Улучшение спектральной мощности светодиодов с помощью периленового красителя

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 10841 (2023) Цитировать эту статью

269 ​​Доступов

Подробности о метриках

Светодиоды предлагают широкий диапазон спектральной мощности и высокую эффективность. Однако эффективность твердотельных светодиодов с зелеными и желтыми длинами волн довольно низка из-за отсутствия подходящих материалов с прямой запрещенной зоной. Здесь мы представляем и разрабатываем зеленые светодиоды с повышенным содержанием перилена, которые обеспечивают более высокий КПД при розетке - 48% по сравнению с 38% для твердотельных зеленых светодиодов. Несмотря на то, что эффективность красного светодиода, усиленного периленом, все еще ниже, чем у твердотельного красного светодиода, мы демонстрируем, что дистанционные люминофорные преобразователи цвета являются эффективными решениями для целенаправленной спектральной настройки во всем видимом спектре для садового освещения. В этой работе мы модернизируем существующие белые светодиоды и усиливаем фотосинтез за счет настройки спектрального выхода, чтобы добиться более высокого соотношения красного и синего. Наши результаты показывают значительное улучшение роста растений (до 39%) после 4-месячного цикла роста. Видимой деградации преобразователя цвета мы не наблюдаем даже при длительном освещении током 400 мА. Это открывает новые возможности использования преобразователей цвета на основе перилена для настраиваемого освещения высокой яркости.

Искусственное освещение перешло от ламп накаливания к люминесцентным лампам и светодиодам (СИД). Человечество выиграло от этого технологического прогресса не только с точки зрения повышения энергоэффективности, но и с точки зрения расширения спектра приложений1,2: мобильные гаджеты и ноутбуки, проекторы, оптическая связь и даже лампы для выращивания растений для сельского хозяйства, и это только немного. Однако одной из наиболее впечатляющих особенностей светодиодов является то, что они предлагают широкий спектр цветов. Это достигается за счет использования различных полупроводниковых материалов с разной шириной запрещенной зоны в качестве активного излучающего материала и, таким образом, создания разных цветов излучения. Это отличается от концепции применения фильтров к широкополосному источнику, например люминесцентной лампе, для получения желаемых цветов, что приводит к потере энергии.

Тем не менее, у светодиодов есть проблема, называемая «зеленым зазором»3,4, которая является результатом отсутствия подходящего материала с прямой запрещенной зоной для эмиссионного слоя. Как правило, твердотельные светодиоды в диапазоне 530–580 нм (т.е. от зеленого до желтого) имеют худшие показатели с точки зрения эффективности излучения по сравнению с синими и красными светодиодами. Синие и красные светодиоды имеют эффективность более 50%, тогда как эффективность зеленых и желтых светодиодов довольно низкая — менее 40%4. Одним из способов преодоления низкой эффективности зеленых твердотельных светодиодов является применение люминофора, встроенного или удаленного преобразователя цвета. Эти методы уже используются во многих светодиодных продуктах. Белые светодиоды могут быть изготовлены с использованием синих светодиодов, встроенных в кристалл, например, желтого Ce:YAG5,6. Было показано, что белые светодиоды с преобразованием люминофора воспроизводят естественные цвета с высоким индексом цветопередачи (CRI) и высокой эффективностью 100 лм/Вт7. Компания Nanoco внедрила красные квантовые точки в свои белые светодиоды для производства теплых белых светодиодов с высоким индексом цветопередачи CRI8. Другим примером может быть использование зеленых и красных квантовых точек (QD) в качестве преобразователей цвета для синих органических светодиодов (OLED) в новейшей технологии отображения: QD-OLED9,10. Здесь мы показываем, что, используя определенный класс органических красителей — красителей на основе перилена11,12,13 — мы можем добиться большей эффективности настенной розетки для зеленых светодиодов. Мы выбираем красители на основе перилена, поскольку было показано, что они обладают сильным поглощением света в УФ-видимом спектре, высоким квантовым выходом фотолюминесценции (PLQY) и высокой фотохимической и термической стабильностью14,15,16,17. Краситель на основе перилена вводится в полимерную матрицу для формирования удаленного люминофора и размещается на расстоянии 4 мм от светодиодного чипа. В этой конфигурации, когда удаленный люминофор установлен рядом со светодиодом, светодиод называется светодиодом с усиленной флуоресценцией или сокращенно F-LED, а удаленный люминофор называется флуоресцентным преобразователем цвета (FCC).