Введение: Чэнь Шумин и другие учёные из Южного университета науки и технологий разработали светодиод с последовательно соединёнными квантовыми точками, используя прозрачный проводящий оксид индия-цинка в качестве промежуточного электрода. Диод может работать как при положительном, так и при отрицательном переменном токе, с внешней квантовой эффективностью 20,09% и 21,15% соответственно. Кроме того, при последовательном подключении нескольких устройств панель может питаться напрямую от бытовой сети переменного тока без необходимости использования сложных внутренних схем. При питании от сети 220 В/50 Гц энергоэффективность красной панели Plug and Play составляет 15,70 лм Вт-1, а регулируемая яркость может достигать 25834 кд м-2.
Светодиоды (LED) стали основной технологией освещения благодаря своей высокой эффективности, длительному сроку службы, преимуществам твердотельного устройства и экологической безопасности, отвечая мировому спросу на энергоэффективность и экологическую устойчивость. Будучи полупроводниковым p-n диодом, LED может работать только от источника постоянного тока низкого напряжения (DC). Из-за однонаправленной и непрерывной инжекции заряда, заряды и джоулев нагрев накапливаются внутри устройства, тем самым снижая стабильность работы LED. Кроме того, мировое электроснабжение основано в основном на переменном токе высокого напряжения, и многие бытовые приборы, такие как светодиодные светильники, не могут напрямую использовать переменный ток высокого напряжения. Поэтому, когда LED работает от бытовой электросети, требуется дополнительный преобразователь переменного тока в постоянный в качестве посредника для преобразования высоковольтного переменного тока в низковольтный постоянный ток. Типичный преобразователь переменного тока в постоянный включает в себя трансформатор для понижения напряжения сети и выпрямительную схему для выпрямления входного переменного тока (см. Рисунок 1a). Хотя эффективность преобразования большинства AC/DC-преобразователей может достигать более 90%, в процессе преобразования всё же происходят потери энергии. Кроме того, для регулировки яркости светодиода необходимо использовать специальную схему управления, которая будет регулировать напряжение постоянного тока и обеспечивать оптимальный ток для светодиода (см. дополнительный рисунок 1b).
Надёжность схемы драйвера влияет на долговечность светодиодных светильников. Поэтому внедрение AC/DC-преобразователей и DC-драйверов не только влечет за собой дополнительные расходы (составляющие около 17% от общей стоимости светодиодных светильников), но и увеличивает энергопотребление и снижает срок службы светодиодных светильников. Поэтому разработка светодиодных или электролюминесцентных (ЭЛ) устройств, способных питаться напрямую от бытовой сети напряжением 110/220 В и частотой 50/60 Гц без использования сложных электронных устройств, крайне желательна.
За последние несколько десятилетий было продемонстрировано несколько электролюминесцентных устройств, управляемых переменным током (AC-EL). Типичный электронный балласт переменного тока состоит из излучающего слоя флуоресцентного порошка, расположенного между двумя изолирующими слоями (рис. 2a). Использование изолирующего слоя предотвращает инжекцию внешних носителей заряда, поэтому через устройство не протекает постоянный ток. Устройство выполняет функцию конденсатора, и под действием сильного переменного электрического поля электроны, генерируемые внутри, могут туннелировать из точки захвата в излучающий слой. Получив достаточную кинетическую энергию, электроны сталкиваются с люминесцентным центром, образуя экситоны и испуская свет. Из-за невозможности инжектировать электроны извне электродов яркость и эффективность этих устройств значительно ниже, что ограничивает их применение в области освещения и отображения.
Чтобы улучшить его производительность, люди разработали электронные балласты переменного тока с одним изоляционным слоем (см. Дополнительный рисунок 2b). В этой структуре во время положительного полупериода привода переменного тока носитель заряда напрямую инжектируется в эмиссионный слой из внешнего электрода; Эффективное излучение света может наблюдаться за счет рекомбинации с другим типом носителей заряда, генерируемых внутри. Однако во время отрицательного полупериода привода переменного тока инжектированные носители заряда будут высвобождаться из устройства и, следовательно, не будут излучать свет. Из-за того, что излучение света происходит только во время полупериода привода, эффективность этого устройства переменного тока ниже, чем у устройств постоянного тока. Кроме того, из-за емкостных характеристик устройств характеристики электролюминесценции обоих устройств переменного тока зависят от частоты, и оптимальные характеристики обычно достигаются на высоких частотах в несколько килогерц, что затрудняет их совместимость со стандартным бытовым переменным током на низких частотах (50 Гц/60 Гц).
Недавно было предложено электронное устройство переменного тока, работающее на частотах 50/60 Гц. Это устройство состоит из двух параллельных устройств постоянного тока (см. рисунок 2c). Замкнув верхние электроды двух устройств накоротко и подключив нижние копланарные электроды к источнику переменного тока, можно попеременно включать оба устройства. С точки зрения схемы, это устройство переменного тока/постоянного тока получается путем последовательного соединения прямого и обратного устройств. При включении прямого устройства обратное устройство выключается, действуя как резистор. Из-за наличия сопротивления эффективность электролюминесценции относительно низкая. Кроме того, устройства переменного тока могут работать только при низком напряжении и не могут напрямую подключаться к стандартной бытовой электросети 110 В/220 В. Как показано на дополнительном рисунке 3 и дополнительной таблице 1, производительность (яркость и энергоэффективность) известных устройств переменного тока/постоянного тока, питаемых высоким переменным напряжением, ниже, чем у устройств постоянного тока. До сих пор не существует устройства преобразования переменного тока в постоянный, которое могло бы работать напрямую от бытовой электросети с напряжением 110 В/220 В, частотой 50 Гц/60 Гц и имело бы высокую эффективность и длительный срок службы.
Чэнь Шумин и его команда из Южного университета науки и технологий разработали последовательно соединенный светодиод с квантовыми точками, используя прозрачный проводящий оксид индия-цинка в качестве промежуточного электрода. Диод может работать при положительных и отрицательных циклах переменного тока с внешней квантовой эффективностью 20,09% и 21,15% соответственно. Кроме того, путем подключения нескольких последовательно соединенных устройств панель может напрямую питаться от бытовой сети переменного тока без необходимости использования сложных внутренних схем. При питании 220 В / 50 Гц энергоэффективность красной панели plug and play составляет 15,70 лм Вт-1, а регулируемая яркость может достигать 25834 кд м-2. Разработанная plug and play светодиодная панель с квантовыми точками может производить экономичные, компактные, эффективные и стабильные твердотельные источники света, которые могут питаться напрямую от бытовой сети переменного тока.
Взято с Lightingchina.com
Время публикации: 14 января 2025 г.