Die absolute interne Quanteneffizienz (IQE) von auf Indiumgalliumnitrid (InGaN) basierenden blauen Leuchtdioden (LEDs) bei niedrigen Temperaturen wird oft mit 100 % angenommen. Eine neue Studie von Forschern der University of Illinois Urbana-Champaign Electrical and Computer Engineering hat jedoch herausgefunden, dass die Annahme eines immer perfekten IQE falsch ist: Der IQE einer LED kann nur 27,5 % betragen.
Das neue Forschung wurde kürzlich veröffentlicht in Briefe zur Angewandten Physik.
Wie ECE-Assoziierter Professor Can Bayram es ausdrückt, sind LEDs die ultimative Lichtquelle. Seit ihrer Erfindung erfreuen sie sich aufgrund ihrer Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit immer größerer Beliebtheit.
Eine LED ist ein Halbleiter, der Licht aussendet, wenn Strom durch das Gerät fließt. Es erzeugt Photonen durch die Rekombination von Elektronen und Löchern (Trägern) und setzt dabei Energie in Form von Photonen frei. Die Farbe des emittierten Lichts entspricht der Energie des Photons.
InGaN-basierte blaue LEDs ermöglichen eine helle und energiesparende weiße Beleuchtung. Der Übergang zu Festkörperbeleuchtungsquellen hat den Energiebedarf und die Treibhausgasemissionen erheblich reduziert, doch sind kontinuierliche Effizienzverbesserungen erforderlich, um die Energieeinsparziele langfristig zu erreichen. Der Fahrplan des US-Energieministeriums für 2035 sieht eine Steigerung der Effizienz blauer LEDs von 70 % auf 90 % und weitere Energieeinsparungen um 450 Terawattstunden (TWh) sowie CO2-Emissionseinsparungen um 150 Millionen Tonnen vor.
Bayram sagt: „Die Frage ist, wie können wir diese ultimative Lichtquelle weiter vorantreiben? Die Antwort liegt darin, ihre absolute Effizienz zu verstehen, nicht ihre relative Effizienz.“ Die relative Effizienz misst ein Gerät mit sich selbst, während die absolute Effizienz einen Vergleich zwischen verschiedenen Geräten ermöglicht, indem die Effizienz auf einer gemeinsamen Skala gemessen wird.
IQE ist definiert als das Verhältnis der erzeugten Photonen zu den injizierten Elektronen im aktiven Bereich des Halbleiters und ist eine wichtige Messgröße zur Quantifizierung der Leistung von LEDs. Die am weitesten verbreitete Methode zur Quantifizierung des IQE ist die temperaturabhängige Photolumineszenz. Bei solchen Analysen wurde davon ausgegangen, dass bei niedrigen Temperaturen (4, 10 oder sogar 77 Kelvin) eine 100-prozentige Strahlungsrekombination stattfindet, also ein Photon erzeugt wird. Bei Raumtemperatur ist der Wirkungsgrad aufgrund nichtstrahlender Mechanismen, die überschüssige Energie als Wärme und nicht als Photonen abgeben, deutlich geringer. Das Verhältnis der beiden Photolumineszenzintensitäten ergibt einen relativen Wirkungsgrad der LED.
Die ursprüngliche Annahme war, dass es bei niedrigen Temperaturen keine strahlungslose Rekombination gibt – alle Verlustmechanismen sind „eingefroren“. Bayram und der Doktorand Yu-Chieh Chiu behaupten jedoch, dass diese Annahme möglicherweise falsch sei, da nichtstrahlende Effekte bei niedrigen Temperaturen möglicherweise nicht vollständig ausgefroren würden.
In ihrer Arbeit demonstrieren Bayram und Chiu eine andere Methode zur Ermittlung des absoluten IQE von InGaN-basierten LEDs bei niedrigen Temperaturen. Mithilfe eines „kanalbasierten“ Rekombinationsmodells berichten sie über überraschende Ergebnisse: Der absolute IQE der LED auf herkömmlichen Saphir- und Siliziumsubstraten beträgt 27,5 % bzw. 71,1 % – drastisch niedriger als die Standardannahme.
Um diese unerwarteten Ergebnisse zu erklären, sagt Chiu, dass das kanalbasierte Rekombinationsmodell eine der Möglichkeiten ist, darüber nachzudenken, was in der aktiven Schicht der LED passiert und wie sich die Rekombination in einem Kanal auf einen anderen Kanal auswirkt. Ein Kanal ist ein Weg, den ein Träger nehmen kann, um strahlend oder nicht strahlend zu rekombinieren.
„Um die Effizienz der blauen LED zu bestimmen, wird normalerweise nur die blaue Emission berücksichtigt“, sagt Chiu. „Aber das ignoriert die Auswirkungen von allem anderen, was im Inneren des Geräts passiert, insbesondere der nichtstrahlenden und defekten Lumineszenzkanäle. Unser Ansatz besteht darin, eine ganzheitlichere Sicht auf das Gerät zu erhalten und festzustellen, ob es im blauen Kanal zu einer Rekombination kommt und wie diese erfolgt.“ was durch den/die zweiten und dritten Kanal(en) beeinflusst wird?“
Da die LED-Forschung immer weiter voranschreitet, ist es wichtig, den absoluten Wirkungsgrad und nicht den relativen Wirkungsgrad zu kennen. Bayram betont, dass „die absolute Effizienz für das Fachgebiet sehr wichtig ist, damit jeder auf dem Wissen des anderen aufbauen kann, anstatt dass jede Gruppe ihre eigene Effizienz verbessert. Wir brauchen absolute Messungen, nicht nur relative Messungen.“
Um die vom Energieministerium festgelegten Effizienzstandards zu erfüllen, wird es immer wichtiger, die Effizienz von LEDs richtig zu quantifizieren. Selbst eine Effizienzsteigerung von 1 % führt zu einer jährlichen Einsparung von Tonnen Kohlendioxid. Chiu sagt: „Wenn wir die absolute Effizienz anstelle der relativen Effizienz verstehen, erhalten wir ein genaueres Bild und können Geräte weiter verbessern, indem wir sie miteinander vergleichen können.“
Mehr Informationen:
YC Chiu et al, Absolute interne Quanteneffizienz bei niedriger Temperatur von InGaN-basierten Leuchtdioden, Briefe zur Angewandten Physik (2023). DOI: 10.1063/5.0142701