绝对效率与相对效率蓝色LED的效率到底有多高

基于氮化铟镓(InGaN) 的蓝色发光二极管 (LED) 在低温下的绝对内量子效率 (IQE) 通常假定为 100%。然而，伊利诺伊大学香槟分校电气与计算机工程研究人员的一项新研究发现，IQE 始终完美的假设是错误的：LED 的 IQE 可低至 27.5%。

这项名为 “基于 InGaN 的发光二极管的低温绝对内量子效率”的 新研究最近发表在Applied Physics Letters上。

正如 ECE 副教授 Can Bayram 所说，LED 是最终的照明光源。自发明以来，它们因其能源效率和成本效益而变得越来越受欢迎。

LED 是一种半导体，当电流流过器件时会发光。它通过电子和空穴(载流子)的复合产生光子，以光子的形式释放能量。发出的光的颜色对应于光子的能量。

基于 InGaN 的蓝色 LED 可实现明亮且节能的白光照明。向固态照明源的过渡显着减少了能源需求和温室气体排放，但需要持续提高效率才能实现长期节能目标。美国能源部的 2035 年路线图要求将蓝色 LED 效率从 70% 提高到 90%，进一步节能 450 太瓦时 (TWh) 和 CO 2 排放量减少 1.5 亿公吨 。

Bayram 说：“问题是，我们如何进一步推动这种终极光源?答案是了解它的绝对效率，而不是相对效率。” 相对效率以设备自身为基准，而绝对效率允许通过在共同共享的规模上测量效率来比较不同设备。

IQE 定义为半导体有源区中产生的光子与注入电子的比率，是量化 LED 性能的重要指标。最广泛使用的量化 IQE 的方法是通过温度相关的光致发光。在此类分析中，假设在低温(4、10 或什至 77 开尔文)下，存在 100% 的辐射复合，即产生光子。在室温下，由于非辐射机制——以热量而非光子的形式释放多余能量——效率显着降低。两个光致发光强度的比率给出了 LED 的相对效率。

最初的假设是在低温下，没有非辐射复合——所有损耗机制都被“冻结”。然而，Bayram 和研究生 Yu-Chieh Chiu 断言，这种假设可能是错误的，因为非辐射效应实际上可能不会在低温下完全冻结。

在他们的论文中，Bayram 和 Chiu 展示了一种不同的方法来揭示基于 InGaN 的 LED 的低温绝对 IQE。使用“基于通道”的复合模型，他们报告了令人惊讶的结果：传统蓝宝石和硅基板上 LED 的绝对 IQE 分别为 27.5% 和 71.1%，大大低于标准假设。

为了解释这些意想不到的结果，Chiu 说，基于通道的复合模型是思考 LED 有源层内部发生的情况以及一个通道中的复合如何影响另一个通道的方法之一。通道是载体可能采取的辐射或非辐射重组的途径。

“为了确定蓝色 LED 的效率，通常只考虑蓝色发射，”Chiu 说。“但这忽略了设备内部发生的所有其他事情的影响，特别是非辐射和缺陷发光通道。我们的方法是更全面地了解设备并确定，如果蓝色通道中存在重组，那么第二个和第三个通道如何影响它?”

随着对 LED 的研究不断推进，了解绝对效率而不是相对效率很重要。Bayram 强调，“绝对效率对于该领域非常重要，这样每个人都可以相互借鉴，而不是每个团队都提高自己的效率。我们需要绝对测量，而不仅仅是相对测量。”

为了满足美国能源部制定的效率标准，正确量化 LED 的效率将变得越来越重要。即使效率提高 1%，也相当于每年减少数吨二氧化碳。Chiu 说：“通过了解绝对效率，而不是相对效率，这将为我们提供更准确的信息，并使我们能够通过相互比较来进一步改进设备。”