Forskare har visat på nanomaterialbaserade vita ljusemitterande dioder (LED) som uppvisar en rekordljuseffektivitet på 105 lumen per watt. Ljuseffektivitet är ett mått på hur väl en ljuskälla använder ström för att generera ljus. Med vidareutveckling, de nya lysdioderna kan nå effektiviteter över 200 lumen per watt, gör dem till en lovande energieffektiv belysningskälla för hem, kontor och tv-apparater.

"Effektiva lysdioder har stor potential för att spara energi och skydda miljön, " sa forskningsledaren Sedat Nizamoglu, Koç universitet, Kalkon. "Att ersätta konventionella belysningskällor med lysdioder med en verkningsgrad på 200 lumen per watt skulle minska den globala elförbrukningen för belysning med mer än hälften. Den minskningen är lika med den el som skapas av 230 typiska 500 megawatts kolkraftverk och skulle minska utsläppen av växthusgaser med 200 miljoner ton."

Forskarna beskriver hur de skapade de högeffektiva vita lysdioderna i Optica , The Optical Society's journal for high impact research. De nya lysdioderna använder kommersiellt tillgängliga blå lysdioder i kombination med flexibla linser fyllda med en lösning av halvledarpartiklar i nanostorlek som kallas kvantprickar. Ljus från den blå lysdioden gör att kvantprickarna avger grönt och rött, som kombineras med den blå emissionen för att skapa vitt ljus.

"Våra nya lysdioder nådde en högre effektivitetsnivå än andra kvantprickbaserade vita lysdioder, ", sa Nizamoglu. "Syntes- och tillverkningsmetoderna för att göra kvantprickarna och de nya lysdioderna är enkla, billig och användbar för massproduktion."

Fördelar med kvantprickar

För att skapa vitt ljus med dagens lysdioder, blått och gult ljus kombineras genom att lägga till en gulaktig fosforbaserad beläggning på blå lysdioder. Eftersom fosfor har ett brett emissionsområde, från blått till rött, det är svårt att känsligt justera egenskaperna hos det genererade vita ljuset.

Till skillnad från fosfor, kvantprickar genererar rena färger eftersom de bara avger i en smal del av spektrumet. Denna smala emission gör det möjligt att skapa högkvalitativt vitt ljus med exakta färgtemperaturer och optiska egenskaper genom att kombinera kvantprickar som genererar olika färger med en blå LED. Kvantprickar ger också fördelen att de är lätta att göra och färgen på deras emission kan enkelt ändras genom att öka storleken på halvledarpartikeln. Dessutom, kvantprickar kan med fördel användas för att generera varma vita ljuskällor som glödlampor eller kallvita källor som typiska lysrör genom att ändra koncentrationen av inbyggda kvantprickar.

Även om kvantprickar inbäddade i en film för närvarande används i LED-tv-apparater, denna belysningsmetod är inte lämplig för utbredd användning i allmänna belysningstillämpningar. Genom att överföra kvantprickarna i en vätska kunde forskarna övervinna den problematiska effektivitetsminskningen som uppstår när nanomaterial bäddas in i fasta polymerer.

Att göra effektiva vita lysdioder kräver kvantprickar som effektivt omvandlar blått ljus till rött eller grönt. Forskarna genomförde mer än 300 syntesreaktioner för att identifiera de bästa förhållandena, såsom temperatur och tid för reaktionen, för att göra kvantprickar som avger i olika färger samtidigt som de uppvisar optimal effektivitet.

"Att skapa vitt ljus kräver att man integrerar lämplig mängd kvantprickar, och även om det är uppnått, det finns ett oändligt antal blå, gröna och röda kombinationer som kan leda till vitt, ", sa Nizamoglu. "Vi utvecklade en simulering baserad på ett teoretiskt tillvägagångssätt som vi nyligen rapporterade och använde den för att bestämma lämpliga mängder och bästa kombinationer av kvantpunktsfärger för effektiv generering av vitt ljus."

För att göra de nya lysdioderna, forskarna fyllde utrymmet mellan en polymerlins och LED-chip med en lösning av kvantprickar som syntetiserades genom att blanda kadmium, selen, zink och svavel vid höga temperaturer. Forskarna använde en typ av silikon för att tillverka linsen eftersom dess elasticitet gjorde det möjligt för dem att injicera lösningar i linsen utan att någon lösning läckte ut, och materialets transparens möjliggjorde den nödvändiga ljustransmissionen.

Forskarna visade att deras vätskebaserade vita lysdioder kunde uppnå en effektivitet som är dubbelt så stor som lysdioder som innehåller kvantprickar i solida filmer. De demonstrerade också sina vita lysdioder genom att använda dem för att lysa upp en 7-tumsskärm.

"Quantum dots lovar mycket för effektiva belysningstillämpningar, ", sade Nizamoglu. "Det finns fortfarande betydande utrymme för teknikutveckling som skulle generera mer effektiva metoder för belysning."

Som nästa steg, forskarna arbetar för att öka effektiviteten hos lysdioderna och vill nå höga effektivitetsnivåer med miljövänliga material som är kadmium- och blyfria. De planerar också att studera de flytande lysdioderna under olika förhållanden för att säkerställa att de är stabila för långtidsanvändning.