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Von Glühwürmchen inspirierte Oberflächen verbessern die Effizienz von LED-Glühlampen

Ein neuer Typ von Leuchtdioden-Glühbirne könnte eines Tages die Häuser beleuchten und die Stromrechnung reduzieren, so Penn-Forscher, die vorschlagen, dass LEDs, die mit Glühwürmchen nachahmenden Strukturen hergestellt wurden, die Effizienz verbessern könnten.

“LED-Glühbirnen spielen eine Schlüsselrolle in der sauberen Energie”, sagte Stuart (Shizhuo) Yin, Professor für Elektrotechnik. “Die kommerzielle LED-Effizienz liegt derzeit nur bei etwa 50 Prozent. Ein Hauptanliegen ist, wie die sogenannte Lichtextraktionseffizienz der LEDs verbessert werden kann. Unsere Forschung konzentriert sich darauf, wie die LED mit Licht versorgt wird.”

Glühwürmchen und LEDs sehen sich ähnlichen Herausforderungen gegenüber, wenn sie das von ihnen erzeugte Licht freigeben, da das Licht rückwärts reflektiert werden kann und verloren geht. Eine Lösung für LEDs ist die Texturierung der Oberfläche mit Mikrostrukturen – mikroskopischen Projektionen -, durch die mehr Licht austreten kann. Bei den meisten LEDs sind diese Vorsprünge symmetrisch mit identischen Neigungen auf jeder Seite.

Glühwürmchen haben auch diese Mikrostrukturen, aber die Forscher stellten fest, dass die Mikrostrukturen der Glühwürmchenlaternen asymmetrisch waren – die Seiten waren in verschiedenen Winkeln geneigt und machten ein schiefes Aussehen.

“Später bemerkte ich, dass Glühwürmchen nicht nur diese asymmetrischen Mikrostrukturen auf ihren Laternen haben, sondern es wurde auch berichtet, dass eine Art glühende Küchenschabe ähnliche Strukturen auf ihren glühenden Stellen hat”, sagte Chang-Jiang Chen, Doktorand in Elektrotechnik und leitender Autor in die Studium. “Hier habe ich versucht, die Effizienz der Lichtextraktion mithilfe asymmetrischer Strukturen ein wenig tiefer zu untersuchen.”

Durch die Verwendung von asymmetrischen Pyramiden zur Erzeugung mikrostrukturierter Oberflächen konnte das Team feststellen, dass sich die Effizienz der Lichtextraktion auf etwa 90 Prozent verbessern lässt. Die Ergebnisse wurden kürzlich online in Optik veröffentlicht und erscheinen in der April-Ausgabe.

Laut Yin erhöhen asymmetrische Mikrostrukturen die Lichtextraktion auf zwei Arten. Erstens ermöglicht die größere Oberfläche der asymmetrischen Pyramiden eine größere Wechselwirkung von Licht mit der Oberfläche, so dass weniger Licht eingefangen wird. Zweitens, wenn das Licht auf die zwei unterschiedlichen Flanken der asymmetrischen Pyramiden trifft, ist der Randomisierungseffekt der Reflexionen größer und das Licht erhält eine zweite Fluchtmöglichkeit.

Nachdem die Forscher anhand computergestützter Simulationen gezeigt haben, dass die asymmetrische Oberfläche die Lichtextraktion theoretisch verbessern kann, wurde dies experimentell demonstriert. Mit nanoskaligem 3D-Druck erstellte das Team symmetrische und asymmetrische Oberflächen und maß die emittierte Lichtmenge. Wie erwartet, konnte durch die asymmetrische Oberfläche mehr Licht freigesetzt werden.

Foto: The Pennsylvania State University

Der LED-basierte Beleuchtungsmarkt wächst schnell mit der steigenden Nachfrage nach sauberer Energie und wird bis 2024 auf 85 Milliarden US-Dollar geschätzt.

“Vor zehn Jahren gingen Sie zu Walmart oder Lowes, LEDs waren nur ein kleiner Teil (ihres Beleuchtungsbestandes)”, sagte Yin. “Nun, wenn Leute Glühbirnen kaufen, kaufen die meisten Leute LEDs.”

LEDs sind umweltfreundlicher als herkömmliche Glühlampen oder Leuchtstofflampen, da sie länger haltbar und energieeffizienter sind.

Zwei Prozesse tragen zur Gesamteffizienz von LEDs bei. Die erste ist die Erzeugung von Licht – die Quanteneffizienz -, die daran gemessen wird, wie viele Elektronen in Licht umgewandelt werden, wenn Energie durch das LED-Material fließt. Dieser Teil wurde bereits in kommerziellen LEDs optimiert. Der zweite Prozess ist das Herausnehmen des Lichts aus der LED – die so genannte Lichtextraktionseffizienz.

“Die verbleibenden Dinge, die wir in Bezug auf die Quanteneffizienz verbessern können, sind begrenzt”, sagte Yin. “Aber es gibt viel Raum, um die Effizienz der Lichtextraktion weiter zu verbessern.”

Bei kommerziellen LEDs werden die strukturierten Oberflächen auf Saphirwafern hergestellt. Zunächst wird mit UV-Licht ein maskiertes Muster auf der Saphiroberfläche erzeugt, das vor Chemikalien schützt. Wenn dann Chemikalien eingesetzt werden, lösen sie den Saphir um das Muster auf und bilden so das Pyramidenarray.

“Sie können auf diese Weise darüber nachdenken, wenn ich eine kreisförmige Fläche schütze und gleichzeitig das gesamte Substrat angreife, sollte ich eine vulkanartige Struktur bekommen”, erklärte Chen.

Bei herkömmlichen LEDs erzeugt der Produktionsprozess aufgrund der Orientierung der Saphirkristalle normalerweise symmetrische Pyramiden. Chen zufolge entdeckte das Team, dass der gleiche Prozess der schiefen Pyramiden erzeugen würde, wenn sie den Saphirblock schräg abschneiden. Die Forscher änderten nur einen Teil des Produktionsprozesses und schlugen vor, dass sich ihr Ansatz leicht auf die kommerzielle Herstellung von LEDs anwenden lässt.

Die Forscher haben diese Forschung zum Patent angemeldet.

“Sobald wir das Patent erhalten haben, erwägen wir die Zusammenarbeit mit Herstellern, um diese Technologie zu kommerzialisieren”, sagte Yin.

Andere Forscher, die an dem Projekt mitarbeiteten, waren Jimmy Yao, Wenbin Zhu, Ju-Hung Chao, Annan Shang und Yun-Goo Lee, Doktoranden der Elektrotechnik.

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