Grüne LEDs für effiziente Beleuchtung

Ein neuer Ansatz zur Herstellung von Leuchtdioden (LEDs) könnte deren Effizienz um 20 Prozent steigern und gleichzeitig eine höhere Lichtqualität als herkömmliche LEDs liefern. Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden, Colorado, haben den Ansatz demonstriert, indem sie eine gelb-grüne LED hergestellt haben, die bald mit anderen farbigen LEDs kombiniert werden könnte, um weißes Licht zu erzeugen. Die neue LED könnte dazu beitragen, aktuelle, ineffiziente Methoden zur Erzeugung von weißem Licht zu ersetzen.

Grünes Licht : Diese Gallium-Indium-Phosphid-LED wurde von Forschern des National Renewable Energy Laboratory hergestellt.

LEDs, Geräte, die Photonen emittieren, wenn eine elektrische Ladung an sie angelegt wird, sind effizienter und halten länger als Glühbirnen. Durch Variation der Zusammensetzung der Halbleiter-LEDs können Materialwissenschaftler die Geräte dazu bringen, verschiedene Farben zu emittieren. Um weißes Licht zu erzeugen, müssen mindestens Rot, Blau und Grün kombiniert werden, aber bisher sind nur rot- und blaulichtemittierende Dioden gut entwickelt. Um grünes Licht zu erzeugen, tragen LED-Hersteller typischerweise ein oder mehrere Phosphormaterialien auf blaue LEDs auf. Die Phosphore wandeln hochenergetisches blaues Spektrum in Licht mit niedrigerer Energie um durch einen Prozess, der die Gesamtleuchtkraft um ungefähr 20 Prozent reduziert.



Um diesen Effizienzverlust zu eliminieren, haben Forscher versucht, effiziente grüne LEDs zu entwickeln, die ohne Leuchtstoffe auskommen. Ein großer Stolperstein ist jedoch, dass die verschiedenen bekannten Halbleitermaterialien, die kombiniert werden können, um grünes Licht zu emittieren, typischerweise Indium und Galliumnitrid, unterschiedlich große Kristallgitterstrukturen aufweisen. Damit Halbleiter effizient arbeiten, muss jede Schicht des Bauelements eine ähnlich große Gitterstruktur aufweisen wie die Schicht darüber oder darunter.

Um die Gittergrößen-Fehlanpassung zu umgehen, verwendeten die NREL-Forscher ein Herstellungsverfahren, das sie zuvor für den Bau hocheffizienter Mehrfachsolarzellen entwickelt hatten. Ihr Verfahren beruht auf der Verwendung zusätzlicher Schichten aus anderen halbleitenden Materialien mit Gitterstrukturen mittlerer Größe, die die Lücke zwischen den unterschiedlich großen Halbleitern überbrücken. Versucht man es auf einmal, ist das Ganze defekt, sagt Angelo Mascarenhas , Teamleiter für Festkörperspektroskopie im Center for Basic Sciences am NREL. Sie müssen eine Abfolge von Ebenen schrittweise wachsen lassen.

Mascarenhas und Kollegen wendeten dieselben Konzepte auf LEDs an und kombinierten Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid und Gallium-Arsenid, zwei gut entwickelte Halbleitermaterialien, die gelbgrün ergaben. Wenn sie nun eine blau-grüne LED entwickeln können, können sie die beiden fast grünen Dioden mit bestehenden roten und blauen LEDs kombinieren, die hochwertiges weißes Licht mit einem Farbwiedergabeindex (CRI) über 90 liefern würden. Das wäre viel besser als die Bewertungen in den 70er Jahren, die herkömmliche LEDs normalerweise bekommen. (Sonnenlicht ist der Standard mit einem CRI von 100.)

Eugene Fitzgerald , ein Professor für Materialwissenschaften und -technik am MIT, sagt jedoch, dass die Entwicklung einer hocheffizienten blaugrünen LED viel schwieriger sei als die der gerade gebildeten gelbgrünen LED. Gelbgrüne LEDs verwenden Arsenidphosphide, Materialien, die für die Verwendung als LEDs viel weiter entwickelt sind als nitridbasierte Dioden, die für die blaugrüne Lichtemission erforderlich sind. Die Materialwissenschaft auf der Nitridseite sei für die Massenproduktion noch recht primitiv, während sich Arsenid-Phosphid-Dioden sehr gut skalieren lassen, sagt er.

Fitzgerald hat vor einigen Jahren eine gelbgrüne LED mit Schichttechniken entwickelt, die denen ähnlich sind, die kürzlich am NREL verwendet wurden. Er versucht nun, Arsenid-Phosphide weiter voranzutreiben, um eine rein grüne LED für ein dreifarbiges Licht zu erhalten, anstatt den vierfarbigen Ansatz zu verfolgen, den Mascarenhas und Kollegen verfolgen.

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