Wissenschaft

Neue Fortschritte bei traditionellen LED-Displays

LED-Lampen, die für lichtemittierende Dioden stehen, sind zu weit verbreiteten Beleuchtungsoptionen für Haushalte und Unternehmen geworden, aber Standard-LEDs haben dokumentierte Nachteile, wenn es um riesige, hochauflösende Displays geht.

Diese Grafik zeigt die verbesserte Konversionseffizienz von QLEDs (IPE%) im Vergleich zu herkömmlichen LEDs (QW-LEDs). QLEDs können eine Leistungsumwandlungseffizienz von etwa 90 % erreichen. Bildnachweis: Nano Research, Tsinghua University Press

LED-Displays verwenden eine hohe Spannung und haben eine geringe interne Leistungsumwandlungseffizienz, was bedeutet, dass die Energiepreise für den Betrieb der Displays teuer sind, die Displays nicht so lange halten und zu heiß werden können.

Forscher beschreiben in einem in veröffentlichten Bericht, wie ein technologischer Fortschritt, der als Quantenpunkte bekannt ist, einige dieser Probleme lösen könnte Nano-Forschung am 26.08e, 2022. Quantenpunkte sind künstliche, mikroskopisch kleine Kristalle, die als Halbleiter fungieren. Sie haben aufgrund ihrer Größe einzigartige Eigenschaften, die sie in der Display-Technologie wertvoll machen.

Herkömmliche LEDs haben sich in Bereichen wie Anzeige, Beleuchtung und optischer Kommunikation bewährt. Die Technik, die verwendet wird, um qualitativ hochwertiges Halbleitermaterial und Halbleiterbauelemente zu erhalten, ist jedoch sehr energie- und kostenintensiv.

Xing Lin, Assistenzprofessor, College of Information Science & Electronic Engineering, Zhejiang University

Kolloidale Quantenpunkte bieten eine kostengünstige Möglichkeit, Hochleistungs-LEDs mit kostengünstigen Lösungsverarbeitungstechniken und Materialien in chemischer Qualität zu konstruieren. Darüber hinaus sind kolloidale Quantenpunkte emittierende organische Halbleiter als anorganisches Material in der langfristigen Betriebsstabilität überlegen“, sagte Lin.

LED-Displays sind alle aus mehreren Schichten aufgebaut. Die Emissionsschicht, in der elektrische Energie in farbiges Licht umgewandelt wird, ist eine der wichtigsten. Der Forscher verwendete eine einzelne Schicht aus Quantenpunkten für die Emissionsschicht.

Da die Leitfähigkeit des kolloidalen Quantenpunktfeststoffs gering ist, verursacht die Emissionsschicht gewöhnlich einen Spannungsabfall. Wissenschaftler behaupten, dass die Verwendung von Monoschicht-Quantenpunkten als Emissionsschicht die zum Betrieb dieser Bildschirme erforderliche Spannung so weit wie möglich reduzieren wird.

Eine Eigenschaft von Quantenpunkten, die sie hervorragend für den LED-Einsatz macht, ist, dass sie ohne Effizienz hergestellt werden können, wodurch Unvollkommenheiten reduziert werden. Quantenpunkte können ohne Verunreinigungen oder Oberflächendefekte erzeugt werden.

Quantenpunkt-LEDs (QLEDs) können bei Stromdichten, die für Anzeige- und Beleuchtungsanwendungen geeignet sind, eine interne Stromwandlungseffizienz nahe Eins erreichen. Herkömmliche LEDs, basierend auf epitaktisch gewachsenen Halbleitern, zeigen im gleichen Stromdichtebereich eine gravierende Effizienzminderung. Dieser Unterschied ergibt sich aus der fehlerfreien Natur hochwertiger Quantenpunkte“, sagte Lin.

Wissenschaftler argumentieren, dass QLEDs aufgrund der geringen Kosten für die Herstellung von Emissionsschichten mit Quantenpunkten und der Möglichkeit, die Lichtextraktionseffizienz von QLEDs mithilfe optischer Designtechniken zu verbessern, ein effektives Upgrade gegenüber normalen LEDs für Beleuchtung, Displays und mehr darstellen können.

Es ist jedoch zusätzliche Forschung erforderlich, und QLEDs in ihrer derzeitigen Form haben Nachteile, die angegangen werden müssen, bevor sie in großem Maßstab eingesetzt werden können.

Unsere Arbeit zeigt, dass thermische Energie extrahiert werden kann, um die elektrisch-optische Leistungseffizienz zu erhöhen.

Xing Lin, Assistenzprofessor, College of Information Science & Electronic Engineering, Zhejiang University

Allerdings ist die Leistung des Bauteils in der aktuellen Stufe weit davon entfernt, ideal zu sein, was relativ hohe Betriebsspannung und niedrige Stromdichten anbelangt. Diese Schwächen können überwunden werden, indem man nach besseren Ladungstransportmaterialien sucht und die Grenzfläche zwischen Ladungstransport- und Quantenpunktschichten gestaltet. Das ultimative Ziel – das Erreichen von Elektrolumineszenz-Kühlvorrichtungen – sollte auf der Basis von QLEDs möglich sein“, sagte Lin.

Xingliang Dai, Zikang Ye, Yufei Shu, Zixuan Song und Xiaogang Peng von den Fachbereichen Chemie, Materialwissenschaft und -technik sowie Optische Wissenschaft und Technik der Zhejiang-Universität leisteten ebenfalls Beiträge.

Diese Studie wurde von der National Natural Science Foundation of China (62035013) und dem zentralen Forschungs- und Entwicklungsprogramm der Provinz Zhejiang (2020C01001) finanziert.

Zeitschriftenreferenz:

Lin, X., et al. (2022) Hocheffiziente thermoelektrisch angetriebene Leuchtdioden auf Basis kolloidaler Quantenpunkte. Nano-Forschung. doi.org/10.1007/s12274-022-4942-x.

Quelle: http://www.tup.tsinghua.edu.cn/en/index.html

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Lili Falk

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