La eficiencia cuántica interna absoluta (IQE) de los diodos emisores de luz (LED) azules basados en nitruro de indio y galio (InGaN) a bajas temperaturas a menudo se supone que es del 100 %. Sin embargo, un nuevo estudio de investigadores de Ingeniería Eléctrica e Informática Urbana-Champaign de la Universidad de Illinois descubrió que la suposición de un IQE siempre perfecto es incorrecta: el IQE de un LED puede ser tan bajo como 27.5%.
Esta nueva investigación, «Eficiencia cuántica interna absoluta a baja temperatura de los diodos emisores de luz basados en InGaN», se publicó recientemente en Letras de Física Aplicada.
Como dice el profesor asociado de ECE Can Bayram, los LED son la fuente de iluminación definitiva. Desde su invención, se han vuelto cada vez más populares debido a su eficiencia energética y rentabilidad.
Un LED es un semiconductor que emite luz cuando la corriente fluye a través del dispositivo. Genera fotones a través de la recombinación de electrones y huecos (portadores), liberando energía en forma de fotones. El color de la luz emitida corresponde a la energía del fotón.
Los LED azules basados en InGaN permiten una iluminación blanca brillante y de bajo consumo. La transición a fuentes de iluminación de estado sólido ha reducido significativamente las necesidades de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero, pero se necesitan mejoras continuas en la eficiencia para alcanzar los objetivos de ahorro de energía a largo plazo. La hoja de ruta para 2035 del Departamento de Energía de EE. UU. exige que la eficiencia de los LED azules aumente del 70 % al 90 % y que aumente el ahorro de energía en 450 teravatios hora (TWh) y CO2 ahorro de emisiones en 150 millones de toneladas métricas.
Bayram dice: «La pregunta es, ¿cómo podemos impulsar más esta fuente de iluminación definitiva? La respuesta es comprender su eficiencia absoluta, no su eficiencia relativa». La eficiencia relativa compara un dispositivo consigo mismo, mientras que la eficiencia absoluta permite la comparación entre diferentes dispositivos midiendo la eficiencia en una escala común compartida.
IQE se define como la relación entre los fotones generados y los electrones inyectados en la región activa del semiconductor y es una métrica importante para cuantificar el rendimiento de los LED. El método más utilizado para cuantificar IQE es por fotoluminiscencia dependiente de la temperatura. En tales análisis, se ha asumido que a bajas temperaturas (4, 10 o incluso 77 Kelvin), hay un 100 % de recombinación radiativa, lo que significa que se produce un fotón. A temperatura ambiente, debido a los mecanismos no radiativos, que emiten el exceso de energía en forma de calor, en lugar de fotones, la eficiencia es significativamente menor. La relación de las dos intensidades de fotoluminiscencia da una eficiencia relativa del LED.
La suposición original ha sido que a bajas temperaturas no hay recombinación no radiativa: todos los mecanismos de pérdida están «congelados». Bayram y el estudiante graduado Yu-Chieh Chiu afirman, sin embargo, que esta suposición puede ser incorrecta porque los efectos no radiativos podrían, de hecho, no congelarse por completo a bajas temperaturas.
En su artículo, Bayram y Chiu demuestran un método diferente para revelar el IQE absoluto a baja temperatura de los LED basados en InGaN. Usando un modelo de recombinación «basado en canales», reportan resultados sorprendentes: el IQE absoluto del LED en sustratos tradicionales de zafiro y silicio es 27.5% y 71.1%, respectivamente, drásticamente más bajo que la suposición estándar.
Para explicar estos resultados inesperados, Chiu dice que el modelo de recombinación basado en canales es una de las formas de pensar sobre lo que sucede dentro de la capa activa del LED y cómo la recombinación en un canal afecta a otro canal. Un canal es un camino que un portador puede tomar para recombinarse radiativamente o no radiativamente.
«Para determinar la eficiencia del LED azul, generalmente solo se considera la emisión azul», dice Chiu. «Pero eso ignora los efectos de todo lo demás que sucede dentro del dispositivo, específicamente los canales de luminiscencia defectuosa y no radiante. Nuestro enfoque es obtener una visión más holística del dispositivo y determinar, si hay recombinación en el canal azul, cómo es que se ve afectado por el segundo y tercer canal(es)?»
A medida que avanza la investigación sobre el LED, es importante conocer una eficiencia absoluta en lugar de una eficiencia relativa. Bayram enfatiza que «la eficiencia absoluta es muy importante para el campo, de modo que todos puedan aprovechar el conocimiento de los demás en lugar de que cada grupo mejore su propia eficiencia. Necesitamos mediciones absolutas, no solo mediciones relativas».
Para cumplir con los estándares de eficiencia establecidos por el DOE, será cada vez más importante cuantificar adecuadamente la eficiencia de los LED. Incluso un aumento del 1% en la eficiencia corresponderá a un ahorro anual de toneladas de dióxido de carbono. Chiu dice: «Al comprender la eficiencia absoluta, en lugar de la eficiencia relativa, eso nos dará una imagen más precisa y nos permitirá mejorar aún más los dispositivos al poder compararlos entre sí».
