دراسة تكشف عن تحديات الكفاءة في مصابيح الضوء الأخضر والسوان

في الرواية الكبرى لتكنولوجيا الإضاءة الحديثة، "الثورة الكهربائية الضوئية" للدي أذهلت العالم.من شاشات الهواتف الذكية التي تنفجر بألوان نابضة بالحياة إلى المناظر الطبيعية للمدن التي تتوهج بمناظر ليلية مشعةلكن تحت هذه السطح المضيئة تكمن حقيقة غير مريحة: بعض النطاقات الطيفيةتشكل "صحراء الكفاءة" التي تستمر في تحدي المهندسين.

توزيع طول الموجات من مصابيح LED لا يقتصر على القيود الفيزيائية الطلب السوق يلعب دورا حاسما الطيف الأزرق 420-460nmأساسية للضوئيات البيضاء (الشريحة الزرقاء مع الفوسفورات الصفراء)هذا الحجم الضخم يبرر الاستثمار المستمر في البحث والتطوير في عمليات النمو البصرية.

وعلى العكس من ذلك، فإن طيفات 480-520nm cyan و 680-800nm deep red تشغل مواقع محددة في الإضاءة العامة. في حين تقدم شركات مثل Lumileds منتجات خضراء مخصصة "Mint" أو "Lime" ،هذه الحلول لا تحقق أبدا ميزات التكلفة للإنتاج الضخمالنتيجة هي حلقة مفرغة: الحد من التطبيقات يحد من حجم الإنتاج، والتكاليف العالية تثني على التبني،وتقلص الطلب يؤدي إلى مزيد من الضغط على البحث والتطوير.

على المستوى الكمومي، بنيات شريط أشباه الموصلات ترفع حواجز مختلفة بشكل أساسي لألوان مختلفة.يتم تحديد أطوال الموجات LED من خلال عرض الفجوة النطاقية للمادة ✓ الفجوات الضيقة تنتج أطوال موجة طويلة (أحمر)، في حين أن الفجوات الواسعة تولد أطوال موجة قصيرة (الأزرق / الأخضر).

عادة ما تستخدم مصابيح LED الحمراء AlGaAs (ألومنيوم غاليوم آرسنيد) مع فجوات واسعة ضيقة ، وتعمل في فولتات متقدمة منخفضة (1.5-2.5 فولت).مصابيح LED الزرقاء / الخضراء تتطلب InGaN (نتريد الغاليوم الانديوم) مع فجوات واسعةهذه الخاصية المتأصلة تعني أن المصابيح الخضراء تواجه تحديات حرارية وقيادة أكبر منذ البداية.

تصور خاطئ حاسم في مناقشات كفاءة LED ينطوي على خلط الطاقة المادية مع الإدراك البشري.في حين أن تدفق الضوء ‬الموزن بواسطة منحنى حساسية العين البشرية CIE ‬يعكس الوضوح الذاتي.

يصل ذروة حساسية العين إلى 555 نانومتر (أصفر أخضر) ، حيث يساوي واط واحد 683 ليمن. تبدو الطاقة المتطابقة في الأطوال الموجية الزرقاء أو الحمراء العميقة أضعف بشكل كبير.هذا يفسر لماذا يبدو مصابيح LED البيضاء الباردة أكثر إشراقاً من الأبيض الدافئ، حيث يشمل طيفها مكونات خضراء أكثر حساسية للعينمثل هذا التحيز الإدراكي يخفي القيود الفيزيائية الحقيقية لفعالية LED الخضراء.

في حين أن الكفاءة الكمية الداخلية (IQE) تمثل "قلب" الشريحة ، فإن كفاءة استخراج الضوء (LEE) تشكل "استراتيجية الخروج"." الفوسفورات الحديثة تقترب من كفاءة الكم 100٪ " " الحاجز الحقيقي يكمن في تحرير الفوتونات من أشباه الموصلات ذات مؤشر الانكسار العالي ".

الفوتونات تنبعث بصورة متطابقة داخل أشباه الموصلات، ولكن الفرق الكبير في مؤشر الانكسار عند واجهات الهواء يسبب انعكاس داخلي كامل.المهندسون يحاربون هذا من خلال الهياكل الدقيقة للسطح، بلورات فوتونية) لتعطيل الانعكاس. تصل كفاءة استخراج الحالية إلى ~ 80٪ للضوء الأزرق InGaN-GaN ولكن فقط ~ 60٪ للضوء الأحمر.يواجه المصابيح الخضراء تحديات معقدة في موازنة عدم تطابق شبكة InGaN في تركيبات عالية من الإنديوم مع هياكل استخراج محددة طول الموجة.

"صحراء الكفاءة" الخضراء / الصينية تظهر من الفيزياء المادية المتشابكة والقيود الضوئية.لن تأتي الاختراقات من خلال تحسينات الفوسفور التدريجية ولكن من خلال الابتكارات الأساسية للمواد، وخاصة من خلال التصميمات الهيكلية على نطاق النانو في أنظمة الفجوة العريضة.

وبما أن تكنولوجيات العرض مثل Micro-LED تدفع الطلب على إعادة إنتاج الألوان الكاملة ، فإن الاستدامة التجارية للأطوال الموجية الخضراء / الصينية قد تصل إلى الكتلة الحرجة.عندما تتوافق قوى السوق مع التقدم العلمي، يمكن أن تتحول صحراء الكفاءة اليوم إلى واحة مضيئة في الغد، مما يمثل علامة فارقة أخرى في إتقان البشرية للضوء.