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新型量子点led发光效率创纪录电工作鞋

2019-10-16 17:48:39

导读

近日,土耳其科克大学(ko university)的研究人员展示了一种基于纳米材料的白色发光二极管(led),它创造了发光效率的记录:105 流明/瓦。经过进一步开发,新型led可达到 200 流明/瓦的效率,从而成为一种可用于家庭、办公室和电视台的颇具前景的节能光源。

背景

led(light emitting diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接将电转化为光。

芬兰国家技术研究中心研发的柔性led

(图片来源:antti veijola/芬兰国家技术研究中心)

led的基本原理是:当电子与空穴复合时能辐射出可见光。led的核心器件是半导体晶片,晶片由两部分构成:一部分是p型半导体,一部分是n型半导体。两种半导体连接起来,就形成了“p-n结”。当电流作用于晶片时,电子流向p区并与空穴结合,然后以光子形式发出能量。

然而,发光的颜色,也就是光的波长,是由形成p-n结的材料决定的。一般来说,砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光,氮化镓二极管发蓝光。

创新

近日,土耳其科克大学(ko university)的研究人员展示了一种基于纳米材料的白色发光二极管(led),它创造了发光效率的记录:105 流明/瓦。发光效率是光通量与功率的比值,即衡量了光源利用电力产生光线的效率。通过进一步开发,新型led可以达到 200 流明/瓦的效率,从而成为一种可用于家庭、办公室和电视台的颇具前景的节能光源。

量子点白色led

(图片来源:sedat nizamoglu, ko university)

在美国光学学会高影响力研究期刊《optica》上,研究人员描述了他们是如何创造出这种高效的白色led的。这种新型led采用了市场可以买得到的蓝色led,结合充满纳米尺寸半导体颗粒(量子点)溶液的柔性透镜。蓝色led发出的光线引起量子点发出绿光和红光,并结合蓝光,创造出白光。

柔性透镜

(图片来源:sedat nizamoglu, ko university)

技术

为了利用现有的led制造出白光,研究人员为蓝色led涂上了基于微黄色磷光体的涂料,从而将蓝光和黄光结合到一起。因为磷光体具有较宽的发射范围,从蓝色到红色,所以它难以灵敏地调谐生成的白光特性。

与磷光体不同,量子点生成的颜色纯净,因为它只发出较窄的频谱。这种较窄的发射,通过将产生不同颜色光线的量子点与蓝色led相结合,创造出了具有精确的色温和光学特性的高质量白光。量子点也具有便于制造的优势,并且它们的发光颜色可通过增加半导体颗粒的尺寸来改变。进一步说,改变掺入量子点的浓度,可方便地生成像白炽灯一样的暖白光源,或者像荧光灯一样的冷白光源。

尽管目前嵌入到薄膜中的量子点应用于led电视,然而这种照明方案却不适合广泛地应用于普通照明。研究人员通过在液体中转移量子点,战胜了当纳米材料嵌入到固体聚合物中时发生的问题性的效率下降。

制造高效的白色led,要求量子点将蓝光高效地转化为红光或者绿光。研究人员展开了300多项合成反应,去分辨最佳条件,例如温度和反应时间,从而制造出可以发出不同颜色光线的量子点,同时表现出最佳的效率。

该校的领导研究员 sedat nizamoglu 表示:“制造白光需要集成适量的量子点,而且即使做到了这一点,还需要无数的蓝光、绿光和红光的组合生成白光。我们开发了一种基于我们最近报告的理论方案的仿真,并采用它判断适当的量,以及最佳的量子点颜色组合,从而高效地生成白光。”

为了制造新型led,研究人员用高温条件下镉、硒、锌、硫混合合成的量子点溶液,填充了聚合物透镜与led芯片之间的空间。研究人员采用一种硅树脂制造透镜,因为弹性使之可以将溶液注入到透镜中,而不会产生任何泄露,而且材料的透明度保证了必要的光线可以通过。

研究人员演示,他们基于液体的白色led可达到固体薄膜量子点led的效率的两倍。他们也通过采用白色led照亮7英寸的显示器,进行了演示。

nizamoglu 表示:“量子点对于高效的照明应用来说极具前景。对于生成更加高效的照明方案来说,技术研发仍然有很大的空间。”

价值

nizamoglu 表示:“在节约能源和保护环境方面,高效的led极具潜力。用发光效率达200流明/瓦的led取代传统光源,可以将全球照明电力消耗减少一大半。这种减少相当于230个典型的500兆瓦煤炭发电厂的发电量,并将减少温室气体排防达2亿吨。”

他还说:“我们的新型led,比其他基于量子点的白色led,达到了更高的效率水平。这种量子点和新型led的合成与制造方案,对于制造量子点和新型led来说,是简单、便宜、可量产的。”

未来

下一步,研究人员正在致力于提升led的效率,并想要采用环境友好的无镉无铅的材料达到很高的效率水平。他们也在计划研究不同条件下的液体led,保证它们对于长期应用来说是稳定的。

关键字

量子点、led、半导体

参考资料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/quantum_dot_white_leds_achieve_record_efficiency/

【2】sadra sadeghi, baskaran ganesh kumar, rustamzhon melikov, mohammad mohammadi aria, houman bahmani jalali, sedat nizamoglu.quantum dot white leds with high luminous efficiency.optica, 2018; 5 (7): 793 doi: 10.1364/optica.5.000793

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