Kararlı Perovskit LED’ler Bir Adım Daha Yakın

01 Haziran 2020

Özellikle Post-Korona döneminde, ülkelerin enerji ve çevre konusundaki yaklaşım ve uygulamaları, yenilenebilir enerji ve fosil yakıt dengesini yakından etkileyecek. Daha fazla yenilenebilir enerji kullanımı sonucu karbon emisyonlarında daha fazla bir düşüş görülebilir [1]. Bu durum yenilenebilir enerjiye talebi zamanla artıracaktır. Yenilenebilir enerji deyince aklımıza ilk gelen örnek nedir? Güneş enerjisi ve güneş panelleri…

Güneş panellerinde kullanılan güneş hücreleri son yıllarda perovskit teknoloji ile donatılmaktadır. Bu uygulama üzerine yüzlerce çalışma yapılmış ve yapılmaya devam etmektedir. Hazır “yenilenebilir enerji”, “güneş hücreleri” demişken, bir de ışık teknolojisinde perovskitlere, daha yeni yeni filizlenmekte olan başarılara doğru yolculuk yapmaya ne dersiniz?

Perovskit ile başlayalım… Perovskit, kimyasal formülü CaTiO3 olan bir kalsiyum titanyum oksit mineralidir. Mineral, ilk kez 1839’da Gustav Rose tarafından Ural Dağları’nda bulundu ve adını Rus Mineralog Lev Perovski’den (1792-1856) aldı. Perovskit ve perovskit yapı terimi genellikle birbirinin yerine kullanılır. Ancak gerçek perovskit (mineral) CaTiO3 formunda kalsiyum, titanyum ve oksijenden oluşurken, perovskit yapı, perovskit minerali ile aynı kristalografik yapıya sahip ve genel formu ABX3 olan herhangi bir molekül olabilir.

Bir perovskit yapıyı tanımlamanın en basit yolu, köşelerde titanyum atomları (pembe), kenarların orta noktalarındaoksijen atomları (sarı) ve merkezde bir kalsiyum atomu (mavi) olan kübik bir birim hücredir.

Yapıda hangi atomların/moleküllerin kullanıldığına bağlı olarak, perovskitler, “devasa manyetorezistans” dahil olmak üzere, etkileyici bir dizi ilginç özelliğe sahiptirler. Örneğin, manyetik bir alana konulduklarında elektriksel dirençleri değişir (mikroelektronik için yararlı olabilir). Bazı Perovskitler süperiletkenlerdir, yani hiç direnç göstermeden elektrik iletebilirler. Ferroelektriklik, yük sıralaması, spin bağımlı taşıma, yüksek termogüç, yapısal, manyetik ve taşıma özelliklerinin etkileşimi bu ailede yaygın olarak görülen özelliklerdir. Perovskit malzemeler fizikçiler, kimyagerler ve malzeme bilimcileri için heyecan verici uygulama alanlarına sahiptir [2].

Perovskite fotovoltaiklerin geniş bir bant enerji aralığı vardır. Bu özellik, onları düşük bant aralıklı fotovoltaik teknolojiyle eşleştirme fırsatı sunar. Elde edilen yeni teknoloji, enerji verimliliğinin artmasına olanak verir. Böylece perovskitler, sistem maliyetlerinin verimliliklere bağlı olduğu oldukça rekabetçi bir pazarda çok önemli bir yer alacaktır.

LED Nedir?

Bir ışık yayan diyot (LED), iki ucu olan, yarı iletken özellik gösteren ve ışık kaynağı olarak da nitelendirilebilen elektronik bir bileşendir. Sisteme gerilim uygulandığında, ışık yayabilen p-n tipi bağlantı diyotudur. Uygulanan gerilimle elektronlar, cihaz içierisindeki elektron boşlukları ile birleşir ve foton olarak enerji yayımlar. Bu etkiye elektrolüminesans denir ve ışığın rengi seçilen yarıiletkenin band enerji aralığı ile belirlenir.

