什-甘吉谢蒂（Mahesh Gangishetty）首次提出的一项技术。过氧化物中许多浪费能量的空隙都出现在铅原子应该出现的地方。通过用锰原子代替 30% 的透辉石铅（锰原子有助于填补这些空隙），研究小组将 PeLED 的亮度提高了一倍多，效率几乎提高了两倍，寿命也从不到一分钟延长到了 37 分钟。

这项技术还有可能降低健康风险。费尔南德斯说："铅对这种材料的光发射极为重要，但与此同时，众所周知铅是有毒的。铅对这种材料中的光发射极为重要，但同时，铅也是众所周知的有毒物质。"人们对有毒的商业技术持怀疑态度，这也促使我考虑其他材料。"

进一步发展与挑战

但费尔南德斯更进一步，将一种名为 TFPPO 的氧化膦混入了过氧化物中。他说："我加入这种添加剂后，看到效率直线上升。这种添加剂使灯具的能效比只添加了锰的灯具高出五倍，并发出了迄今为止所有 PeLED 灯具中最明亮的光芒。"

但这也带来了一个不利因素：在短短的两分半钟内，这些灯的亮度就褪到了峰值的一半（另一方面，没有经过 TFPPO 处理的过氧化物则是能保持灯的亮度的版本）。

关键词：