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A eficiência quântica interna absoluta (IQE) dos diodos emissores de luz (LEDs) baseados em nitreto de índio e gálio (InGaN) em baixas temperaturas é geralmente considerada 100%. No entanto, um novo estudo dos pesquisadores de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Illinois Urbana-Champaign descobriu que a suposição de IQE sempre perfeito está errada: o IQE de um LED pode ser tão baixo quanto 27,5%.
Esta nova pesquisa, “Eficiência quântica interna absoluta de baixa temperatura de diodos emissores de luz baseados em InGaN”, foi publicada recentemente em Letras de Física Aplicada.
Como diz o professor associado da ECE, Can Bayram, os LEDs são a melhor fonte de iluminação. Desde a sua invenção, eles se tornaram cada vez mais populares devido à sua eficiência energética e custo-benefício.
Um LED é um semicondutor que emite luz quando a corrente flui através do dispositivo. Gera fótons através da recombinação de elétrons e buracos (portadores), liberando energia na forma de fótons. A cor da luz emitida corresponde à energia do fóton.
Os LEDs azuis baseados em InGaN permitem iluminação branca brilhante e economizadora de energia. A transição para fontes de iluminação de estado sólido reduziu significativamente as necessidades de energia e as emissões de gases de efeito estufa, mas são necessárias melhorias contínuas de eficiência para atingir as metas de economia de energia a longo prazo. O roteiro de 2035 do Departamento de Energia dos EUA exige que a eficiência do LED azul aumente de 70% para 90% e promova a economia de energia em 450 terawatts-hora (TWh) e CO2 redução de emissões em 150 milhões de toneladas métricas.
Bayram diz: “A questão é: como podemos levar essa fonte de iluminação definitiva ainda mais longe? A resposta é entender sua eficiência absoluta, não a eficiência relativa.” A eficiência relativa compara um dispositivo com ele mesmo, enquanto a eficiência absoluta permite a comparação entre diferentes dispositivos medindo a eficiência em uma escala comumente compartilhada.
O IQE é definido como a razão dos fótons gerados para os elétrons injetados na região ativa do semicondutor e é uma métrica importante para quantificar o desempenho dos LEDs. O método mais utilizado para quantificar IQE é por fotoluminescência dependente de temperatura. Em tais análises, assumiu-se que em baixas temperaturas (4, 10 ou mesmo 77 Kelvin), há 100% de recombinação radiativa – o que significa produzir um fóton. À temperatura ambiente, devido aos mecanismos não radiativos – que emitem o excesso de energia na forma de calor, em vez de fótons – a eficiência é significativamente menor. A relação entre as duas intensidades de fotoluminescência dá uma eficiência relativa do LED.
A suposição original é que em baixas temperaturas não há recombinação não-radiativa – todos os mecanismos de perda são “congelados”. Bayram e o estudante de pós-graduação Yu-Chieh Chiu afirmam, no entanto, que essa suposição pode estar errada porque os efeitos não radiativos podem não ser completamente congelados em baixas temperaturas.
Em seu artigo, Bayram e Chiu demonstram um método diferente para revelar IQE absoluto de baixa temperatura de LEDs baseados em InGaN. Usando um modelo de recombinação “baseado em canal”, eles relatam resultados surpreendentes: o IQE absoluto do LED em substratos tradicionais de safira e silício é de 27,5% e 71,1%, respectivamente – drasticamente inferior à suposição padrão.
Para explicar esses resultados inesperados, Chiu diz que o modelo de recombinação baseado em canal é uma das maneiras de pensar sobre o que acontece dentro da camada ativa do LED e como a recombinação em um canal afeta outro canal. Um canal é um caminho que um portador pode tomar para se recombinar radiativamente ou não radiativamente.
“Para determinar a eficiência do LED azul, geralmente apenas a emissão azul é considerada”, diz Chiu. “Mas isso ignora os efeitos de tudo o mais que acontece dentro do dispositivo, especificamente os canais de luminescência não radiativos e defeituosos. Nossa abordagem é obter uma visão mais holística do dispositivo e determinar, se houver recombinação no canal azul, como é aquele afetado pelo segundo e terceiro canal(is)?”
À medida que a pesquisa sobre o LED continua avançando, é importante conhecer uma eficiência absoluta em vez de uma eficiência relativa. Bayram enfatiza que “a eficiência absoluta é muito importante para o campo, para que todos possam desenvolver o conhecimento uns dos outros, em vez de cada grupo melhorar sua própria eficiência. Precisamos de medições absolutas, não apenas medições relativas.”
Para atender aos padrões de eficiência estabelecidos pelo DOE, será cada vez mais importante quantificar adequadamente a eficiência dos LEDs. Mesmo um aumento de 1% na eficiência corresponderá a toneladas de economia de dióxido de carbono anualmente. Chiu diz: “Ao entender a eficiência absoluta, em vez da eficiência relativa, isso nos dará uma imagem mais precisa e nos permitirá melhorar ainda mais os dispositivos, podendo compará-los entre si”.
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