Los investigadores crearon LED blancos basados ​​en nanomateriales que exhiben una eficiencia récord gracias a los puntos cuánticos que están suspendidos en solución en lugar de incrustados en un sólido. Los nuevos LED podrían ofrecer una fuente de iluminación de bajo consumo energético para hogares, oficinas y televisores. Crédito: Sedat Nizamoglu, Koç University

Los investigadores han demostrado diodos emisores de luz blanca (LED) basados ​​en nanomateriales que exhiben una eficiencia luminosa récord de 105 lúmenes por vatio. La eficiencia luminosa es una medida de qué tan bien una fuente de luz usa energía para generar luz. Con un mayor desarrollo, los nuevos LED podrían alcanzar eficiencias de más de 200 lúmenes por vatio, convirtiéndolos en una prometedora fuente de iluminación de bajo consumo para hogares, oficinas y televisores.

“Los LED eficientes tienen un gran potencial para ahorrar energía y proteger el medio ambiente”, dijo el líder de investigación Sedat Nizamoglu, Universidad de Koç, Turquía. “Reemplazar las fuentes de iluminación convencionales con LEDs con de 200 lúmenes por vatio disminuiría la electricidad global consumida por la iluminación en más de la mitad. Esa reducción es igual a la electricidad creada por 230 plantas de carbón típicas de 500 megavatios y reduciría las emisiones de gases de efecto invernadero en 200 millones de toneladas “.

Los investigadores describen cómo crearon los LED blancos de alta eficiencia en Optica , La revista de The Optical Society para investigaciones de alto impacto. Los nuevos LED utilizan LED azules disponibles comercialmente combinados con lentes flexibles llenos con una solución de partículas semiconductoras de tamaño nanométrico llamadas . La luz del LED azul causa puntos para emitir verde y rojo, que se combina con la emisión azul para crear .

“Nuestros nuevos LED alcanzaron un nivel de eficiencia más alto que otros LED blancos basados ​​en puntos cuánticos”, dijo Nizamoglu. “Los métodos de síntesis y fabricación para hacer los puntos cuánticos y los nuevos LED son fáciles, económicos y aplicables para la producción en masa”.

Ventajas de los puntos cuánticos

Para crear luz blanca con los LED actuales, la luz azul y amarilla se combinan al agregar un recubrimiento amarillento a base de fósforo a los LED azules. Debido a que los fósforos tienen un amplio rango de emisión, de azul a rojo, es difícil ajustar con sensibilidad las propiedades de la luz blanca generada.

A diferencia de los fósforos, los puntos cuánticos generan colores puros porque solo emiten en una porción estrecha del espectro. Esta emisión estrecha permite crear luz blanca de alta calidad con temperaturas de color precisas y propiedades ópticas combinando puntos cuánticos que generan diferentes colores con un LED azul. Los puntos cuánticos también ofrecen la ventaja de ser fáciles de fabricar y el color de su emisión se puede cambiar fácilmente al aumentar el tamaño de la partícula semiconductora. Además, los puntos cuánticos se pueden usar ventajosamente para generar fuentes de luz blanca cálida como bombillas incandescentes o fuentes blancas frías como lámparas fluorescentes típicas cambiando la concentración de puntos cuánticos incorporados.

Los LED blancos Quantum dot alcanzan una eficiencia récord
Los nuevos LED utilizan LED azules disponibles comercialmente combinados con lentes flexibles, como el que se muestra aquí, rellenos con una solución de puntos cuánticos. Crédito: Sedat Nizamoglu, Koç University

Aunque los puntos cuánticos incrustados en una película se utilizan actualmente en televisores LED, este enfoque de iluminación no es adecuado para un uso generalizado en aplicaciones de iluminación general. La transferencia de los puntos cuánticos en un líquido permitió a los investigadores superar la caída problemática en la eficiencia que se produce cuando los nanomateriales se incrustan en polímeros sólidos.

Hacer LED blancos eficientes requiere puntos cuánticos que conviertan de manera eficiente la luz azul en rojo o verde. Los investigadores llevaron a cabo más de 300 reacciones de síntesis para identificar las mejores condiciones, como la temperatura y el tiempo de la reacción, para hacer puntos cuánticos que emiten a diferentes colores y que a la vez muestran una eficiencia óptima.

“Crear luz blanca requiere integrar la cantidad apropiada de puntos cuánticos, e incluso si eso se logra, hay un número infinito de combinaciones azules, verdes y rojas que pueden conducir al blanco”, dijo Nizamoglu. “Desarrollamos una simulación basada en un enfoque teórico que informamos recientemente y la usamos para determinar las cantidades apropiadas y las mejores combinaciones de colores de puntos cuánticos para la generación eficiente de luz blanca”.

Para hacer los nuevos LED, los investigadores llenaron el espacio entre una lente de polímero y un chip LED con una solución de puntos cuánticos que se sintetizaron mezclando cadmio, selenio, zinc y azufre a altas temperaturas. Los investigadores usaron un tipo de silicona para hacer la lente porque su elasticidad les permitió inyectar soluciones en la lente sin que se filtrara ninguna solución, y la transparencia del material permitió la necesaria transmisión.

Los investigadores demostraron que sus LED blancos de base líquida podrían lograr una eficiencia doble que la de los LED que incorporan puntos cuánticos en películas sólidas. También demostraron sus LED blancos usándolos para iluminar una pantalla de 7 pulgadas.

“Los puntos cuánticos son una gran promesa para aplicaciones de iluminación eficientes”, dijo Nizamoglu. “Todavía hay espacio significativo para el desarrollo de tecnología que generaría enfoques más eficientes para la iluminación”.

Como siguiente paso, los investigadores están trabajando para aumentar la eficiencia de los LED y desean alcanzar altos niveles de eficiencia utilizando materiales respetuosos con el medio ambiente que no contengan cadmio ni plomo. También planean estudiar los LED líquidos en diferentes condiciones para garantizar que sean estables para la aplicación a largo plazo.


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Más información: S. Sadeghi, B. G. Kumar, R. Melikov, M. M. Aria, H. B. Jalali, S. Nizamoglu “LED blanco de punto cuántico con alta eficiencia luminosa” Optica , Volumen 5, Número 7 Páginas: 793-802 (2018). DOI: doi.org/10.1364/OPTICA.5.000793