ペロブスカイト技術を使ったLEDが照明市場に大変革をもたらす!

照明愛好者が暗闇にいるちょうどその時に、LEDが救いの手を差し伸べてくれます。過去10年の間、LED技術は、耐久性、効率性、長寿命などの特性を提供することで、照明産業を一掃しています。現在プリンストン工学研究者達は、今現在商品棚で見つかるLEDに使われている材料よりもはるかに高効率で、潜在的にずっと低コストの可能性を持った代替物である、ペロブスカイトとして広く世間で知られている、結晶性物質で作られている光源の製造法をさらに洗練することで、新しいLED技術へ続く別の道に光を照らしています。研究者たちは、ナノスケールペロブスカイト粒子が、より高効率で安定した耐久性のあるペロブスカイトLEDを作り出すために自己組織化する技術を開発しています。

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ペロブスカイトの新技術

Self-assembling particles brighten future of LED lighting

1月16日のNature Photonics 誌に掲載されたその進歩が、照明、レーザー、テレビやコンピュータモニタ等の商用アプリケーション分野で、ペロブスカイト技術の利用を促進させてくれるかもしれません。”太陽電池におけるペロブスカイトの性能は、近年目覚ましいものがあり、LEDに対しても前途有望な性質を持っていますが、均一で明るいナノ粒子ペロブスカイト膜を作り出せないことが、それらの可能性を制限しています。” と、プリンストンの電気工学部と Andlinger Center for Energy and the Environment の助教授のバリーランド氏は言いました。

“我々の新しい技術は、こういったナノ粒子が、超微粒子フィルムを作り出すために自己組織化することを可能にしていて、ペロブスカイトLEDを既存技術に対する、より有望な代替物のように見せている製造技術の進歩です。”

ペロブスカイトLED

LEDは、電圧がLEDに渡って印加されると光を発します。光が付くと、電流は電子を負側のダイオードから正側へ追いやります。この事が、光の形でエネルギーを放出します。発光ダイオードは、この電流が、厳密に制御される時に最もうまく機能します。ランド氏のデバイスでは、ナノ粒子薄膜が、ちょうどそうする事を可能にしてくれています。

LEDは、白熱電球に比べて、耐久性、長寿命、より小型なサイズ、エネルギー効率性、低発熱を含む、多くの利点を持っています。それらは室内照明としては、まだ蛍光灯より割高ですが、よりエネルギー効率がよく、点灯が早く、廃棄に関連した環境への懸念がずっと少ないです。ランド氏のチームと他の研究者等は、LED製造に使われている窒化ガリウムや他の材料に対する、より安価な可能性を秘めた代替材料として、ペロブスカイトを研究しています。低価格LEDが、電球と使われることを促進させ、その事が、世帯のエネルギー消費と環境への影響を大きく減少させるはずです。

ペロブスカイト

ペロブスカイトは、元々、1800年中頃にロシアで発見された鉱物で、ロシア人鉱物学者のLev Perovski(レフ・ペロブスキー)氏に敬意を表して名付けられました。ペロブスカイトという用語は、直方体と菱形の独特な組み合わせである、ペロブスキーの鉱物の結晶構造を共有する化合物群の全てに当てはまります。

ペロブスカイトは、数々の魅力的な特性を示し、例えば、それらは、超伝導だったり半導体だったり、それらの構造に依存し、その事が、それらを電気デバイス用途に対して将来有望にしています。近年、それらは、シリコン系太陽電池と同等の効率性を提供する一方で、製造がもっと安価なおかげで、太陽光パネルの分野でシリコンに取って代わる有力な候補としてもてはやされています。

有機-無機ハイブリッドペロブスカイト

有機-無機ハイブリッドペロブスカイト層は、ペロブスカイト前駆物質を金属ハロゲン化物と有機ハロゲン化アンモニウムを含んだ溶液に溶かすことで製造されています。その製造工程は、シリコンや他の物質を用いたLEDの安価な代替物質を提供することを可能にしてくれる、比較的安価で簡単なプロセスです。

しかし、結果としできる半導体膜は、鮮やかな色の光を発してくれますが、その膜の分子構造を形成している結晶は、あまりにも大きく、それらを非効率で不安定にしています。

ハロゲン化ペロブスカイト膜

彼等の新しい論文の中で、ランド氏と彼のチームは、製造過程において、ペロブスカイト溶液に、付加的なハロゲン化有機アンモニウムの一種、特に、長鎖ハロゲン化アンモニウムを使うことで、劇的に膜中の結晶形成を抑制することを報告しています。その結果できた結晶子は、過去の手法を使って生成された結晶子と比べ、はるかに微小(直径約5-10ナノメーター)で、ハロゲン化ペロブスカイト膜は、はるかに薄く滑らかです。

この事が、より良好な外部量子効率をもたらし、LEDが、そのデバイスに入って来る電子の数につき、より多くの光子を放出することを意味しています。また、その膜は、他の方法で製造されたものと比べてより安定しています。

商品化の可能性

ミネソタ大学材料科学工学部教授の、ラッセル・ホルムズ氏は、プリンストンの研究がペロブスカイト系LEDを商品化に近付けていると語っています。

”彼等のペロブスカイト加工制御能力が、高性能デバイスに適した超高速、ナノ結晶薄膜を作り出しました。”と、今回の研究には関わっていないホルムズ氏が言いました。”このエレガントで全般的な製造スキームが、他のペロブスカイト活性材料やデバイスプラットフォームのための幅広いアプリケーションを与えてくれるように思われます。”

近い将来、ペロブスカイトを使った安価な照明器具が発売される可能性があるようです。従来のLEDに比べても、高効率で耐久性に優れ、長寿命、しかも安価なようなので、これが売り出されれば、コンシューマー照明市場は激変すると見られているみたいです。蛍光灯や白色電球、さらに現在のLED電球は全て市場から駆逐され、ペロブスカイトLEDが照明市場を席巻する可能性があるようです。そうなった場合、世界のエネルギー事情までもが変わるほどの、広範囲な影響を与えるだろう事が予測されていて、人類の明るい未来に貢献できるような感じです。ペロブスカイトが人類の未来を変えるくれるらしいです。

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