Nowy rodzaj superwydajnych diod LED

Amerykańscy naukowcy skonstruowali nowy rodzaj diody elektroluminescencyjnej (zwanej popularnie diodą LED), emitującą znacznie większą ilość energii świetlnej w porównaniu z energią elektryczną zużywaną podczas jej pracy. Wydajność tego urządzenia, zachowującego się jak pewnego rodzaju optyczna pompa ciepła, kształtuje się na niewyobrażalnie wysokim poziomie wynoszącym ponad 200%! Wprawdzie możliwość skonstruowania takiego urządzenia została przewidziana już w 1957 roku, jednak aż do teraz nie pojawiła się jego praktyczna realizacja. Potencjalne zastosowanie nowych diod LED jest oczywiście bardzo szerokie, obejmując m.in. energooszczędne źródła światła.

Energia fotonów emitowanych przez diody LED jest ściśle uzależniona od przerwy energetycznej zastosowanego w nich półprzewodnika. Przerwa energetyczna to jeden z niezwykle istotnych parametrów charakteryzujących ciała stałe pod względem ich zdolności do przewodzenia prądu elektrycznego. W przypadku półprzewodników parametr ten określa dodatkowo energię przejścia układu elektron – dziura, którego następstwem jest zjawisko emisji pojedynczego fotonu (proces emisji fotonu wskutek przejścia układu elektron – dziura nazywa się rekombinacją). Napięcie przykładane bezpośrednio do elektrod diody LED powoduje zwiększenie ilość par elektron – dziura, jednak jego wartość nie wywiera żadnego wpływu na energię emitowanych fotonów, która, jak napisaliśmy powyżej, jest ściśle uzależniona od właściwości zastosowanego półprzewodnika.

Fonony – skwantowane drgania sieci krystalicznej

Oprócz procesu promienistej rekombinacji pary elektron – dziura, istnieje również możliwość wystąpienia niepromienistej rekombinacji pary elektron – dziura. Procesy te są bezpośrednią przyczyną nadmiernej produkcji ciepła, „pochłanianego” przez półprzewodnik w formie skwantowanych drgań sieci krystalicznej nazywanych fononami. Obecność fononów powoduje stworzenie pewnego rodzaju rezerwuaru ciepła, mogącego wpłynąć na wydajność emisji fotonów wytwarzanych w procesie rekombinacji par elektron – dziura. W 1957 roku Jan Tauc z Institute of Technical Physics w Pradze wykazał, że jeżeli tylko udałoby się skutecznie odprowadzać ciepło z sieci krystalicznej półprzewodników, sprawność diod LED mogłaby wynieść nawet 100%.

Początkowo może się wydawać, że ten rodzaj konwersji energii może naruszać podstawowe prawa termodynamiki. Jak zapewnia jednak Parthiban Santhanam z Massachusetts Institute of Technology (USA), nic bardziej mylnego. „Najbardziej sprzecznym z naszą intuicją aspektem takiej konwersji jest to, że zazwyczaj nie myślimy o świetle jako o jednej z postaci ciepła. Zazwyczaj ignorujemy entropię i myślimy o świetle w kategoriach energii. Gdyby fotony nie posiadały entropii (tzn. gdyby były tylko jedną z form energii), wówczas druga zasada termodynamiki byłaby faktycznie naruszona”, powiedział Santhanam.

Mimo wielu usilnych prób podejmowanych przez fizyków na przestrzeni ostatnich pięćdziesięciu lat, zrealizowanie urządzenia działającego na zasadzie opisanego wyżej rodzaju konwersji, nie powiodło się. Próby zwiększania ilości fotonów emitowanych przez diodę LED poprzez wzrost napięcia polaryzującego diodę wypadały zadowalająco, jednak takie rozwiązanie zwiększało także ilość ciepła wytwarzanego w układzie.

Niższe napięcie – większa sprawność

Korzystając z doświadczeń swoich poprzedników, grupa Santhanama konstruując swoje urządzenie, zrobiła dokładnie odwrotnie: zamiast zwiększyć, zmniejszyła napięcie polaryzujące diodę do zaledwie 70 μV. Następnie, aby wytworzyć w układzie duże ilości ciepła, podgrzewała diodę do temperatury 135 ^oC. W takim wysokotemperaturowym reżimie, mniej niż 0,1% elektronów ulegała promienistej rekombinacji z dziurami. Pomimo tak małego udziału elektronów w procesie emisji światła, zmierzona wartość mocy promieniowania podczerwonego emitowanego przez taką diodę wyniosła 70 pW (1 pW = 10^-12 W). Przy zużyciu energii elektrycznej na poziomie 30 pW, sprawność tej struktury przekroczyła 200%!

Osiągnięcie tak dużej sprawności było możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednio niskiego napięcia. Jak twierdzą naukowcy im bardziej wartość napięcia zbliża się do zera, tym bardziej strumień światła oraz dysypacja (straty) mocy ulegają stłumieniu. Ponieważ ilość światła emitowana przez diodę jest wprost proporcjonalna do wartości prądu, zaś dysypacja mocy – do jego kwadratu, dlatego dwukrotne zmniejszenie wartości napięcia polaryzującego diodę powoduje podwojenie wydajności takiego urządzenia.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com