Plättchen statt Kügelchen machen Bildschirme sparsam
ETH-Wissenschaftler haben die QLED-Technologie für Bildschirme weiterentwickelt. Sie stellten Lichtquellen her, die zum ersten Mal Licht in hoher Intensit?t in nur eine Richtung ausstrahlen. Dies verringert Streuverluste, was die Technologie ?usserst energieeffizient macht.
Seit wenigen Jahren gibt es QLED-Bildschirme zu kaufen. Sie sind bekannt für ihre hellen, intensiven Farben, welche mit der sogenannten Quantenpunkt-Technologie erzeugt werden. QLED steht für Quantenpunkt-Leuchtdiode. Forschende der ETH Zürich haben nun eine Technologie entwickelt, welche die Energieeffizienz der QLEDs erh?ht. Die Wissenschaftler erreichten dies, indem sie die Streuverluste des Lichts im Innern der Dioden minimierten. Damit tritt ein gr?sserer Anteil des erzeugten Lichts nach aussen.
Konventionelle QLEDs bestehen aus einer Vielzahl von kugelf?rmigen Halbleiter-Nanokristallen, die auch Quantenpunkte genannt werden. In einem Bildschirm werden diese Nanokristalle von hinten mit UV-Licht angeregt. Die Kristalle wandeln dieses in farbiges Licht im sichtbaren Bereich um. Je nach Materialzusammensetzung des Nanokristalls entsteht eine andere Farbe.
Allerdings streuen diese kugelf?rmigen Nanokristalle das erzeugte Licht im Innern des Bildschirms auf alle Seiten. Nur rund ein Fünftel des erzeugten Lichts tritt aus und ist für den Betrachter sichtbar. Um die Energieeffizienz der Technologie zu erh?hen, versuchen Wissenschaftler seit Jahren, Nanokristalle zu entwickeln, die Licht nur in eine Richtung (nach vorne, zum Betrachter hin) abgeben. Die ersten solchen Lichtquellen existieren auch bereits. Sie bestehen nicht aus kugelf?rmigen Kristallen, sondern aus ultradünnen Nanopl?ttchen. Diese emittierten Licht nur in eine Richtung – rechtwinklig zur Pl?ttchenebene.
Werden diese Nanopl?ttchen nebeneinander in einer Schicht angeordnet, erzeugen sie ein verh?ltnism?ssig schwaches Licht, das für Bildschirme nicht ausreicht. Um die Lichtintensit?t zu erh?hen, verfolgen Wissenschaftler den Ansatz, mehrere Schichten solcher Pl?ttchen übereinander zu legen. Dabei beginnen die Pl?ttchen jedoch miteinander zu wechselwirken, und das Licht wird wiederum nicht nur in eine Richtung, sondern auf alle Seiten ausgesandt.
Gestapelt und voneinander isoliert
Die Forschenden unter der Leitung von Chih-Jen Shih, Professor für technische Chemie an der ETH Zürich, haben nun extrem (2,4 Nanometer) dünne Halbleiterpl?ttchen so gestapelt, dass sie durch eine noch dünnere (0,65 Nanometer) Isolierschicht aus organischen Molekülen voneinander getrennt sind. Diese Schicht unterbindet quantenphysikalische Wechselwirkungen, wodurch die Pl?ttchen auch in gestapelter Anordnung Licht überwiegend in nur eine Richtung emittieren.
?Je mehr Pl?ttchen wir übereinanderstapeln, desto intensiver wird dabei das Licht. Wir k?nnen so die Lichtintensit?t beeinflussen, ohne dabei die bevorzugte Emissionsrichtung zu verlieren?, sagt Jakub Jagielski, Doktorand in Shihs Gruppe und Erstautor der in der Zeitschrift externe Seite Nature Communications ver?ffentlichen Fachpublikation. Die Wissenschaftler haben damit zum ersten Mal ein Material hergestellt, das Licht in hoher Intensit?t in nur eine Richtung emittiert.
Sehr energieeffizientes blaues Licht
Die Forschenden konnten damit Lichtquellen für blaues, grünes, gelbes und oranges Licht herstellen. Die für Bildschirme ebenfalls n?tige rote Farbkomponente l?sst sich laut den Wissenschaftlern derzeit noch nicht mit der neuen Technologie realisieren.
Für das neu geschaffene blaue Licht gilt: Statt einem Fünftel des erzeugten Lichts wie bei der herk?mmlichen QLED-Technologie erreichen nun rund zwei Fünftel davon das Auge des Betrachters. ?Das heisst, um Licht mit einer bestimmten Intensit?t zu erzeugen, ben?tigen wir mit unserer Technologie im Vergleich zur herk?mmlichen QLED-Technologie nur halb so viel Energie?, sagt ETH-Professor Shih. Bei anderen Farben ist der Effizienzgewinn derzeit allerdings noch kleiner. Die Wissenschaftler versuchen daher in weiterer Forschungsarbeit, diesen auch dort zu erh?hen.
Im Vergleich zu herk?mmlichen LEDs hat die neue Technologie einen weiteren Vorteil, wie die Wissenschaftler betonen: Die neuartigen gestapelten QLEDs sind sehr einfach in einem einzigen Schritt herzustellen. Bei herk?mmlichen LEDs ist es ebenfalls m?glich, die Intensit?t zu erh?hen, indem mehrere lichtemittierende Schichten übereinander angeordnet werden. Deren Herstellung erfolgt allerdings Schicht für Schicht und ist entsprechend aufwendiger.
Literaturhinweis
Jagielski J, Solari SF, Jordan L, Scullion D, Blülle B, Li YT, Krumeich F, Chiu YC, Ruhstaller B, Santos EJG, Shih CJ: Scalable photonic sources using two-dimensional lead halide perovskite superlattices. Nature Communications 2020, doi: externe Seite 10.1038/s41467-019-14084-3