Wprowadzenie: Chen Shuming i inni naukowcy z Southern University of Science and Technology opracowali szeregowo połączoną diodę elektroluminescencyjną z kropkami kwantowymi, wykorzystując przezroczysty, przewodzący tlenek indu i cynku jako elektrodę pośrednią. Dioda może pracować w dodatnich i ujemnych cyklach prądu przemiennego, z zewnętrzną sprawnością kwantową odpowiednio 20,09% i 21,15%. Ponadto, dzięki połączeniu wielu urządzeń szeregowo połączonych, panel może być bezpośrednio zasilany z domowej sieci prądu przemiennego, bez konieczności stosowania skomplikowanych obwodów. Przy zasilaniu napięciem 220 V/50 Hz, sprawność energetyczna czerwonego panelu typu plug and play wynosi 15,70 lm W⁻¹, a regulowana jasność może sięgać 25834 cd⁻².
Diody elektroluminescencyjne (LED) stały się powszechną technologią oświetleniową ze względu na wysoką sprawność, długą żywotność, zalety półprzewodnikowe i bezpieczeństwo środowiskowe, spełniając globalne zapotrzebowanie na efektywność energetyczną i zrównoważony rozwój. Jako półprzewodnikowa dioda pn, LED może działać wyłącznie pod wpływem niskiego napięcia prądu stałego (DC). Ze względu na jednokierunkowy i ciągły wtrysk ładunku, ładunki i ciepło Joule'a gromadzą się w urządzeniu, zmniejszając tym samym stabilność pracy LED. Ponadto, globalne zasilanie opiera się głównie na prądzie przemiennym wysokiego napięcia, a wiele urządzeń gospodarstwa domowego, takich jak oświetlenie LED, nie może bezpośrednio korzystać z prądu przemiennego wysokiego napięcia. Dlatego, gdy LED jest zasilane z domowej energii elektrycznej, wymagany jest dodatkowy przetwornik AC-DC jako pośrednik w celu przekształcenia prądu przemiennego wysokiego napięcia na prąd stały niskiego napięcia. Typowy przetwornik AC-DC zawiera transformator do redukcji napięcia sieciowego oraz układ prostownika do prostowania wejściowego prądu przemiennego (patrz rysunek 1a). Chociaż sprawność konwersji większości przetwornic AC-DC może przekraczać 90%, proces konwersji nadal wiąże się ze stratami energii. Ponadto, aby regulować jasność diody LED, należy zastosować dedykowany układ sterujący, który reguluje napięcie stałe i zapewnia idealny prąd dla diody LED (patrz Rysunek uzupełniający 1b).
Niezawodność układu sterującego wpłynie na trwałość oświetlenia LED. W związku z tym wprowadzenie przetwornic AC-DC i sterowników DC nie tylko generuje dodatkowe koszty (stanowiące około 17% całkowitego kosztu lampy LED), ale także zwiększa zużycie energii i zmniejsza trwałość lamp LED. Dlatego też niezwykle pożądane jest opracowanie urządzeń LED lub elektroluminescencyjnych (EL), które mogłyby być bezpośrednio zasilane napięciem 110 V/220 V w domowej sieci zasilającej o częstotliwości 50 Hz/60 Hz, bez konieczności stosowania skomplikowanych układów elektronicznych.
W ciągu ostatnich kilku dekad zaprezentowano kilka urządzeń elektroluminescencyjnych zasilanych prądem przemiennym (AC-EL). Typowy statecznik elektroniczny prądu przemiennego składa się z warstwy emitującej fluorescencyjny proszek umieszczonej pomiędzy dwiema warstwami izolacyjnymi (rysunek 2a). Zastosowanie warstwy izolacyjnej zapobiega wstrzykiwaniu zewnętrznych nośników ładunku, dzięki czemu przez urządzenie nie przepływa prąd stały. Urządzenie pełni funkcję kondensatora, a pod wpływem wysokiego pola elektrycznego prądu przemiennego generowane wewnątrz elektrony mogą tunelować od punktu wychwytu do warstwy emisyjnej. Po uzyskaniu wystarczającej energii kinetycznej elektrony zderzają się z centrum luminescencyjnym, wytwarzając ekscytony i emitując światło. Ze względu na brak możliwości wstrzykiwania elektronów spoza elektrod, jasność i wydajność tych urządzeń są znacznie niższe, co ogranicza ich zastosowania w oświetleniu i wyświetlaczach.
