絕對效率與相對效率： 藍(lán)光LED的效率究竟如何？

可能的重組途徑的代表圖。(MQW：多量子阱，RL：紅色發(fā)光，YL：黃色發(fā)光）。資料來源：Chiu等人。

氮化鎵（InGaN）基藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）在低溫下的絕對內(nèi)部量子效率（IQE）通常被假定為100%。然而，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校電子和計(jì)算機(jī)工程研究人員的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，總是完美的IQE的假設(shè)是錯誤的：一個LED的IQE可以低至27.5%。

這項(xiàng)新研究最近發(fā)表在《應(yīng)用物理學(xué)通訊》上。

正如ECE副教授Can Bayram所說，LED是終極照明源。自發(fā)明以來，由于其能源效率和成本效益，它們已變得越來越受歡迎。

發(fā)光二極管是一種半導(dǎo)體，當(dāng)電流流經(jīng)該設(shè)備時就會發(fā)出光。它通過電子和空穴（載流子）的重新結(jié)合產(chǎn)生光子，以光子的形式釋放能量。發(fā)出的光的顏色與光子的能量相一致。

基于InGaN的藍(lán)色LED能夠?qū)崿F(xiàn)明亮和節(jié)能的白色照明。向固態(tài)照明源的過渡大大減少了能源需求和溫室氣體排放，但要長期實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)，就必須不斷提高效率。美國能源部的2035年路線圖要求藍(lán)光LED的效率從70%提高到90%，并進(jìn)一步節(jié)省450太瓦時（TWh）的能源和節(jié)省1.5億公噸的二氧化碳排放。

Bayram說，"問題是，我們?nèi)绾尾拍苓M(jìn)一步推動這一終極照明源？答案是通過了解其絕對效率，而不是相對效率"。相對效率是以設(shè)備本身為基準(zhǔn)，而絕對效率則是通過在一個共同分享的尺度上測量效率，從而在不同的設(shè)備之間進(jìn)行比較。

IQE被定義為在半導(dǎo)體有源區(qū)產(chǎn)生的光子與注入的電子的比率，是量化LED性能的一個重要指標(biāo)。最廣泛使用的量化IQE的方法是通過與溫度有關(guān)的光致發(fā)光。在這種分析中，人們假設(shè)在低溫下（4、10、甚至77開爾文），有100%的輻射重組--意味著產(chǎn)生光子。在室溫下，由于非輻射機(jī)制--以熱量而不是光子的形式發(fā)射多余的能量--效率要低得多。兩種光致發(fā)光強(qiáng)度的比率給出了LED的相對效率。

最初的假設(shè)是，在低溫下，沒有非輻射重組--所有的損失機(jī)制都被 "凍結(jié)"。然而，Bayram和研究生Yu-Chieh Chiu斷言，這個假設(shè)可能是錯誤的，因?yàn)榉禽椛湫?yīng)事實(shí)上可能在低溫下并沒有被完全凍結(jié)。

在他們的論文中，Bayram和Chiu展示了一種不同的方法來揭示InGaN基LED的低溫絕對IQE。他們使用一個 "基于通道 "的重組模型，報(bào)告了令人驚訝的結(jié)果：傳統(tǒng)藍(lán)寶石和硅襯底上的LED絕對IQE分別為27.5%和71.1%--大大低于標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)。

為了解釋這些意想不到的結(jié)果，Chiu說，基于通道的重組模型是思考LED活性層內(nèi)部發(fā)生的事情以及一個通道的重組如何影響另一個通道的方法之一。通道是載流子可能采取的輻射性或非輻射性重組的途徑。

"為了確定藍(lán)光LED的效率，通常只考慮藍(lán)色發(fā)射，"Chiu說。"但這忽略了設(shè)備內(nèi)部發(fā)生的其他一切影響，特別是非輻射和缺陷發(fā)光通道。我們的方法是對設(shè)備有一個更全面的看法，并確定，如果在藍(lán)色通道中存在重組，那么它是如何被第二和第三通道影響的？"

隨著對LED的研究繼續(xù)推進(jìn)，了解絕對效率而不是相對效率是很重要的。Bayram強(qiáng)調(diào)說："絕對效率對這個領(lǐng)域非常重要，這樣每個人都可以在彼此的知識基礎(chǔ)上發(fā)展，而不是每個小組都提高自己的效率。我們需要絕對測量，而不僅僅是相對測量"。

為了達(dá)到能源部規(guī)定的效率標(biāo)準(zhǔn)，正確量化LED的效率將越來越重要。即使是1%的效率提高，也會對應(yīng)著每年數(shù)噸的二氧化碳節(jié)省。Chiu說："通過了解絕對效率，而不是相對效率，這將給我們一個更準(zhǔn)確的畫面，并使我們能夠通過相互比較來進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)備。"

參考資料：Y. C. Chiu et al, Low temperature absolute internal quantum efficiency of InGaN-based light-emitting diodes, Applied Physics Letters (2023). DOI: 10.1063/5.0142701