Introduzione: Chen Shuming e altri ricercatori della Southern University of Science and Technology hanno sviluppato un diodo a emissione di luce a punti quantici collegato in serie utilizzando ossido di indio e zinco conduttivo trasparente come elettrodo intermedio. Il diodo può funzionare con cicli di corrente alternata positiva e negativa, con efficienze quantiche esterne rispettivamente del 20,09% e del 21,15%. Inoltre, collegando più dispositivi in serie, il pannello può essere alimentato direttamente dalla rete elettrica domestica senza la necessità di complessi circuiti di back-end. Con un'alimentazione a 220 V/50 Hz, l'efficienza energetica del pannello rosso plug and play è di 15,70 lm W-1 e la luminosità regolabile può raggiungere fino a 25834 cd m-2.
I diodi a emissione luminosa (LED) sono diventati la tecnologia di illuminazione più diffusa grazie alla loro elevata efficienza, alla lunga durata, ai vantaggi dello stato solido e della sicurezza ambientale, soddisfacendo la domanda globale di efficienza energetica e sostenibilità ambientale. Essendo un diodo pn a semiconduttore, il LED può funzionare solo sotto l'azionamento di una sorgente di corrente continua (CC) a bassa tensione. A causa dell'iniezione di carica unidirezionale e continua, le cariche e il riscaldamento Joule si accumulano all'interno del dispositivo, riducendo così la stabilità operativa del LED. Inoltre, l'alimentazione elettrica globale si basa principalmente sulla corrente alternata ad alta tensione e molti elettrodomestici, come le luci a LED, non possono utilizzare direttamente la corrente alternata ad alta tensione. Pertanto, quando il LED è alimentato dalla rete elettrica domestica, è necessario un convertitore CA-CC aggiuntivo come intermediario per convertire l'alimentazione CA ad alta tensione in alimentazione CC a bassa tensione. Un tipico convertitore CA-CC include un trasformatore per ridurre la tensione di rete e un circuito raddrizzatore per raddrizzare l'ingresso CA (vedere Figura 1a). Sebbene l'efficienza di conversione della maggior parte dei convertitori CA-CC possa superare il 90%, si verifica comunque una perdita di energia durante il processo di conversione. Inoltre, per regolare la luminosità del LED, è necessario utilizzare un circuito di pilotaggio dedicato per regolare l'alimentazione CC e fornire la corrente ideale per il LED (vedere Figura supplementare 1b).
L'affidabilità del circuito di pilotaggio influirà sulla durata delle luci a LED. Pertanto, l'introduzione di convertitori CA-CC e driver CC non solo comporta costi aggiuntivi (che rappresentano circa il 17% del costo totale delle lampade a LED), ma aumenta anche il consumo energetico e riduce la durata delle lampade a LED. Pertanto, è altamente auspicabile sviluppare dispositivi LED o elettroluminescenti (EL) che possano essere alimentati direttamente da tensioni domestiche a 110 V/220 V a 50 Hz/60 Hz senza la necessità di complessi dispositivi elettronici di back-end.
Negli ultimi decenni, sono stati dimostrati diversi dispositivi elettroluminescenti alimentati a corrente alternata (AC-EL). Un tipico alimentatore elettronico a corrente alternata è costituito da uno strato di polvere fluorescente emettitrice racchiuso tra due strati isolanti (Figura 2a). L'uso di uno strato isolante impedisce l'iniezione di portatori di carica esterni, quindi non vi è alcun flusso di corrente continua attraverso il dispositivo. Il dispositivo ha la funzione di un condensatore e, sotto l'azione di un elevato campo elettrico a corrente alternata, gli elettroni generati internamente possono passare dal punto di cattura allo strato di emissione tramite tunnel. Dopo aver ottenuto sufficiente energia cinetica, gli elettroni collidono con il centro luminescente, producendo eccitoni ed emettendo luce. A causa dell'impossibilità di iniettare elettroni dall'esterno degli elettrodi, la luminosità e l'efficienza di questi dispositivi sono significativamente inferiori, il che ne limita le applicazioni nei settori dell'illuminazione e della visualizzazione.
