Weiße LEDs: Licht mit Spitzenleistung

Haben Sie die Beleuchtung in ihren eigenen vier Wänden schon auf LEDs (Licht emittierende Dioden) umgestellt? Diese Frage stellt sich nicht erst seit dem europaweiten Herstellungsverbot von klassischen Glühbirnen. Eine Alternative mit großem Potential sind die äußerst energieeffizienten Leuchtstoff-konvertierenden LEDs. Durch fortschrittlichere Materialien werden ständig neue Maßstäbe hinsichtlich Effizienz und Lichtqualität gesetzt. Die in Europa und den USA als besonders angenehm empfundenen warmweißen LEDs werden vor allem zur Beleuchtung von Wohnräumen genutzt. Das emittierte Licht ähnelt dem Emissionsverhalten einer Glühbirne, die jedoch nur eine Lichtausbeute von ca. 12 lm/W (Lumen pro Watt) aufweist. Vergleichbare kommerziell erhältliche LED-Leuchtmittel erreichen derzeit bereits eine mittlere Lichtausbeute von ca. 110 lm/W und Spitzenwerte von 150 lm/W. Auch Kompaktfluoreszenzlampen zeigen mit 100 lm/W gute Werte, können jedoch mit der rasanten Entwicklung von LEDs nicht mithalten. Wie neueste Prognosen zeigen, wird die zeitliche Vorgabe durch das US amerikanische Department of Energy (DOE), das bis ins Jahr 2020 eine Lichtausbeute von mindestens 200 lm/W als Marktstandard etablieren will, nur durch die Weiterentwicklung von LEDs eingehalten werden können (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Leistungsentwicklung von LED-Leuchtmitteln mit 2700 K (rot) und Fluoreszenzlampen im Vergleich. Im Laufe des Jahres 2015 werden voraussichtlich 1000 lm (= Lichtstrom einer 80 W-Glühbirne) ab 2€ (blau) zu erhalten sein.

Während die Leistung von LED-Leuchtmitteln stetig verbessert wird, sinkt der Preis dramatisch. Für die allgemeine Wohnraumbeleuchtung mit LEDs ist eine Steigerung des weltweiten Marktvolumens auf annähernd 23 Mrd. € in 2015 zu erwarten. Bis 2020 soll sich der Umsatz mehr als verdoppeln und auf 64 Mrd. € ansteigen. [1] Durch die hohe Energieeffizienz von LEDs lassen sich EU-weit jährlich bereits 15 Mrd. € an Stromkosten einsparen. Gleichzeitig wird der CO2-Ausstoß um mehr als 42 Mrd. t reduziert. [1] Werden zusätzlich noch die Ziele des DOE umgesetzt, können die Energiekosten für Licht bis 2030 um über die Hälfte reduziert werden. [2]


Wissenschaftlicher Hintergrund

Der Nobelpreis für Physik 2014 wurde für die Entwicklung und Erforschung von hocheffizienten blauen Leuchtdioden auf der Basis von InGaN-Halbleitern verliehen. Diese Technologie war der entscheidende Grundstein für die Entwicklung effizienter weißer LEDs aller Farbtemperaturen (CCT). Ausgehend von blauem Licht besteht die Herausforderung bei der Entwicklung weißer Leuchtdioden darin, Lichtquellen mit kontinuierlichem Spektrum zu entwickeln. Technisch geschieht dies, indem auf einen blau-emittierenden Halbleiterchip aus InGaN verschiedene Hochleistungsleuchtstoffe aufgebracht werden. Diese wandeln das kurzwellige blaue teilweise in langwelligeres Licht um. [3] Die Farben der einzelnen Leuchtstoffe sowie der blauen Primär-LED können verschiedenen Punkten im CIE-Diagramm zugeordnet werden und bilden in diesem einen Farbraum ab. In Abbildung 2 links ist beispielhaft das Diagramm einer LED dargestellt, in der blaues Licht mittels eines grün-gelben und eines rot-orangen Leuchtstoffs zu weißem Licht konvertiert wird. Die weißen Farbtöne liegen dabei entlang der Schwarzstrahlerkurve und werden unterschiedlichen Farbtemperaturen zugeordnet. Im mitteleuropäischen Raum wird Licht mit einer CCT von 2700 – 3300 K als angenehm empfunden. Neben diesem ersten wichtigen Gütekriterium ist auch die Qualität ausschlaggebend, mit der einzelne Farbtöne wiedergegeben werden. Diese wird durch den Farbwiedergabeindex (CRI) beschrieben. Der CRI ist eine dimensionslose Zahl zwischen 0 und 100, die angibt, wie gut die Wiedergabe eines Leuchtmittels im Vergleich zu einem idealen schwarzen Strahler (CRI 100) bei gleicher CCT ist.

