Onderzoekers hebben op nanomaterialen gebaseerde white-light-emitting diodes (LED's) aangetoond die een recordlichtefficiëntie van 105 lumen per watt vertonen. Lichtrendement is een maatstaf voor hoe goed een lichtbron stroom gebruikt om licht te genereren. Met verdere ontwikkeling, de nieuwe LED's zouden een efficiëntie van meer dan 200 lumen per watt kunnen bereiken, waardoor ze een veelbelovende energie-efficiënte verlichtingsbron zijn voor woningen, kantoren en televisies.

"Efficiënte LED's hebben een sterk potentieel om energie te besparen en het milieu te beschermen, " zei onderzoeksleider Sedat Nizamoglu, Koç-universiteit, Kalkoen. "Het vervangen van conventionele verlichtingsbronnen door LED's met een efficiëntie van 200 lumen per watt zou het wereldwijde elektriciteitsverbruik voor verlichting met meer dan de helft verminderen. Die vermindering is gelijk aan de elektriciteit die wordt opgewekt door 230 typische kolencentrales van 500 megawatt en zou de uitstoot van broeikasgassen verminderen met 200 miljoen ton."

De onderzoekers beschrijven hoe ze de hoogrenderende witte LED's hebben gemaakt in optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met een hoge impact. De nieuwe LED's maken gebruik van in de handel verkrijgbare blauwe LED's in combinatie met flexibele lenzen die zijn gevuld met een oplossing van halfgeleiderdeeltjes van nanogrootte die quantum dots worden genoemd. Licht van de blauwe LED zorgt ervoor dat de quantum dots groen en rood uitstralen, die in combinatie met de blauwe emissie wit licht creëert.

"Onze nieuwe LED's bereikten een hoger efficiëntieniveau dan andere op kwantumdots gebaseerde witte LED's, " zei Nizamoglu. "De synthese- en fabricagemethoden voor het maken van de kwantumdots en de nieuwe LED's zijn eenvoudig, goedkoop en toepasbaar voor massaproductie."

Voordelen van kwantumstippen

Om wit licht te creëren met de LED's van vandaag, blauw en geel licht worden gecombineerd door een geelachtige coating op basis van fosfor toe te voegen aan blauwe LED's. Omdat fosforen een breed emissiebereik hebben, van blauw naar rood, het is moeilijk om de eigenschappen van het gegenereerde witte licht gevoelig af te stemmen.

In tegenstelling tot fosforen, kwantumstippen genereren pure kleuren omdat ze slechts in een smal deel van het spectrum uitzenden. Deze smalle emissie maakt het mogelijk om hoogwaardig wit licht te creëren met precieze kleurtemperaturen en optische eigenschappen door quantum dots die verschillende kleuren genereren te combineren met een blauwe LED. Quantum dots hebben ook het voordeel dat ze gemakkelijk te maken zijn en de kleur van hun emissie kan gemakkelijk worden veranderd door de grootte van het halfgeleiderdeeltje te vergroten. Bovendien, quantum dots kunnen met voordeel worden gebruikt om warmwitte lichtbronnen zoals gloeilampen of koelwitte bronnen zoals typische fluorescentielampen te genereren door de concentratie van ingebouwde quantum dots te veranderen.

Hoewel kwantumdots ingebed in een film momenteel worden gebruikt in LED-televisies, deze verlichtingsbenadering is niet geschikt voor wijdverbreid gebruik in algemene verlichtingstoepassingen. Door de kwantumstippen in een vloeistof over te brengen, konden de onderzoekers de problematische daling van de efficiëntie overwinnen die optreedt wanneer nanomaterialen worden ingebed in vaste polymeren.

Het maken van efficiënte witte LED's vereist kwantumdots die blauw licht efficiënt omzetten in rood of groen. De onderzoekers voerden meer dan 300 synthesereacties uit om de beste omstandigheden te identificeren, zoals temperatuur en tijd van de reactie, voor het maken van kwantumstippen die in verschillende kleuren uitzenden en tegelijkertijd een optimale efficiëntie vertonen.

"Het creëren van wit licht vereist het integreren van de juiste hoeveelheid kwantumdots, en zelfs als dat lukt, er zijn oneindig veel blauwe, groene en rode combinaties die kunnen leiden tot wit, "Zei Nizamoglu. "We hebben een simulatie ontwikkeld op basis van een theoretische benadering die we onlangs hebben gerapporteerd en hebben deze gebruikt om de juiste hoeveelheden en beste combinaties van kwantumpuntkleuren te bepalen voor een efficiënte opwekking van wit licht."

Om de nieuwe LED's te maken, de onderzoekers vulden de ruimte tussen een polymeerlens en een LED-chip met een oplossing van kwantumstippen die werden gesynthetiseerd door cadmium te mengen, selenium, zink en zwavel bij hoge temperaturen. De onderzoekers gebruikten een soort siliconen om de lens te maken omdat de elasticiteit hen in staat stelde om oplossingen in de lens te injecteren zonder dat er een oplossing uit lekte. en de transparantie van het materiaal zorgde voor de nodige lichttransmissie.

De onderzoekers toonden aan dat hun op vloeistof gebaseerde witte LED's een efficiëntie kunnen bereiken die het dubbele is van die van LED's die kwantumstippen in vaste films bevatten. Ze demonstreerden ook hun witte LED's door ze te gebruiken om een ​​7-inch display te verlichten.

"Quantum dots zijn veelbelovend voor efficiënte verlichtingstoepassingen, " zei Nizamoglu. "Er is nog steeds veel ruimte voor technologische ontwikkeling die een efficiëntere benadering van verlichting zou opleveren."

Als volgende stap, de onderzoekers werken aan het verhogen van de efficiëntie van de leds en willen hoge efficiëntieniveaus bereiken met milieuvriendelijke materialen die cadmium- en loodvrij zijn. Ze zijn ook van plan om de vloeibare LED's onder verschillende omstandigheden te bestuderen om ervoor te zorgen dat ze stabiel zijn voor langdurige toepassing.