Quantum dot hvide LED'er opnår rekordeffektivitet

Forskere har påvist nanomateriale-baserede hvide lysdioder (LED'er), der udviser en rekordlyseffektivitet på 105 lumen pr. watt. Lyseffektivitet er et mål for, hvor godt en lyskilde bruger strøm til at generere lys. Med videreudvikling, de nye LED'er kan nå effektiviteter over 200 lumen pr. watt, gør dem til en lovende energieffektiv belysningskilde til boliger, kontorer og fjernsyn.

"Effektive LED'er har et stort potentiale for at spare energi og beskytte miljøet, " sagde forskningsleder Sedat Nizamoglu, Koç Universitet, Kalkun. "Hvis man udskifter konventionelle belysningskilder med LED'er med en effektivitet på 200 lumen pr. watt, vil det globale forbrug af elektricitet til belysning reduceres med mere end det halve. Den reduktion er lig med den elektricitet, der skabes af 230 typiske 500 megawatt kulværker og ville reducere drivhusgasemissionerne med 200 millioner tons."

Forskerne beskriver, hvordan de skabte de højeffektive hvide LED'er i Optica , The Optical Society's journal for high impact research. De nye lysdioder bruger kommercielt tilgængelige blå lysdioder kombineret med fleksible linser fyldt med en opløsning af halvlederpartikler i nanostørrelse kaldet kvanteprikker. Lys fra den blå LED får kvanteprikkerne til at udsende grønt og rødt, som kombineres med den blå emission for at skabe hvidt lys.

"Vores nye LED'er nåede et højere effektivitetsniveau end andre kvanteprikbaserede hvide LED'er, " sagde Nizamoglu. "Syntese- og fremstillingsmetoderne til fremstilling af kvanteprikker og de nye LED'er er nemme, billig og anvendelig til masseproduktion."

Fordele ved kvanteprikker

For at skabe hvidt lys med nutidens LED'er, blåt og gult lys kombineres ved at tilføje en gullig fosforbaseret belægning til blå lysdioder. Fordi fosfor har et bredt emissionsområde, fra blå til rød, det er vanskeligt at indstille egenskaberne af det genererede hvide lys følsomt.

I modsætning til fosfor, kvanteprikker genererer rene farver, fordi de kun udsender i en smal del af spektret. Denne smalle emission gør det muligt at skabe hvidt lys af høj kvalitet med præcise farvetemperaturer og optiske egenskaber ved at kombinere kvanteprikker, der genererer forskellige farver, med en blå LED. Kvanteprikker har også den fordel, at de er nemme at lave, og farven på deres emission kan nemt ændres ved at øge størrelsen af ​​halvlederpartiklerne. I øvrigt, kvanteprikker kan med fordel bruges til at generere varme hvide lyskilder som glødepærer eller kølige hvide kilder som typiske fluorescerende lamper ved at ændre koncentrationen af ​​indbyggede kvanteprikker.

Selvom kvanteprikker indlejret i en film i øjeblikket bruges i LED-fjernsyn, denne belysningstilgang er ikke egnet til udbredt brug i generelle belysningsapplikationer. Overførsel af kvanteprikkerne i en væske gjorde det muligt for forskerne at overvinde det problematiske fald i effektivitet, der opstår, når nanomaterialer indlejres i faste polymerer.

At lave effektive hvide LED'er kræver kvanteprikker, der effektivt konverterer blåt lys til rødt eller grønt. Forskerne udførte mere end 300 syntesereaktioner for at identificere de bedste betingelser, såsom temperatur og reaktionstid, til fremstilling af kvanteprikker, der udsender i forskellige farver, mens de udviser optimal effektivitet.

"At skabe hvidt lys kræver integration af den passende mængde kvanteprikker, og selvom det er opnået, der er et uendeligt antal blå, grønne og røde kombinationer, der kan føre til hvid, " sagde Nizamoglu. "Vi udviklede en simulering baseret på en teoretisk tilgang, vi for nylig rapporterede og brugte den til at bestemme de passende mængder og bedste kombinationer af kvanteprikkerfarver til effektiv generering af hvidt lys."

For at lave de nye LED'er, forskerne fyldte rummet mellem en polymerlinse og LED-chip med en opløsning af kvanteprikker, der blev syntetiseret ved at blande cadmium, selen, zink og svovl ved høje temperaturer. Forskerne brugte en type silikone til at fremstille linsen, fordi dens elasticitet gjorde det muligt for dem at injicere opløsninger i linsen uden at nogen opløsning lækkede ud, og materialets gennemsigtighed muliggjorde den nødvendige lystransmission.

Forskerne viste, at deres væskebaserede hvide LED'er kunne opnå en effektivitet dobbelt så stor som LED'er, der inkorporerer kvanteprikker i faste film. De demonstrerede også deres hvide LED'er ved at bruge dem til at oplyse en 7-tommer skærm.

"Kvanteprikker lover godt for effektive belysningsapplikationer, " sagde Nizamoglu. "Der er stadig betydelig plads til teknologisk udvikling, der ville generere mere effektive tilgange til belysning."

Som et næste skridt, forskerne arbejder på at øge effektiviteten af ​​lysdioderne og ønsker at nå høje effektivitetsniveauer ved hjælp af miljøvenlige materialer, der er cadmium- og blyfri. De planlægger også at studere de flydende LED'er under forskellige forhold for at sikre, at de er stabile til langtidsanvendelse.