Ohne seltene Erden: wärmeres Licht und billigere Herstellung
Leuchtdioden (LEDs – englisch: Light-Emitting Diode) werden immer beliebter. Das Problem: Um warmweiß leuchtende LEDs herzustellen, braucht man Seltene Erden. Die sind teuer weil eben selten. Hu Zhichao und seine Professorin Li Jing von der Rutgers University in New Jersey haben am 19.08.2015 im Rahmen des 250. Treffens der American Chemical Society eine neue Zusammensetzung für weiße Leuchtdioden vorgestellt, die ohne Seltene Erden auskommt. Deren Produktion wird günstiger und das Licht wärmer.
Verzicht auf seltene Erden
„Wenn mehr Menschen in den USA LEDs in ihren Häusern und Geschäften verwenden würden, könnte der Stromverbrauch des Landes halbiert werden“, sagt Zhichao Hu, Ph.D., Mitglied des Teams der Rutgers University, das die Forschung unter der Leitung von Jing Li, Ph.D., durchgeführt hat. Zu dieser Zeit war er noch Student, jetzt ist Postdoc an der Rutgers und beschäftigt sich mit der Rückgewinnung von Seltenen Erden. Zhichao fügt hinzu, dass Studien zeigten, wenn die gewöhnlichen Glühlampe in amerikanischen Haushalten durch LED-Lampen ersetzt würden, könnte das Land 700 Millionen Dollar (rund 626 Mio. Euro) an Energiekosten sparen.
Zhichao ersetzte mit Ji Ling den bisherigen Leuchtstoff Yttrium-Aluminium-Granat samt der seltenen Erde Cer durch eine neuartige metallorganische Verbindung – zunächst eine aufgedampfte Schicht aus Cadmiumsulfid-Butyldiamin, teilweise mit Manganatomen. Mit den neuen, halbleitenden Leuchtstoffen ergab sich eine hohe Gelblichtausbeute. Allerdings ist Cadmium giftig. Patentiert ist der Prozess schon, jetzt muss aber erst noch noch getestet werden, wie lange diese LEDs halten – und wie man sicherstellt, dass sie ordnungsgemäß entsorgt werden.
Original-Pressemitteilung der American Chemical Society
Li’s team is developing hybrid phosphor-based technologies that are much more sustainable, efficient and low-cost. They combine common, earth-abundant metals with organic luminescent molecules to produce phosphors that emit a controllable white light from LEDs. By varying the metal and organic components, the researchers can systematically tune the color of the phosphors to regions of the visible light spectrum that are most acceptable to the human eye, Hu and Li note. The team is continuing to experiment and develop other rare-earth-free LED phosphors based on different metals and organic compounds.
Many material combinations are possible, so they use a computational approach to initially sort through the possibilities and to predict what color of light the various metals and organics combinations will emit. They then test the best combinations experimentally.
Their approach allows a systematic fine tuning of band gaps and optical emissions that cover the entire visible range, including yellow and white colors. As a result, their LEDs can be fine-tuned to create a warmer white light, similar to cheaper but inefficient incandescent lights. Their approach shows significant promise for use in general lighting applications.
“One of challenges we had to overcome was to figure out the right conditions to synthesize the compound,” Hu notes. “Like cooking, the synthesis requires a ‘recipe.’ It’s often not the case that one can simply mix the starting materials together and get the desired product. We optimized the reaction conditions — temperature and the addition of a solvent — and developed an easy procedure to make the compound with high yield.”
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