LED’lerin akkor ışık kaynaklarına göre avantajları arasında daha düşük enerji tüketimi, daha uzun kullanım ömrü, gelişmiş fiziksel sağlamlık, daha küçük boyut ve daha hızlı anahtarlama sayılabilir. LED’ler, havacılık ve otomotiv endüstrilerindeki çeşitli uygulamaların yanı sıra reklam, trafik sinyalleri, kamera flaşları ve çok daha fazlasında bulunur.

Perovskitler LED’ler için Ne Yapabilir?

Mevcut yüksek kaliteli LED’ler doğrudan bant aralıklı yarı iletkenlerdir. Ancak bu cihazları inşa etmek kolay bir iş değildir, çünkü yüksek sıcaklıklarda ve vakumda işlenmeleri gerekir. Bu durum, büyük miktarlarda LED üretmeyi oldukça pahalı hale getirir. Doğrudan band aralıklı yarı iletkenlerden biri de Perovskitlerdir. Bu malzemeler, renkli ekranlar gibi uygulamalar için diğer doğrudan band aralıklı malzeme türlerine gerçek bir alternatiftirler. Perovskitler ucuz ve işlenmesi kolaydır.

Araştırmacılar, organometal halojenür bazlı perovskitlerin (katı halde perovskit kristal yapısına yerleştirilen kurşun, organik ve halojenlerin bir kombinasyonu) opto-elektronik cihazları geliştirmek için uygun olabileceğini rapor etmişlerdir, çünkü çözelti içinde işlenebilirler ve yüksek sıcaklıklara ısıtılmalarına gerek yoktur. Bu bir avantajdır ve malzemelerin geniş alanlı esnek veya sert yüzeyler üzerine birikebileceği ve böylelikle istenen filmlerin elde edilebileceği anlamına gelir. Perovskitlerin bir diğer özelliği de görünür ve kızılötesi bölgelerde ayarlanabilen bir optik bant aralığının olması ve bu özelliğin onları bir dizi optoelektronik uygulama için umut veren malzemeler olarak göstermesidir. Perovskitlerin güçlü ışık yaymaları onları LED uygulamalarında kullanmak için çok uygun hale getirir. Perovskitlerin yaydığı ışığın renginin kolayca ayarlanabilmesi, onları renkli ekranlar, aydınlatma ve optik iletişim uygulamalarında ideal moleküller haline getirebilmektedir.

Bununla birlikte, LED tipi cihazlarda kullanılmak için perovskitlerin üstesinden gelmesi gereken büyük bir engel, elektronların ve deliklerin perovskit ince filmlerde sadece zayıf bir şekilde bağlanmasıdır. Bu, eksitonların, toplu rekombinasyon katmanında kendiliğinden serbest taşıyıcılara ayrıldığı, düşük fotolüminesans kuantum verimliliği, yüksek kaçak akım ve düşük ışık verimliliğine yol açtığı anlamına gelir.

Bu açıkça, perovskitlerin yüksek performanslı LED’ler oluşturma yeteneğini bozar ve perovskit malzemelerin ışık emisyonunda karşılaştırılabilir bir etki yapması için, yavaş radyasyon rekombinasyon kinetiklerinin üstesinden gelmek gerekir.

Basitçe söylemek gerekirse, araştırmacılar perovskitteki elektronları ve delikleri etkili bir şekilde sınırlamanın yollarını bulmak zorunda kalacaklar, böylece ışık yayımını sağlamak için bu ikiliyi (perovskit ve LED) yeniden birleştirebilirler. Bu alanda zaten büyük ilerleme kaydedilmekte ve perovskitlerin gerçekten de LED teknolojisini geliştirme için düşük maliyetli, renk ayarlı bir yaklaşıma kapı açacağı görülüyor.

Linköping Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, İngiltere, Çin ve Çek Cumhuriyeti’ndeki meslektaşları ile birlikte hem yüksek verimlilik hem de uzun operasyonel kararlılığa sahip bir perovskit ışık yayan diyot (LED) geliştirdiler. Sonuç Nature Communications’da yayınlandı. Linköping Üniversitesi Biyomoleküler ve Organik Elektronik Bölümü araştırma başkanı Profesör Feng Gao, “Perovskitler tabanlı ışık yayan diyotlar hala pratik kullanım için yeterince kararlı değil, ancak onları bir adım daha yaklaştırdık.” diyor.

