Абсолютная и относительная эффективность: насколько эффективность

Светодиоды являются идеальным источником освещения. С момента своего изобретения они становятся все более популярными благодаря своей энергоэффективности и экономичности.

Институт перспективной науки и технологий Бекмана

изображение: Репрезентативная диаграмма возможных путей рекомбинации. (MQW: мультиквантовая яма, RL: красная люминесценция, YL: желтая люминесценция)посмотреть больше

Кредит: Чиу и др.

Абсолютная внутренняя квантовая эффективность (IQE) синих светодиодов (СИД) на основе нитрида индия-галлия (InGaN) при низких температурах часто принимается равной 100%. Однако новое исследование, проведенное исследователями электротехники и вычислительной техники Университета Иллинойса Урбана-Шампейн, показало, что предположение о всегда идеальном IQE неверно: IQE светодиода может составлять всего 27,5%.

Новое исследование «Низкотемпературная абсолютная внутренняя квантовая эффективность светодиодов на основе InGaN» было недавно опубликовано в журнале Applied Physics Letters.

По словам доцента ЕЭК Джана Байрама, светодиоды являются идеальным источником освещения. С момента своего изобретения они становятся все более популярными благодаря своей энергоэффективности и экономичности.

Светодиод — это полупроводник, который излучает свет, когда через устройство протекает ток. Он генерирует фотоны посредством рекомбинации электронов и дырок (носителей), выделяя энергию в виде фотонов. Цвет излучаемого света соответствует энергии фотона.

Синие светодиоды на основе InGaN обеспечивают яркое и энергосберегающее белое освещение. Переход на твердотельные источники освещения значительно снизил потребности в энергии и выбросы парниковых газов, но для достижения целей по энергосбережению в долгосрочной перспективе необходимо постоянное повышение эффективности. Дорожная карта Министерства энергетики США на 2035 год предусматривает увеличение эффективности синих светодиодов с 70% до 90%, а также дополнительную экономию энергии на 450 тераватт-часов (ТВтч) и сокращение выбросов CO2 на 150 миллионов метрических тонн.

Байрам говорит: «Вопрос в том, как мы можем продвинуть этот идеальный источник освещения дальше? Ответ заключается в понимании его абсолютной, а не относительной эффективности». Относительная эффективность сравнивает устройство с самим собой, а абсолютная эффективность позволяет сравнивать различные устройства путем измерения эффективности по общей шкале.

IQE определяется как соотношение генерируемых фотонов и инжектированных электронов в активной области полупроводника и является важным показателем для количественной оценки производительности светодиодов. Наиболее широко используемый метод количественной оценки IQE - это температурно-зависимая фотолюминесценция. В таких анализах предполагалось, что при низких температурах (4, 10 или даже 77 Кельвинов) происходит 100%-ная излучательная рекомбинация, то есть образование фотона. При комнатной температуре из-за безызлучательных механизмов, которые выделяют избыточную энергию в виде тепла, а не фотонов, эффективность значительно ниже. Соотношение двух интенсивностей фотолюминесценции дает относительную эффективность светодиода.

Первоначальное предположение заключалось в том, что при низких температурах безызлучательная рекомбинация отсутствует — все механизмы потерь «заморожены». Однако Байрам и аспирант Ю-Чье Чиу утверждают, что это предположение может быть ошибочным, поскольку нерадиационные эффекты на самом деле не могут быть полностью заморожены при низких температурах.

В своей статье Байрам и Чиу демонстрируют другой метод определения низкотемпературного абсолютного IQE светодиодов на основе InGaN. Используя модель рекомбинации на основе каналов, они сообщают об удивительных результатах: абсолютный IQE светодиода на традиционных сапфировых и кремниевых подложках составляет 27,5% и 71,1% соответственно, что значительно ниже стандартного предположения.

Чтобы объяснить эти неожиданные результаты, Чиу говорит, что модель рекомбинации на основе каналов — это один из способов понять, что происходит внутри активного слоя светодиода и как рекомбинация в одном канале влияет на другой канал. Канал — это путь, по которому носитель может пойти для радиационной или безызлучательной рекомбинации.