Svenskarna har skapat effektivt ljus utan problematisk metall

2019-12-02 07:00  
Petter Lundberg, doktorand i Opeg. Foto: Mattias Pettersson

Dagens mest effektiva ljusemitterande elektrokemiska celler innehåller ofta sällsynta ädelmetaller, som är dyra och negativa för miljön. Men nu har Umeå universitet visat att det går att slopa de problematiska materialen utan att tumma på effektiviteten hos LEC:er.

Oled-tekniken har tagit sig ut på marknaden. Genom vakuumförångning deponeras filmer med nanometerprecision för att bilda komplexa multilagerstrukturer. Metoden innebär att man i detalj kan designa oleds för optimal prestanda. Men tekniken är komplicerad och kräver en extremt ren miljö, vilket gör produktionen dyr.

En alternativ organisk ljuskälla med stor potential är ljusemitterande elektrokemiska celler, så kallade LEC:er. Liksom oled består de av ett mycket tunt aktivt material av organiska halvledare mellan två elektroder, och hela ytan lyser upp när en ström går genom det tunna lagret.

Men LEC:er skiljer sig bland annat åt genom tillverkningsmetoden, där den relativt enkla komponentstrukturen vanligtvis består av ett lager. Det gör att tekniken lämpar sig för billig och uppskalningsbar tillverkning, ungefär som tidningar i en tryckpress.

Läs mer: Uppgifter: Jordartsmetaller återvinns inte

Ett problem hos LEC:er (i likhet med oled) är att dagens mest effektiva komponenter innehåller sällsynta ädelmetaller, exempelvis iridium. Men nu har forskargruppen Opeg (the Organic Photonics and Electronics Group) vid Umeå universitet vässat tekniken så att man kan nå hög effektivitet utan sällsynta metaller.

– Att man kan överge de här ädelmetallerna innebär mindre miljöpåverkan. Det här är ett stort steg mot effektiva ljuskällor som är billiga och miljövänliga, säger Petter Lundberg, doktorand i Opeg till Ny Teknik.

”Vi bland de ledande på forskningsområdet”

Även om LEC:er har en till synes enkel komponentstruktur pågår en komplicerad dynamik inuti det aktiva materialet. För att skapa ljus effektivt måste det invecklade samspelet mellan organiska halvledare och rörliga joner balanseras. Och effektiviteten beror till stor del på den nanoskopiska omgivningen. Nu har man lyckats förbättra prestandan, vilket bekräftar Umeås framskjutna ställning internationellt.

– Just när det gäller LEC:er är vi bland de ledande på forskningsområdet. Vårt fokus är att jobba på förståelsen och optimeringen av LEC, inte att syntetisera material. Där förlitar vi oss på diverse samarbeten. I den här studien har vi samarbetat med en grupp från Kyushu universitet som är världsledande inom materialdesign för att karakterisera våra komponenter, säger han.

I den studie som de nu presenterar har teamet jobbat med ett så kallat värd/gäst-system. Värden, som utgör majoriteten av komponenten, används för balanserad elektrokemisk dopning och elektronisk transport men även för att sprida ut/fördela gästen, som är det ljus-emitterande materialet.

I effektiva LEC:er (och många andra ljuskällor) är det just det ljusemitterande materialet som innehåller sällsynta ädelmetaller. De ger en hög intern effektivitet då de har möjligheten att komma åt samtliga elektriskt genererade excitoner även de som kallas kvantmekaniskt förbjudna.

Läs mer: ”Ny lagstiftning krävs för hållbar utvinning av kritiska metaller”

Nu har forskarna ersatt de problematiska metallbaserade emitterarna med en ny grupp av helt organiska emitterare, som istället använder så kallad termiskt aktiverad fördröjd flourescens (TADF). Processen ger också tillgång till samtliga elektriskt genererade excitoner och kan alltså matcha effektiviteten hos de sällsynta jordartsmetallbaserade.

Trots att TADF-emitterare har visat lovande resultat i sofistikerade oleds har de tidigare inte varit särskilt effektiva i LEC:er. Men forskarna har optimerat det aktiva materialet, som är uteslutande organiskt, och visat på att TADF-emitterare kan vara effektiva även i LEC:er.

Arbetet är ett steg mot billigare och mer miljövänliga ljuskällor. Studien publiceras i Nature Communications.

John Edgren

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt