Miglioramento dell'emissione spettrale del LED con colorante perilene

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 10841 (2023) Citare questo articolo

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I LED offrono un'ampia gamma di output spettrali con elevate efficienze. Tuttavia, l’efficienza dei LED a stato solido con lunghezze d’onda verde e gialla è piuttosto bassa a causa della mancanza di materiali adatti per il bandgap diretto. Qui, introduciamo e sviluppiamo LED verdi potenziati con perilene che producono un'efficienza di presa a muro più elevata del 48% rispetto al 38% di un LED verde a stato solido. Sebbene l’efficienza della presa a muro del LED rosso potenziato con perilene sia ancora inferiore a quella di un LED rosso a stato solido, dimostriamo che i convertitori di colore al fosforo remoti sono soluzioni efficaci per la regolazione spettrale mirata attraverso lo spettro visibile per l’illuminazione orticola. In questo lavoro, adattiamo i LED bianchi esistenti e aumentiamo la fotosintesi tramite la regolazione dell'uscita spettrale per ottenere un rapporto rosso-blu più elevato. I nostri risultati mostrano un miglioramento significativo nella crescita delle piante fino al 39%, dopo un ciclo di crescita di 4 mesi. Non osserviamo alcun degrado visibile del convertitore di colore anche sotto illuminazione continua con una corrente di 400 mA. Ciò apre nuove opportunità per l’utilizzo di convertitori di colore a base di perilene per un’illuminazione regolabile con elevata luminosità.

L'illuminazione artificiale è passata dalle lampadine a incandescenza alle lampade fluorescenti e ai diodi emettitori di luce (LED). L’umanità ha beneficiato di questo progresso tecnologico non solo in termini di aumento dell’efficienza energetica, ma anche di aumento della gamma di applicazioni1,2: gadget mobili e laptop, proiettori, comunicazioni ottiche e persino luci per l’agricoltura, solo per citare alcuni. Tuttavia, una delle caratteristiche più impressionanti dei LED è che offrono un’ampia gamma di colori. Ciò si ottiene utilizzando diversi materiali semiconduttori, che hanno diversi gap di banda, come materiale emissivo attivo e producendo così diversi colori di emissione. Ciò è diverso dal concetto di applicare filtri a una sorgente a banda larga come una lampada fluorescente per ottenere i colori desiderati, il che si traduce in una perdita di energia.

Tuttavia, i LED presentano un problema chiamato “gap verde”3,4, che è il risultato della mancanza di un materiale con banda proibita diretta adatto per lo strato emissivo. In generale, i LED a stato solido nell'intervallo 530–580 nm (ovvero dal verde al giallo) hanno prestazioni scarse, in termini di efficienza radiante, rispetto ai LED blu e rossi. I LED blu e rossi hanno un'efficienza superiore al 50%, mentre i LED verdi e gialli hanno un'efficienza piuttosto bassa, inferiore al 40%4. Un modo per superare la bassa efficienza dei LED verdi a stato solido è applicare un fosforo, un convertitore di colore su chip o remoto. Queste tecniche sono già utilizzate in molti prodotti LED. I LED bianchi possono essere prodotti utilizzando LED blu incorporati con fosfori su chip, ad esempio Ce:YAG5,6 giallo. È stato dimostrato che i LED bianchi convertiti al fosforo producono colori naturali con un elevato indice di resa cromatica (CRI) e un'elevata efficienza di 100 lm/W7. Nanoco ha introdotto i punti quantici rossi nei propri LED bianchi per produrre LED bianchi caldi con un CRI8 elevato. Un altro esempio potrebbe essere l’uso di punti quantici verdi e rossi (QD) come convertitori di colore per LED organici blu (OLED) nell’ultima tecnologia di visualizzazione: QD-OLED9,10. Qui mostriamo che utilizzando una certa classe di coloranti organici, coloranti a base di perilene, possiamo ottenere una migliore efficienza di presa a muro per i LED verdi. Scegliamo coloranti a base di perilene, poiché è stato dimostrato che mostrano un forte assorbimento della luce nello spettro UV-visibile, un'elevata resa quantica di fotoluminescenza (PLQY) e un'elevata stabilità fotochimica e termica14,15,16,17. Il colorante a base di perilene viene introdotto in una matrice polimerica ospite per formare un fosforo remoto e viene posizionato a una distanza di 4 mm dal chip LED. In questa configurazione in cui il fosforo remoto è montato vicino al LED, il LED è chiamato LED a fluorescenza potenziata o F-LED in breve, e il fosforo remoto è chiamato convertitore di colore fluorescente (FCC).