Aby poprawić jego wydajność, zaprojektowano elektroniczne stateczniki prądu przemiennego z pojedynczą warstwą izolacyjną (patrz Rysunek uzupełniający 2b). W tej strukturze, podczas dodatniej połowy cyklu sterowania prądem przemiennym, nośnik ładunku jest bezpośrednio wstrzykiwany do warstwy emisyjnej z elektrody zewnętrznej; wydajną emisję światła można zaobserwować poprzez rekombinację z innym rodzajem nośnika ładunku generowanego wewnętrznie. Jednak podczas ujemnej połowy cyklu sterowania prądem przemiennym, wstrzykiwane nośniki ładunku zostaną uwolnione z urządzenia i dlatego nie będą emitować światła. Ze względu na fakt, że emisja światła występuje tylko podczas połowy cyklu sterowania, wydajność tego urządzenia prądu przemiennego jest niższa niż urządzeń prądu stałego. Ponadto, ze względu na charakterystykę pojemnościową urządzeń, wydajność elektroluminescencji obu urządzeń prądu przemiennego jest zależna od częstotliwości, a optymalną wydajność zwykle osiąga się przy wysokich częstotliwościach kilku kiloherców, co utrudnia ich kompatybilność ze standardowym domowym zasilaniem prądem przemiennym o niskich częstotliwościach (50 Hz/60 Hz).
Niedawno ktoś zaproponował urządzenie elektroniczne prądu przemiennego, które może pracować z częstotliwościami 50 Hz/60 Hz. Urządzenie to składa się z dwóch równoległych urządzeń prądu stałego (patrz rysunek 2c). Poprzez elektryczne zwarcie górnych elektrod obu urządzeń i podłączenie dolnych elektrod współpłaszczyznowych do źródła zasilania prądem przemiennym, oba urządzenia mogą być naprzemiennie włączane. Z perspektywy obwodu, to urządzenie prądu przemiennego i stałego uzyskuje się poprzez szeregowe połączenie elementu przewodzącego i elementu odwrotnego. Po włączeniu elementu przewodzącego, element odwrotny jest wyłączany, działając jak rezystor. Ze względu na obecność rezystancji, wydajność elektroluminescencji jest stosunkowo niska. Ponadto urządzenia emitujące światło prądu przemiennego mogą działać tylko przy niskim napięciu i nie mogą być bezpośrednio łączone ze standardową siecią elektryczną 110 V/220 V. Jak pokazano na rysunku uzupełniającym 3 i tabeli uzupełniającej 1, wydajność (jasność i sprawność energetyczna) zgłaszanych urządzeń prądu przemiennego i stałego zasilanych wysokim napięciem przemiennym jest niższa niż urządzeń prądu stałego. Do tej pory nie wyprodukowano żadnego urządzenia prądu przemiennego-stałego, które mogłoby być bezpośrednio zasilane z domowej sieci elektrycznej o napięciu 110 V/220 V, 50 Hz/60 Hz i charakteryzować się wysoką sprawnością oraz długą żywotnością.
Chen Shuming i jego zespół z Southern University of Science and Technology opracowali szeregowo połączoną diodę elektroluminescencyjną z kropkami kwantowymi, wykorzystującą przezroczysty, przewodzący tlenek indu i cynku jako elektrodę pośrednią. Dioda może pracować w dodatnich i ujemnych cyklach prądu przemiennego, z zewnętrzną sprawnością kwantową odpowiednio 20,09% i 21,15%. Ponadto, dzięki połączeniu wielu urządzeń szeregowo połączonych, panel może być bezpośrednio zasilany z domowej sieci prądu przemiennego, bez konieczności stosowania skomplikowanych obwodów. Przy zasilaniu napięciem 220 V/50 Hz, sprawność energetyczna czerwonego panelu typu plug and play wynosi 15,70 lm W⁻¹, a regulowana jasność może sięgać 25834 cd⁻². Opracowany panel LED typu plug and play z kropkami kwantowymi może być ekonomicznym, kompaktowym, wydajnym i stabilnym półprzewodnikowym źródłem światła, które może być bezpośrednio zasilane z domowej sieci prądu przemiennego.
Pobrano z Lightingchina.com
Czas publikacji: 14-01-2025