Wprowadzenie: Chen Shuming i inni z Południowego Uniwersytetu Nauki i Technologii opracowali połączoną szeregowo diodę elektroluminescencyjną z kropkami kwantowymi, wykorzystując jako elektrodę pośrednią przezroczysty, przewodzący tlenek indu i cynku. Dioda może pracować w cyklach dodatniego i ujemnego prądu przemiennego, z zewnętrzną wydajnością kwantową odpowiednio 20,09% i 21,15%. Ponadto, łącząc wiele urządzeń połączonych szeregowo, panel może być bezpośrednio zasilany z domowego prądu przemiennego, bez potrzeby stosowania skomplikowanych obwodów zaplecza. Przy zasilaniu 220 V/50 Hz efektywność energetyczna czerwonego panelu plug and play wynosi 15,70 lm W-1, a regulowana jasność może sięgać nawet 25834 cd m-2.
Diody elektroluminescencyjne (LED) stały się głównym nurtem technologii oświetleniowej ze względu na ich wysoką wydajność, długą żywotność, zalety w zakresie półprzewodników i bezpieczeństwa środowiskowego, spełniając globalne zapotrzebowanie na efektywność energetyczną i zrównoważenie środowiskowe. Jako półprzewodnikowa dioda pn, dioda LED może działać tylko pod napędem źródła prądu stałego (DC) o niskim napięciu. Ze względu na jednokierunkowe i ciągłe wstrzykiwanie ładunku, w urządzeniu gromadzą się ładunki i ogrzewanie Joule'a, zmniejszając w ten sposób stabilność działania diody LED. Ponadto światowe źródła zasilania opierają się głównie na prądzie przemiennym o wysokim napięciu, a wiele urządzeń gospodarstwa domowego, takich jak lampy LED, nie może bezpośrednio wykorzystywać prądu przemiennego o wysokim napięciu. Dlatego też, gdy diody LED są zasilane energią elektryczną z gospodarstwa domowego, wymagany jest dodatkowy konwerter AC-DC jako pośrednik do konwersji prądu przemiennego o wysokim napięciu na prąd stały o niskim napięciu. Typowa przetwornica AC-DC zawiera transformator do redukcji napięcia sieciowego oraz obwód prostowniczy do prostowania wejścia AC (patrz rysunek 1a). Chociaż sprawność konwersji większości konwerterów AC-DC może osiągnąć ponad 90%, w procesie konwersji nadal występują straty energii. Ponadto, aby wyregulować jasność diody LED, należy zastosować dedykowany obwód sterujący do regulacji zasilania prądem stałym i zapewnienia idealnego prądu dla diody LED (patrz rysunek uzupełniający 1b).
Niezawodność obwodu sterownika wpłynie na trwałość diod LED. Dlatego wprowadzenie przetwornic AC-DC i sterowników DC nie tylko wiąże się z dodatkowymi kosztami (stanowiącymi około 17% całkowitego kosztu lamp LED), ale także zwiększa zużycie energii i zmniejsza trwałość lamp LED. Dlatego też wysoce pożądane jest opracowanie urządzeń LED lub elektroluminescencyjnych (EL), które mogą być bezpośrednio zasilane domowymi napięciami 110 V/220 V o częstotliwości 50 Hz/60 Hz bez konieczności stosowania skomplikowanych urządzeń elektronicznych.
W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci zademonstrowano kilka urządzeń elektroluminescencyjnych zasilanych prądem przemiennym (AC-EL). Typowy statecznik elektroniczny prądu przemiennego składa się z warstwy emitującej proszek fluorescencyjny umieszczonej pomiędzy dwiema warstwami izolacyjnymi (rysunek 2a). Zastosowanie warstwy izolacyjnej zapobiega przedostawaniu się zewnętrznych nośników ładunku, dzięki czemu przez urządzenie nie przepływa prąd stały. Urządzenie pełni funkcję kondensatora i pod wpływem wysokiego pola elektrycznego prądu przemiennego generowane wewnętrznie elektrony mogą tunelować z 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 zastosowanie w dziedzinie oświetlenia i wyświetlaczy.
