Leuchtdioden (LED) - Lichtquellen der Zukunft

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Elektrische Beleuchtung ist in der EU mit ca. 100 TWh1 /Jahr allein im privaten Bereich der drittgrößte Stromverbraucher [1]. Um den Verbrauch zu reduzieren, werden die unwirtschaftlichsten Leuchtmittel schrittweise verboten. Vor allem Glühbirnen sind sehr ineffizient – ihre Lichtausbeute liegt unter 15 lm/W (Verhältnis der optischen Leistung in Lumen zur elektrischen in Watt). Das entspricht weniger als 5 % der hineinfließenden Energie; der Rest wird in Wärme umgewandelt. Leuchtstoffröhren und Energiesparlampen erreichen höhere Werte, enthalten aber gesundheitsschädliches Quecksilber [2]. Noch effizienter sind anorganische und organische Leuchtdioden, in denen Licht nicht thermisch oder durch Gasentladung erzeugt wird, sondern direkt aus der Energie des Elektron-Loch-Paars im Halbleiter, d. h. durch Elektrolumineszenz. So kann theoretisch eine Effizienz von bis zu 100 % erreicht werden. Die besten kommerziellen LEDs liegen bei ca. 33 %, im Labor sind schon 70 – 80 % möglich.

Lichtausbeute und Spitzenhelligkeit anorganischer² weißer LEDs wurden in den letzten 20 Jahren enorm gesteigert. Winzige LED-Chips leuchten heute über 15mal heller als eine 60-W-Glühlampe und erreichen Ausbeuten von 100 – 140 lm/W. Um dies zu erreichen, müssen die anorganischen Halbleiter einkristallin³ sein. Dies macht die Herstellung effizienter anorganischer LEDs kostenintensiv. Daher sind diese in der Regel sehr klein und damit Punktlichtquellen.

Mit organischen LEDs (OLEDs) können hingegen perfekte flächige Lichtquellen realisiert werden. Zukünftig könnten so tagsüber transparente und nachts leuchtende Fensterscheiben oder leuchtende Tapeten produziert werden. Eine OLED besteht aus mehreren amorphen⁴ dünnen Schichten von Molekülen, die auf Kohlenstoffverbindungen basieren. Da diese organischen Schichten nur 100 nm (ein zehntausendstel mm) dick sind, wird sehr wenig Material benötigt. Zudem sind die Materialien ungiftig und lassen sich bei weit niedrigeren Temperaturen, d. h. mit geringerem Energieeinsatz, verarbeiten. Derzeit werden die Schichten meist im Vakuum auf großflächige Glasplatten aufgebracht, können in Zukunft aber auch großtechnisch im Rolle-zu-Rolle-Verfahren⁵ auf flexiblen Folien hergestellt werden. Durch die Kombination von Druck- und Vakuumtechniken könnten solche Rolle-zu-Rolle-Verfahren sehr kostengünstig werden. Um in Zukunft erfolgreich zu sein, müssen OLEDs zudem hohe Lichtausbeuten erreichen. Bis zu 100 lm/W sind heute im Labor möglich [3], käufliche Produkte erreichen derzeit 45 – 60 lm/W. Wesentliche Herausforderungen in der Forschung sind eine große Lebensdauer auch bei hoher Helligkeit (100 lm/W bei einer Lebensdauer von 100.000 Std.) und die Kostensenkungen durch effizientere Herstellungsverfahren. Derzeit eilt die LED-Technologie der OLED-Technologie noch um ca. zehn Jahre voraus und verfügt schon über entsprechend reifere Herstellungstechniken (siehe auch Energiebilanz verschiedener Leuchtmittel [4]).

Die Zukunft der Beleuchtung gehört also den Halbleiterbauelementen. LEDs als Punktstrahler und OLEDs als Flächenstrahler ergänzen sich dabei sehr gut, in der gleichen Weise wie auf der Erde die Kombination aus Punkt- (Sonne) und Flächenlicht (Himmel) die Optimalbeleuchtung darstellt.

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Fußnoten:

1. TWh (Terawattstunde) = 1 Mrd. kWh (Kilowattstunde); 1 kWh ist die Energiemenge, die bei einer Leistung von 1000 W innerhalb von einer Stunde umgesetzt wird.

2. anorganisch = nicht belebt, nicht auf Kohlenstoffverbindungen aufbauend; im Gegensatz zu organisch.

3. einkristallin = ein Kristall, im ganzen Festkörper in einer Struktur geordnet; im Gegensatz zu amorph.

4. amorph = nicht kristallin, ohne eine starke Ordnung.

5. Elektronische Bauteile in einem kontinuierlichen Verfahren auf flexiblen Materialien herstellen; dabei sind verschiedene Techniken (z. B. Drucken) oder deren Kombination möglich. Beim Drucken werden anstelle der Druckfarben elektronische Funktionsmaterialien (flüssig oder als Paste) verwendet.

Literatur:

[1] P. Bertoldi und B. Atanasiu, Electricity consumption and efficiency trends in the enlarged european union, EUR 22753 EN, http://re.jrc.ec.europa.eu/energyefficiency, 2007

[2] R. V. Steel, Nature Photonics 2007, 1, 25

[3] S. Reineke et al., Nature 2009, 459, 234

[4] www.osram.de/osram_de/nachhaltigkeit/nachhaltigeprodukte/lebenszyklusanalyse/index.jsp

 

Die Deutsche Physikalische Gesellschaft dankt ihren Autoren Karl Leo, Annette Polte, Malte Gather und Jan Blochwitz-Nimoth