LEDs – Nobelpreis 2014 für alltagstaugliche Beleuchtung höchster Effizienz
Ausgabe 26 | Oktober 2015 | „Die Beherrschung von GaN ist eine außerordentliche materialwissenschaftliche Leistung. LEDs revolutionieren die Beleuchtungstechnik. Bald werden sie die Beleuchtung dominieren.“ - Edward G. Krubasik, Präsident der Deutschen Physikalischen Gesellschaft
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Für die Entwicklung extrem effizienter und langlebiger blau leuchtender Halbleiter-Leuchtdioden (LEDs) erhielten die drei japanischen Forscher Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura den Physiknobelpreis des Jahres 2014. Sie hatten es um 1990 geschafft, aus dem halbleitenden Material Galliumnitrid (GaN) Leuchtdioden für blaues Licht herzustellen. Über einen technischen Kniff ließen sich damit erstmalig effiziente und robuste LEDs für weißes Licht herstellen [1], das dem Sonnenlicht ähnelt. Sie stecken mittlerweile in Taschenlampen, Autoscheinwerfern, Straßenbeleuchtungen oder ähnlichen Massenprodukten.
Halbleiter-Leuchtdioden benötigen ein Material mit einer passenden energetischen Bandlücke zwischen dem sogenannten Valenz- und Leitungsband, in dem sich die Elektronen des Festkörpers aufhalten können. Der Abstand der Bandlücke bestimmt die Wellenlänge des erzeugten Lichtes und damit dessen Farbe. GaN und ähnliche Materialien waren bereits in den siebziger Jahren als hervorragende Kandidaten für die Erzeugung blauen Lichtes identifiziert worden; sie ließen sich jedoch trotz größter Anstrengungen technisch lange nicht beherrschen. Wesentlicher Grund war das Fehlen eines passenden Substratmaterials. Akasaki und Amano entwickelten nun einen Prozess, der es erlaubt, auf einem kristallinen Substrat mit stark abweichender Gitterkonstante glatte und nahezu perfekte kristalline GaN-Schichten herzustellen. Diese konnten sie nach Wunsch dotieren. Als Industrieforscher setzte Nakamura diese Erkenntnisse um und entwickelte brauchbare Leuchtdioden mit passenden aktiven Zonen und ausreichender Effizienz [2].
In den vergangenen zwanzig Jahren haben sich weiße Leuchtdioden zu extrem effizienten Lichtquellen entwickelt. Ihr geschicktes Chipdesign erlaubt heute, dass bis zu 90 % des erzeugten Lichtes nach außen abgestrahlt wird. Im Labor erreichen sie mittlerweile Wirkungsgrade von über 75 %. Industriefirmen arbeiten zudem weltweit daran, die Herstellungskosten weiter massiv zu senken.
Der Trick, aus blau strahlenden Leuchtdioden weißes Licht herzustellen, besteht darin, in das Gehäuse einen Leuchtstoff einzubauen, der einen Teil des blauen Lichtes in gelbes umwandelt (s. Abb. 1). Die Mischung aus blauem und gelbem Licht wird vom menschlichen Auge als weiß empfunden. Experten gehen davon aus, dass Leuchtdioden bis Ende unseres Jahrzehnts den Markt der Weißlichtquellen dominieren. Wegen ihrer hohen Effizienz ließen sich etwa 10 – 15 % des weltweiten elektrischen Energieverbrauchs einsparen, was allein in den USA rund 50 große Kraftwerke überflüssig machen würde. Somit erfüllen die drei Nobelpreisträger vorzüglich Alfred Nobels Forderung „besonders zum Wohle der Menschheit beigetragen“ zu haben.
Literatur
[1] Physikkonkret Nr. 17, Juli 2013
[2] H. Riechert, Physik Journal, Dez. 2014
Die Deutsche Physikalische Gesellschaft dankt Henning Riechert vom Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Berlin für die wissenschaftliche Beratung