Aby poprawić jego działanie, ludzie zaprojektowali stateczniki elektroniczne prądu przemiennego z pojedynczą warstwą izolacyjną (patrz rysunek uzupełniający 2b). W tej konstrukcji podczas dodatniego półcyklu napędu AC nośnik ładunku jest wtryskiwany bezpośrednio do warstwy emisyjnej z elektrody zewnętrznej; Efektywną emisję światła można zaobserwować poprzez rekombinację z innym rodzajem nośnika ładunku wytworzonego wewnętrznie. Jednakże podczas ujemnego półcyklu napędu AC, wtryskiwane nośniki ładunku zostaną uwolnione z urządzenia i dlatego nie będą emitować światła. Ze względu na fakt, że emisja światła następuje tylko podczas połowy cyklu jazdy, wydajność tego urządzenia AC jest niższa niż w przypadku urządzeń prądu stałego. Ponadto, ze względu na charakterystykę pojemnościową urządzeń, wydajność elektroluminescencji obu urządzeń prądu przemiennego zależy od częstotliwości, a optymalną wydajność zwykle osiąga się przy wysokich częstotliwościach rzędu kilku kiloherców, co utrudnia ich kompatybilność ze standardowym zasilaniem prądu przemiennego w gospodarstwie domowym przy niskich częstotliwości (50 Hz/60 Hz).
Niedawno ktoś zaproponował urządzenie elektroniczne prądu przemiennego, które może działać na częstotliwościach 50 Hz/60 Hz. Urządzenie to składa się z dwóch równoległych urządzeń prądu stałego (patrz rysunek 2c). Zwierając elektrycznie górne elektrody obu urządzeń i podłączając dolne, współpłaszczyznowe elektrody do źródła prądu przemiennego, oba urządzenia można włączać naprzemiennie. Z punktu widzenia obwodu to urządzenie AC-DC uzyskuje się poprzez połączenie szeregowe urządzenia do przodu i urządzenia do tyłu. Kiedy urządzenie do przodu jest włączone, urządzenie do tyłu jest wyłączone, działając jako rezystor. Ze względu na obecność rezystancji wydajność elektroluminescencji jest stosunkowo niska. Ponadto urządzenia emitujące światło prądu przemiennego mogą działać wyłącznie przy niskim napięciu i nie można ich bezpośrednio łączyć ze standardową energią elektryczną o napięciu 110 V/220 V w gospodarstwie domowym. Jak pokazano na dodatkowym rysunku 3 i dodatkowej tabeli 1, wydajność (jasność i wydajność energetyczna) zgłoszonych urządzeń zasilających AC-DC zasilanych wysokim napięciem prądu przemiennego jest niższa niż urządzeń prądu stałego. Jak dotąd nie ma urządzenia zasilającego AC-DC, które mogłoby być bezpośrednio napędzane energią elektryczną gospodarstwa domowego pod napięciem 110 V/220 V, 50 Hz/60 Hz i które charakteryzowałoby się wysoką wydajnością i długą żywotnością.
Chen Shuming i jego zespół z Południowego Uniwersytetu Nauki i Technologii opracowali połączoną szeregowo diodę elektroluminescencyjną z kropkami kwantowymi, wykorzystującą przezroczysty, przewodzący tlenek indu-cynku jako elektrodę pośrednią. Dioda może pracować w cyklach dodatniego i ujemnego prądu przemiennego, z zewnętrzną wydajnością kwantową odpowiednio 20,09% i 21,15%. Ponadto, łącząc wiele urządzeń połączonych szeregowo, panel może być bezpośrednio zasilany z domowego źródła prądu przemiennego bez konieczności stosowania skomplikowanych obwodów zaplecza. Przy zasilaniu 220 V/50 Hz sprawność energetyczna czerwonego panelu typu plug and play wynosi 15,70 lm W-1, a regulowana jasność może sięgać nawet 25834 cd m-2. Opracowany panel LED z kropkami kwantowymi typu plug and play może wytwarzać ekonomiczne, kompaktowe, wydajne i stabilne półprzewodnikowe źródła światła, które mogą być bezpośrednio zasilane prądem zmiennym w gospodarstwie domowym.
Zaczerpnięte z Lightingchina.com
Czas publikacji: 14 stycznia 2025 r