Per migliorarne le prestazioni, sono stati progettati ballast elettronici CA con un singolo strato isolante (vedere Figura 2b supplementare). In questa struttura, durante il semiciclo positivo del pilotaggio CA, un portatore di carica viene iniettato direttamente nello strato di emissione dall'elettrodo esterno; un'emissione luminosa efficiente può essere osservata mediante ricombinazione con un altro tipo di portatore di carica generato internamente. Tuttavia, durante il semiciclo negativo del pilotaggio CA, i portatori di carica iniettati vengono rilasciati dal dispositivo e pertanto non emettono luce. Poiché l'emissione luminosa si verifica solo durante il semiciclo di pilotaggio, l'efficienza di questo dispositivo CA è inferiore a quella dei dispositivi CC. Inoltre, a causa delle caratteristiche di capacità dei dispositivi, le prestazioni di elettroluminescenza di entrambi i dispositivi CA dipendono dalla frequenza e le prestazioni ottimali si ottengono solitamente a frequenze elevate di diversi kilohertz, il che li rende difficilmente compatibili con la normale alimentazione CA domestica a basse frequenze (50 hertz/60 hertz).
Di recente, è stato proposto un dispositivo elettronico a corrente alternata (CA) in grado di funzionare a frequenze di 50 Hz/60 Hz. Questo dispositivo è costituito da due dispositivi a corrente continua paralleli (vedere Figura 2c). Cortocircuitando elettricamente gli elettrodi superiori dei due dispositivi e collegando gli elettrodi inferiori complanari a una fonte di alimentazione CA, i due dispositivi possono essere accesi alternativamente. Dal punto di vista circuitale, questo dispositivo CA-CC si ottiene collegando in serie un dispositivo a corrente diretta e un dispositivo a corrente inversa. Quando il dispositivo a corrente diretta è acceso, il dispositivo a corrente inversa viene spento, agendo come un resistore. A causa della presenza di resistenza, l'efficienza dell'elettroluminescenza è relativamente bassa. Inoltre, i dispositivi a emissione di luce CA possono funzionare solo a bassa tensione e non possono essere collegati direttamente alla rete elettrica domestica standard da 110 V/220 V. Come mostrato nella Figura 3 supplementare e nella Tabella 1 supplementare, le prestazioni (luminosità ed efficienza energetica) dei dispositivi di alimentazione CA-CC segnalati, alimentati da alta tensione CA, sono inferiori a quelle dei dispositivi a corrente continua. Finora non esiste un dispositivo di alimentazione CA-CC che possa essere alimentato direttamente dalla rete elettrica domestica a 110 V/220 V, 50 Hz/60 Hz e che abbia un'elevata efficienza e una lunga durata.
Chen Shuming e il suo team della Southern University of Science and Technology hanno sviluppato un diodo a emissione di luce a punti quantici collegato in serie, utilizzando ossido di indio e zinco conduttivo trasparente come elettrodo intermedio. Il diodo può funzionare con cicli di corrente alternata positiva e negativa, con efficienze quantiche esterne rispettivamente del 20,09% e del 21,15%. Inoltre, collegando più dispositivi in serie, il pannello può essere alimentato direttamente dalla rete elettrica domestica senza la necessità di complessi circuiti di back-end. Con un'alimentazione a 220 V/50 Hz, l'efficienza energetica del pannello rosso plug and play è di 15,70 lm W-1 e la luminosità regolabile può raggiungere fino a 25834 cd m-2. Il pannello LED a punti quantici plug and play sviluppato può produrre sorgenti luminose allo stato solido economiche, compatte, efficienti e stabili, alimentabili direttamente dalla rete elettrica domestica.
Tratto da Lightingchina.com
Data di pubblicazione: 14-01-2025