Leuchtdioden (LEDs) sind weit energieeffizienter als Glühbirnen. Die darin eingebauten Halbleiter wandeln Elektrizität aufgrund ihrer spezifischen Materialeigenschaften in Licht um. Daher haben LEDs die herkömmlichen Leuchtmittel inzwischen fast überall ersetzt. Die Dioden gibt es in allen Farben des sichtbaren Lichts, die beliebig kombiniert werden können. Unverzichtbar zur Erzeugung von weißem Mischlicht sind jedoch blaue LEDs. Diese wurden erst Anfang der 1990er Jahre entwickelt und brachten ihren Erfindern den Nobelpreis für Physik 2014 ein. „Tiefblaue LEDs sind das Herzstück der heutigen energieeffizienten Beleuchtungstechnologien“, erklärt Seniorautorin Jing Li von der Rutgers University in New Jersey.
Die Materialien dieser blauen Dioden bergen aber einige Nachteile. Bleihalogenid-Perowskite enthalten beispielsweise giftiges und umweltschädliches Blei und sind obendrein instabil, weil sie empfindlich gegenüber Feuchtigkeit und Sauerstoff sind. Ebenfalls giftig sind Kolloidale Quantenpunkte auf Cadmiumbasis. Zudem eignen sich diese eher für grüne und energieärmere LEDs, weniger für das hochenergetische blaue Licht. Organische LEDs (OLEDs) sind zwar flexibel, effizient und biologisch unbedenklich, aber oft ebenfalls instabil, weil sie sich schnell abbauen und mit der Zeit ihre Farbqualität verlieren. Die Synthese phosphoreszierender organischer Emitter wiederum ist teuer und komplex.
Hybrider Halbleiter für blaue LEDs
Li, Erstautor Kun Zhu und ihr Team haben nun eine neue Klasse an Materialien entwickelt, die sich besser für den Einsatz in blauen LEDs eignen. „Wir wollten eine neue Art von Materialien entwickeln, die sehr helles, tiefblaues Licht erzeugen, und sie verwenden, um LEDs zu geringeren Kosten als aktuelle blaue LEDs herzustellen“, erklärt Li. Dafür verwendeten sie und ihr Team ein neuartiges Hybridmaterial: eine Kombination aus Kupferiodid mit einem organischen Molekül (1,4-Diazabicyclo-[2.2.2]octan-1-ium). Diese Bauteile sind ungiftig, umweltfreundlich und nachhaltiger als frühere LED-Komponenten sowie unempfindlich gegenüber Nässe und Luft.
Dieser hybride Kupfer-Iodid-Halbleiter – CuI(Hda) – bietet zudem eine Reihe von weiteren Vorteilen gegenüber bisherigen LED-Halbleiter-Materialien. Er ist effizienter, weil er eine sehr hohe Photolumineszenz-Quantenausbeute von etwa 99,6 Prozent besitzt. Das bedeutet, dass der Halbleiter bei Bestrahlung mit Licht fast die gesamte aufgenommene Energie in blaues Licht mit einer Wellenlänge von 449 Nanometern umwandelt und aussendet. Regt man das Material durch elektrischen Strom an, werden von dieser Energie 12,6 Prozent in Photonen und damit Licht umgewandelt. Das entspricht der bislang höchstmöglichen Quanteneffizienz für blaue LEDs, wie das Team erklärt.