Çoğu ilerleme, güneş hücrelerinde perovskitlerin kullanımı ile ilgili araştırmalarda kaydedilmiştir, ancak aynı zamanda LED’lerin üretimi için de uygundur.

Işık olarak yayılan malzemeye giren yük taşıyıcılarının fraksiyonunu ölçen LED’lerin verimliliği son yıllarda önemli ölçüde artmış ve yakında birçok teknolojiyle yarışacaktır. Bununla birlikte, kararlı olmamalarından ötürü şimdiye kadar pratikte de kullanılamadılar. Biyomoleküler ve Organik Elektronik Bölümü Araştırma Görevlisi Xiao-Ke LiU, “Yapılması gereken çok şey var. Şimdiye kadar, perovskit LED’lerin çoğu ya düşük verim ya da zayıf cihaz kararlılığına sahipti.” Liu ve Gao makalenin baş yazarlarıdır.

Birçok araştırma grubu bu ikilem üzerinde özel bir başarı olmadan çalıştı. Şimdi, İngiltere, Çin ve Çek Cumhuriyeti’ndeki meslektaşları ile birlikte çalışan LiU’daki araştırmacılar, farklı bir yol buldu. Kurşun, iyot ve organik bir madde olan formamidiniumdan oluşan bir perovskit kullandılar. Daha sonra kompozit ince bir film oluşturmak için perovskiti organik bir molekül matrisine yerleştirdiler.

Biyomoleküler ve Organik Elektronik Bölümü doktora öğrencisi Heyong Wang, “Molekülün uçlarında bulunan iki amino grubu, diğer maddeler ile kristali stabil hale getiren yüksek kaliteli bir kristal yapı oluşturmasına yardımcı oluyor. Bu perovskitlerin karakteristik bir özelliğidir “ diyor.

Yeni kompozit ince film, araştırma grubunun yaklaşık %100 uzun yarı ömürlü %17.3 verimlilikle LED’ler geliştirmesini sağladı. Bu yeni çalışmaya göre, kurşun, halojen ve iyot içeren perovskitler, en iyi ışık yayan özelliklere sahiptir.

“Biz kurşundan kurtulmak istiyoruz. Şimdiye kadar bunu yapmanın iyi bir yolunu bulamadık, ama bunun için çok çalışıyoruz” diyor Feng Gao. Bu araştırmacıların çalışmalarında bundan sonraki adımları, yeni perovskitler ve organik moleküllerin kombinasyonlarını test etmek, çekirdeklenme ve kristalizasyon işlemlerinin nasıl gerçekleştiğini ayrıntılı olarak anlamak [3-4-5].

LED ve OLED teknolojisinde beyaz ışığı elde etmek çok değerlidir. Son yıllarda ışık teknolojisi için çalışan, fizikçi, kimyager ve malzeme bilimcileri, beyaz ışığı elde etmek için birçok çalışma yaptılar ve yapmaya devam etmekteler. Perovskitlerin farklı dalga boylarında ışık verebilme özelliği beyaz ışık LED’lerinin elde edilmesi için uzun vadeli ancak varılmaya değer bir hedeftir.

LED

Kaynakça

1. https://www.iklimhaber.org/ 2. https://www.perovskite-info.com/ 3. https://phys.org/ Abdelkader M. M. ve Gamal W. M., “Some aspects of dimensionality and phase transitions of organic–inorganic hybrid perovskite (n-C14H29NH3)2ZnCl4”, Appl. Phys. A, 2017, 123,153
4. Abdelkader M. M. ve Gamal W. M., “Some aspects of dimensionality and phase transitions of organic– inorganic hybrid perovskite (n-C14H29NH3)2ZnCl4”, Appl. Phys. A, 2017, 123,153
5. Liu X.-K., Gao F. ve arkadaşları, ”Perovskite-molecule composite thin films for efficient and stable lightemitting diodes”, Nature Communications, 2020, 11, 891 * Fotoğraf ve resimler, https://www.ensonhaber.com/, 2. Referans ve Science in HD on Unsplash’dan alınmıştır.

 

Dr. Öğretim Üyesi Sultan Funda Görkem

Eskişehir Teknik Üniversitesi

Fen Fakültesi

Kimya Bölümü