Новый тип светодиодных ламп может однажды осветить дома и снизить расходы на электроэнергию, считают исследователи из Пенсильванского университета, которые предполагают, что светодиоды, изготовленные с имитацией светлячков, могут повысить эффективность.

"Светодиодные лампочки играют ключевую роль в экологически чистой энергии", - сказал Стюарт (Шичжуо) Инь, профессор электротехники. "Общая коммерческая эффективность светодиодов в настоящее время составляет всего около 50 процентов. Одна из основных проблем заключается в том, как повысить так называемую эффективность извлечения света светодиодами. Наше исследование сосредоточено на том, как извлечь свет из светодиода".

Светлячки и светодиоды сталкиваются с аналогичными проблемами при выделении света, который они производят, потому что свет может отражаться назад и теряться. Одним из решений для светодиодов является текстурирование поверхности с помощью микроструктур - микроскопических выступов, которые пропускают больше света. В большинстве светодиодов эти выступы симметричны, с одинаковыми наклонами с каждой стороны.

Фонари Fireflies также имеют такие микроструктуры, но исследователи заметили, что микроструктуры на фонарях firefly были асимметричными - стороны наклонены под разными углами, что придает им однобокий вид.

"Позже я заметил, что не только у светлячков есть эти асимметричные микроструктуры на их фонарях, но также сообщалось, что у светящихся тараканов похожие структуры на светящихся пятнах", - сказал Чанг-Цзян Чен, докторант по электротехнике и ведущий автор исследования. "Здесь я попытался немного углубиться в изучение эффективности извлечения света с использованием асимметричных структур".

Используя асимметричные пирамиды для создания микроструктурированных поверхностей, команда обнаружила, что они могут повысить эффективность извлечения света примерно до 90 процентов. Результаты были недавно опубликованы онлайн в Optik и появятся в апрельском печатном издании.

По словам Инь, асимметричные микроструктуры увеличивают поглощение света двумя способами. Во-первых, большая площадь поверхности асимметричных пирамид обеспечивает большее взаимодействие света с поверхностью, так что поглощается меньше света. Во-вторых, когда свет попадает на два разных наклона асимметричных пирамид, возникает больший эффект хаотизации отражений, и свету дается второй шанс убежать.

После того, как исследователи использовали компьютерное моделирование, чтобы показать, что асимметричная поверхность теоретически может улучшить поглощение света, они продемонстрировали это экспериментально. Используя наноразмерную 3D-печать, команда создала симметричные и асимметричные поверхности и измерила количество излучаемого света. Как и ожидалось, асимметричная поверхность позволила высвободить больше света.

Рынок светодиодного освещения быстро растет по мере увеличения спроса на экологически чистую энергию и, по оценкам, достигнет 85 миллиардов долларов к 2024 году.

"Десять лет назад, когда вы ходили в Walmart или Lowes, светодиоды составляли лишь небольшую часть (их осветительных приборов)", - сказал Инь. "Сейчас, когда люди покупают лампочки, большинство людей покупают светодиоды".

Светодиоды более экологичны, чем традиционные лампы накаливания или люминесцентные лампы, потому что они долговечны и более энергоэффективны.

Два процесса способствуют общей эффективности светодиодов. Во-первых, это производство света - квантовая эффективность, которая измеряется количеством электронов, преобразующихся в свет, когда энергия проходит через материал светодиода. Эта часть уже оптимизирована для коммерческих светодиодов. Второй процесс заключается в извлечении света из светодиода, который называется эффективностью извлечения света.

"Остальные возможности, которые мы можем улучшить в области квантовой эффективности, ограничены", - сказал Инь. "Но есть много возможностей для дальнейшего повышения эффективности извлечения света".

В коммерческих светодиодах текстурированные поверхности выполнены на сапфировых пластинах. Во-первых, ультрафиолетовый свет используется для создания замаскированного рисунка на поверхности сапфира, который обеспечивает защиту от химических веществ. Затем, когда применяются химические вещества, они растворяют сапфир вокруг рисунка, создавая пирамидальный массив.

"Вы можете подумать об этом так: если я защищаю круглую область и в то же время атакую всю подложку, я должен получить структуру, подобную вулкану", - объяснил Чен.

В обычных светодиодах в процессе производства обычно образуются симметричные пирамиды из-за ориентации сапфировых кристаллов. По словам Чена, команда обнаружила, что если разрезать сапфировый блок под наклоном, тот же процесс приведет к образованию кривых пирамид. Исследователи изменили только одну часть производственного процесса, предполагая, что их подход может быть легко применен к коммерческому производству светодиодов.

Исследователи подали заявку на патент на это исследование.