Энергоэффективная оптоэлектроника

Сюдзи Накамура – один из лауреатов Нобелевской премии в области физики. Фото Reuters

Использование светодиодов в качестве осветительных приборов не стало бы возможным, если бы не изобретение технологии получения настоящего белого цвета. И человечество не продвинулось бы вперед в изобретении более энергоэффективных источников света, если бы не открытия, сделанные нобелевскими лауреатами в области физики. Лауреатами Нобелевской премии в области физики в 2014 году стали японские ученые Исаму Акасаки и Хироси Амано, а также Сюдзи Накамура из США.

Как объявил Нобелевский комитет при Королевской академии наук, награда будет вручена «за изобретение эффективных синих светодиодов, обеспечивающих яркие и энергосберегающие источники белого света».

«Нобелевские лауреаты изобрели новый энергосберегающий и экологичный источник энергии – синий светодиод (LED). Он дает новые возможности для получения белого света, являющегося более устойчивой и эффективной альтернативой старым источникам света», – отмечает комитет.

Изобретение синих эффективных светодиодов японцы сделали в 90-х годах, и на его основе (добавив люминофор) начали выпуск эффективных белых светодиодов. Внутри каждого белого светодиода есть один или несколько эффективных синих светодиодных кристаллов – эта технология используется в 99% случаев производства светодиодов во всем мире.  

В последние годы мы стали свидетелями стремительного развития области техники, основанной на физике полупроводников, – оптоэлектроники. Прежде всего это проявилось в революционном совершенствовании светодиодов (СД) – твердотельных полупроводниковых источников света. На рубеже тысячелетий СД были всего лишь устройствами индикации, а сегодня это уже энергоэффективные источники света, которые активно заменяют как традиционные лампы накаливания, так и газоразрядные лампы.

Будучи сравнительно новой технологией, светодиоды в большинстве случаев превосходят традиционные источники света по энергоэффективности, качеству света, рентабельности и экологичности. Светодиодные осветительные приборы превосходят лампы накаливания практически во всех областях применения, а разрядные лампы высокого давления – в областях, требующих использования цветного света.

В настоящее время светодиодные системы способны обеспечить ряд преимуществ перед традиционными системами освещения:

1. Энергоэффективность светодиодов в несколько раз выше, чем у ламп накаливания и галогенных ламп, и сравнима с КЛЛ. Постоянное развитие светодиодной технологии повышает энергоэффективность светодиодов по сравнению, например, с люминесцентными лампами.

2. Светодиодные источники света являются направленными и излучают свет только в нужном направлении. Значительно меньшая, чем у КЛЛ, светящая поверхность позволяет использовать более эффективную оптику и лучше управлять светом.

3. Качество света белых светодиодов теперь сравнимо с качеством света КЛЛ, разрядных ламп высокого давления и люминесцентных ламп. Последние достижения в области производства светодиодов обеспечивают постоянство цвета и цветовую температуру, эквивалентные и превосходящие эти характеристики у традиционных источников света.

4. Существенно увеличенный полезный срок службы светодиодов по сравнению с традиционными источниками света. В результате этого сокращаются затраты на замену и обслуживание.

Для того чтобы осуществить полноценную замену источников света в световых приборах с традиционных на полупроводниковые, было необходимо получить белый цвет излучения. Существует несколько способов получения светодиодов белого свечения, каждый из них имеет свои достоинства и недостатки, но неизбежным остается одно – наличие синего цвета. В настоящее время основными способами получения белого света являются следующие:

1. Смешение излучения трех люминофоров (красного, зеленого и синего), которые возбуждаются ультрафиолетовым светодиодом.

2. Смешение излучения СД трех или более цветов.

3. Смешение излучения синего СД с излучением желто-зеленого люминофора.

Первые светодиоды были сконструированы достаточно давно (еще в середине ХХ века), но они излучали свет в диапазоне от инфракрасного до зеленого, ученым со всего мира долгое время никак не удавалось создать полупроводниковый источник синего света. В 60–70-х годах несколько лабораторий в США, Европе и Японии пытались разработать эффективный синий светодиод на основе кристаллов нитрида галлия (GaN), но технологии производства были слишком затратными. Практический же успех нобелевских лауреатов заключался в том, что им удалось создать дешевый и качественный синий светодиод, что привело к революции в осветительных технологиях: на базе светодиодов создаются все новые, более эффективные, долговечные и дешевые осветительные приборы, ежегодно мы наблюдаем тенденцию увеличения энергоэффективности светодиодов, что позволяет экономить все больше и больше электроэнергии.

Действительно, около четверти производимой в мире электроэнергии тратится на освещение, при этом каждому необходимо понимать, что ресурсы нашей планеты небезграничны. Световые приборы на базе светодиодных источников света открывают новые возможности не только в экономии электроэнергии, но и в управлении освещением.

В России все больше людей покупают светильники со светодиодными источниками света, при этом для офисного освещения окупаемость достигается за 1–2 года, для некоторых промышленных помещений – 2–3 года. С  учетом того факта, что светодиоды являются безынерционными, то есть не требуют времени для прогрева или отключения, отсутствует вредное воздействие циклической подачи питания и диммирования, появляется все больше возможностей управления светом. Например, днем возможно максимально задействовать солнечный свет, уменьшив яркость источника света на несколько процентов, – все это достигается при помощи датчиков освещенности, движения и присутствия, никак не влияя на срок службы светильника.

Технологии нобелевских лауреатов по физике позволили ученым всего мира начать работу над созданием белого светодиода, а также над его внедрением в повседневное применение. В настоящее время это самый динамично развивающийся источник света, энергоэффективность которого продолжает расти и бить все мыслимые и немыслимые рекорды. Совсем недавно в лабораторных условиях была достигнута световая отдача светодиода на уровне 303 лм/Вт, что почти в 20 раз больше, чем у лампы накаливания. И с каждым годом результаты все улучшаются. Недооценить практическое значение открытий Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамуры невозможно, потому что плоды их работы в той или иной степени почувствует каждый из нас, и можно с уверенностью утверждать: изобретение синих светодиодов открыло путь к глобальному энергосбережению.