Guest post by Bill Scanlon, 国家可再生能源实验室

由于国家可再生能源实验室的发现,可以持续使用100年并充满明亮氛围的灯泡可能早日成为现实。

国家可再生能源实验室科学家找到了一种生成绿色和红色的棘手组合的方法,这可能被证明是自爱迪生以来最大的照明提升’s light bulb.

绿色不是’它不仅是环保主义的象征,还是一种真实的色彩,它是研究人员迫切需要的一种,他们正在寻找一种方法来在当今的一小部分为房屋,街道和建筑物照明’s costs.

LED –发光二极管–是未来的希望,因为与钨灯泡或紧凑型荧光灯泡不同,它们将大部分能量作为光而不是热量进行传递。另外一个好处是他们不’不含危险的汞。

国家可再生能源实验室集团经理Angelo Mascarenhas(右)与NREL高级科学家Brian Flugel(左)和NREL博士后科学家Lekhnath Bhusal(中心)讨论如何在LED上进行台式激光实验。信用:比尔·斯坎伦

LED的时代正在迅速到来。美国能源部预计将在四年内淘汰钨丝灯泡,并在十年内淘汰紧凑型荧光灯。这将使LED几乎占据100%的市场。

为了使LED呈现白色,研究人员最少需要红色,绿色和蓝色。太阳发出的白光实际上是彩虹的所有颜色。如果没有光谱中的至少红色,蓝色和绿色,则没有照明设备适合家庭或办公室使用。

事实证明,红色很容易产生,大约15年前,日本科学家找到了一种产生蓝色的方法,从而提供了白光光谱中的两种主要颜色。

国家可再生能源实验室的太阳能研究设施是使用激光进行实验的地点,可以用来探测磷化铟镓镓合金的发光特性,从而制造发光二极管。图片来源:NREL文件照片

但是绿色一直难以捉摸。实际上,人们现在可以购买的10美元的LED通过将蓝光对准荧光粉而变成白色,然后发出绿色光。它可以正常工作,但是笨拙的过程从光效上大大降低了效率。

国家可再生能源实验室 Jumps into LED 研究 via Solar Cells

Along came 国家可再生能源实验室, a world leader in designing solar cells, but a neophyte in the lighting realm.

拥有太阳能电池技术专利的NREL科学家Angelo Mascarenhas意识到LED只是太阳能电池的反面。一个人把电转化成光。另一个吸收阳光并将其转化为电能。

“We’d与太阳能电池合作了30年,” Mascarenhas said. “我们能找到一些可以逆转太阳能电池制造过程的设备吗?”

确实,Mascarenhas找到了。 国家可再生能源实验室的倒置变质太阳能电池获得了重大科学奖项,该电池是通过组合不同晶格大小的层以最佳地捕获太阳能而构建的。实际上,由NREL生产的IMM电池通过将40%吸收的阳光转化为电能而创造了世界纪录。

一路上,“我们已经开发了一些专有技术来捕获这个绿色光谱区域中的阳光,”睫毛膏说。他们没有’没到达那里,因为太阳能电池’不需要果岭,但是他们已经开始理解成为果岭的挑战。

解决十年难题

十年来,LED研究人员一直试图通过将铟放入氮化镓中来制造出可靠而有效的绿光,但未能成功。

“所有迹象都显示出僵局,” Mascarenhas said. “当您遇到僵局时,您不会’只是将头撞在墙上。您最终伤了头,而不是撞墙。

国家可再生能源实验室 Senior Scientist Brian Flugel adjusts mirrors to set up an experiment aimed at testing the quality of a green LED. Credit: Bill Scanlon

“取而代之的是,您离开墙壁,找到了另一条路。”

他和他的太阳能电池研究人员曾试图用磷化铟镓建造太阳能电池,但也遇到了同样的问题。当分子气体产生的晶格’t与下面的层的晶格匹配,“It can’生长良好,效率非常非常差,” Mascarenhas said.

国家可再生能源实验室’的太阳能电池专家找到了解决之道。他们放入了一些额外的层,这些层逐渐弥合了细胞层错配的晶格之间的间隙。

“方法是在晶格中间生长不同的材料,” Mascarenhas said.

研究人员沉积的原子晶格图案接近但不完全匹配下面的层。大小上的微小差距就是所谓的“elastic limit”材料的厚度—足够紧密,以使晶格彼此结合并且杂质被偏转走。

然后,添加第三层,在精确的位置再添加一层“elastic limit”以下之一。经过约7微米的分层后,结果是太阳能电池具有牢固的结合力,几乎没有杂质。

为什么不尝试以相反的方式尝试相同的过程,以使用磷化铟镓制成可靠的深绿色LED?

第一次尝试时就深绿色

令人惊讶的是,一旦了解了这个概念,Mascarenhas’的团队在第一次尝试时就产生了深绿色的光芒-没有任何资金支持。

现在的目标是提供第四种颜色,以使白光更白。

国家可再生能源实验室计划使用稍深的红色和柠檬绿色,然后将它们与使用基于氮化镓的技术制成的蓝色和非常深的绿色结合使用。

Mascarenhas说,在三年内,NREL应该拥有一种双色设备,当与蓝色和深绿色结合使用时,可以生产出具有显色指数超过90的纯正LED。

“它将为您提供最佳的彩色渲染白光之一”而且制造成本应该’t increase, he said.

“我们拥有一种设备的专利,该设备可以将两种颜色作为一个整体提供给工业,” Mascarenhas said. “他们会像马赛克一样安排它们’目光—我们的单元与蓝色和深绿色的组合并排排列,并交替出现。”

国家可再生能源实验室博士后科学家Lekhnath Bhusal小心地将磷化铟镓样品放入一台机器中,对其性能,照明能力和颜色进行测试。信用:比尔·斯坎伦

“从远处看,它看起来像白色。你赢了’无法看到马赛克结构的各个颜色。”

“我们完全相信这是可以实现的,” Mascarenhas said.

“技术问题将得到解决,” he said. “这是实践科学,而不是天空科学。”

产生的白光LED将是智能的。“We’能够以电子方式控制灯的色调,” he said. “我们可以改变电子电路上这四种颜色强度的组合。通过稍微增加蓝色,我们可以使其更适合日光。通过调低蓝色并增加带红色的黄色,我们可以使其更柔和,更适合夜晚使用。我们可以全天平稳地控制色调,这是没人能想到的。”

而且,据美国能源部预测,从现在到2030年,一直向所有LED过渡将节省约1200亿美元的电力。更不用说数千万吨的温室气体了。

“This is reality,” Mascarenhas said. “这将发生。”

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