Abbildung 2: Links: schematisches CIE-Diagramm mit Schwarzstrahlerkurve; Mitte: Emissionsspektrum einer warmweißen LED mit einem CRI größer 90; rechts: next-generation-Retrofit-LED.

Ein wesentliches Ziel ist derzeit, die Lichtausbeute von warm-weißen LEDs mit hohem CRI >90 zu verbessern (>200 lm/W), um unter anderem die Ziele des DOE zu erreichen. Dies kann gelingen, indem das Emissionsprofil der weißen LED möglichst exakt an den Verlauf der Schwarzstrahlerkurve angepasst und die Emission an den Grenzbereichen des menschlichen Sehvermögens (<400 und >700 nm) auf ein Minimum reduziert wird (siehe Abbildung 2 Mitte). So ist besonders im roten Spektralbereich die Entwicklung von Leuchtstoffen erforderlich, die ein sehr schmales Profil (≤50 nm) mit wenig Infrarot-Emission aufweisen. Mit neuen Materialien, die diesen Anforderungen entsprechen, können auf diese Art bis zu 30 % energieeffizientere LEDs entwickelt werden.


Forschung

Für den Einsatz als LED-Leuchtstoffe geeignete chemische Verbindungen müssen vor allem hohe thermische und chemische Stabilität aufweisen. Diese Anforderungen erfüllen u. a. oxidische und nitridische Verbindungen, insbesondere (Oxo-)Nitridosilicate und –aluminate. Synthetisiert werden diese Verbindungen meist unter Hochtemperaturbedingungen. Erst durch eine Dotierung vorwiegend mit den Seltenerdelementen Europium und Cer als Aktivatoren zeigen diese Stoffe nach Anregung mit blauem Licht Lumineszenz. Eine wichtige Ce3+-dotierte Verbindung ist der gelb emittierende oxidische Granat YAG:Ce (Y3-xGdxAl5-yGayO12:Ce3+). [4] Als rot emittierende Komponenten werden in LEDs unter anderem Eu2+-dotierte Nitride verwendet. Beispiele für diese Verbindungsklasse sind das orange-rot emittierende (Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+ und die rot leuchtende Verbindung (Ca,Sr)SiAlN3:Eu2+. [5,6] Eine weitere, erst kürzlich entdeckte rot leuchtende Verbindung ist Sr[LiAl3N4]:Eu2+. [7] Diese überzeugt durch eine außergewöhnlich schmalbandige Emission mit hoher Effizienz und wird derzeit als möglicher neuer LED-Leuchtstoff in Erwägung gezogen. Auch grünes Licht kann emittiert werden, beispielsweise durch das Oxonitrid SrSi2O2N2:Eu2+. [8]


Ausblick

LEDs haben sich als Leuchtmittel für Wohnräume bereits etabliert, und im Jahr 2030 werden voraussichtlich in etwa 99 % aller verkauften Leuchtmittel LEDs sein. [2] Um deren Eigenschaften wie Energieeffizienz und Stabilität jedoch noch weiter zu verbessern, ist die Erforschung optimierter Hochleistungsleuchtstoffe unverzichtbar. Als geeignet erweisen sich hierfür besonders nitridische Komponenten. Die Gestaltung maßgeschneiderter LED-Leuchtstoffe wird in Zukunft vor allem durch die Aufklärung der komplexen Zusammenhänge zwischen Kristallstruktur und den Lumineszenzeigenschaften einer Verbindung ermöglicht werden.

Literatur

[1]  McKinsey & Company, Lighting the Way: Perspectives in the global lighting market, 2. Aufl., München, 2012.

[2] U.S. Deparment of Energy, Energy Savings Forecast of Solid-State Lighting in General Illumination Applications, Washington, D.C., 2014.

[3]  M. Zeuner, S. Pagano, W. Schnick, Angew. Chem. 2011, 123, 7898; Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7754.

[4]  www.electrochem.org/dl/interface/wtr/wtr09/wtr09_p032-036.pdf, 22.01.2015.

[5]  H. A. Höppe, H. Lutz, P. Morys, W. Schnick, A. Seilmeier, J. Phys. Chem. Solids 2000, 61, 2001.

[6]  H. Watanabe, N. Kijima, J. Alloy. Comp. 2009, 475, 434.

[7]  P. Pust, V. Weiler, C. Hecht, A. Tücks, A.S. Wochnik, A.-K. Henß, D. Wiechert, C. Scheu, P.J. Schmidt, W. Schnick, Nat.   Mater. 2014, 13, 891.

[8]  V. Bachmann, C. Ronda, O. Oeckler, W. Schnick, A. Meijerink, Chem. Mater. 2009, 21, 316.