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Quantenpunkten: “Echt“ grünes und sonnenähnliches Licht aus LEDs
Vom Schein des Lagerfeuers über Fackeln und Kerzen zum elektrischen Licht – die Menschheit entwickelte im Laufe
ihrer Geschichte immer effizientere und ökonomischere Lichtquellen. Ein neues Zeitalter der Beleuchtung – mit
lichtemittierenden Dioden (LEDs) – ist erst durch die Halbleitertechnologie möglich geworden.
Erste LEDs (60iger Jahre) waren nur in “Rot” möglich, hatten eine Leuchtkraft von nur 0,001 Lumen und kosteten
damals fast 200 $. Durch die schnelle Entwicklung in den darauffolgenden Jahren reduzierte sich der Preis einer LED auf weniger
als 5 Cent, während die Leuchtkraft aufs 100fache des Ursprungswertes erhöht werden konnte – dadurch konnten
schon in den 70iger Jahren LEDs weitverbreitet in alphanumerischen Displays eingesetzt werden. Innerhalb weiterer 30 Jahre wurde
die Lichtstärke der LEDs erneut 100fach stärker – bis hin zum aktuell zu beobachtenden Umbruch, wo immer mehr
herkömmliche Glühlampen durch energiesparendere und trotzdem leuchtkräftigere LED-Lichtquellen ersetzt werden.
Also alles perfekt in Sachen LED? Nein – LEDs liefern nur Licht mit spezifischer Wellenlänge – jeder einzelne
LED-Chip emittiert nur Licht einer einzigen Farbe. Durch Variation des LED-Halbleitermaterials können Farben wie Blau, Rot,
Gelb erreicht werden. Durch Kombination mehrerer dieser farbigen Dioden kann man auch „fast weißes“ Licht erzeugen.
Jedoch ist dieses eben nur fast – und nicht wirklich weiß. Der Grund dafür liegt im Fehlen von Halbleitermaterialien,
die in der Lage sind, grünes Licht zu emittieren; kein blaugrünes, sondern ECHTES GRÜN. Warum nun gerade dieses,
könnte man fragen?
Echt grünes Licht
Echt grünes Licht – mit einer Wellenlänge von 555 nm – ist die Farbe, welche vom menschlichen Auge am besten
wahrgenommen werden kann. Das Auge ist in der Lage, ein einzelnes „grünes“ Photon zu erkennen, scheitert aber am
sicheren Erkennen von 100 „roten“ bzw. „blauen“ Photonen. Grün ist außerdem eine der drei Farben,
die z.B. bei der Erzeugung von Farb-TV-Bildern gebraucht werden und ist die intensitätsstärkste Komponente des Sonnenlichts.
Deshalb ist die, dem menschlichen Auge am „natürlichsten“ vorkommende Strahlung, die der Sonne, wohingegen
„weiße“ LEDs unnatürlich erscheinen. Das möglichst genaue Imitieren des Sonnenlichts ist also ein
nächstes Ziel auf dem Weg zu einer nahezu perfekten Lichtquelle.
Eine Antwort auf die Frage zur besten Strategie, dieses Ziel zu erreichen, kann die Nanotechnologie liefern. Kürzlich
entwickelte winzig kleine Halbeiterkristalle – sogenannte Quantenpunkte (quantum dots, QDs) – sind in der Lage,
Licht einer Wellenlänge zu absorbieren und dabei Licht einer anderen (größeren) Wellenlänge zu emittieren.
Die abgestrahlte Farbe hängt von der Größe dieser Nanokristalle ab. Diese Kristalle können mit höchster
Präzision genau auf die gewünschte Emissionswellenlänge hin abgestimmt werden und sind somit fähig, von rot
über orange und gelb bis hin zu grünem Licht und darüber hinaus zu strahlen.
Somit kann mittels Durchstrahlung von blauem „Standard“-LED-Licht durch einen Konverter aus QDs eine Lichtquelle mit
beliebiger vordefinierter Endfarbe erzeugt werden. Um verschiedene Farben zu erzeugen, muss nicht einmal die LED angepasst,
sondern nur der entsprechende Konverter gewählt werden. Die Kombination verschiedener Konverter oder auch nur verschiedener
QDs im gleichen Konverter ermöglicht so die Erzeugung eines Lichtes mit quasi natürlichem Sonnenlichtspektrum.
Die große Herausforderung hierbei liegt in der Herstellung von langzeitstabilen QDs, die auch dauerhaft hohen
Intensitäten des eingestrahlten Lichts widerstehen, ohne selbst (durch Thermo-/Photolyse, Oxidation) verändert
zu werden. Die Berliner Firma PlasmaChem GmbH entwickelte vor kurzem eine Synthese von superstabilen QDs und die zugehörige
Konvertermatrix. Mit dieser neuartigen Technologie erzeugte Konvertersysteme können Licht sehr hoher Intensitäten,
bislang unerreicht effektiv, in Licht verschiedener Wellenlängen mit einem Spektrum von gelb zu rot in 10nm-Schritten umsetzen.
Damit eröffnen sich neue Horizonte im Gebrauch von LED-Technologie im Alltag und generell für energieeffizientere
Lichterzeugung.