Amélioration de la sortie spectrale des LED avec un colorant au pérylène

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 10841 (2023) Citer cet article

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Les LED offrent une large gamme de sorties spectrales avec des rendements élevés. Cependant, l’efficacité des LED à semi-conducteurs avec des longueurs d’onde vertes et jaunes est plutôt faible en raison du manque de matériaux à bande interdite directe appropriés. Ici, nous introduisons et développons des LED vertes améliorées au pérylène qui produisent un rendement de prise murale plus élevé de 48 %, contre 38 % pour une LED verte à semi-conducteurs. Bien que l'efficacité de la prise murale de la LED rouge améliorée au pérylène soit encore inférieure à celle d'une LED rouge à semi-conducteurs, nous démontrons que les convertisseurs de couleur de phosphore à distance sont des solutions efficaces pour un réglage spectral ciblé sur tout le spectre visible pour l'éclairage horticole. Dans ce travail, nous modernisons les LED blanches existantes et augmentons la photosynthèse via un réglage de la sortie spectrale pour obtenir un rapport rouge/bleu plus élevé. Nos résultats montrent une amélioration significative de la croissance des plantes jusqu'à 39%, après un cycle de croissance de 4 mois. Nous n'observons aucune dégradation visible du convertisseur de couleurs même sous éclairage continu avec un courant de 400 mA. Cela ouvre de nouvelles opportunités pour l’utilisation de convertisseurs de couleurs à base de pérylène pour un éclairage réglable avec une luminosité élevée.

L'éclairage artificiel est passé de l'ampoule à incandescence aux lampes fluorescentes et aux diodes électroluminescentes (DEL). L’humanité a bénéficié de ce progrès technologique non seulement en termes d’amélioration de l’efficacité énergétique, mais aussi d’augmentation de la gamme d’applications1,2 : gadgets mobiles et ordinateurs portables, projecteurs, communications optiques et même lampes pour l’agriculture, pour ne citer que celles-ci. quelques. Cependant, l’une des caractéristiques les plus impressionnantes des LED est qu’elles offrent une large gamme de couleurs. Ceci est obtenu en utilisant différents matériaux semi-conducteurs, qui ont des bandes interdites différentes, comme matériau émissif actif et en produisant ainsi différentes couleurs d'émission. Ceci est différent du concept consistant à appliquer des filtres à une source à large bande comme une lampe fluorescente pour obtenir les couleurs souhaitées, ce qui entraîne une perte d'énergie.

Néanmoins, les LED présentent un problème appelé « espace vert »3,4, qui résulte de l'absence d'un matériau à bande interdite directe approprié pour la couche émissive. Généralement, les LED à semi-conducteurs dans la plage de 530 à 580 nm (c'est-à-dire du vert au jaune) fonctionnent mal, en termes d'efficacité radiante, par rapport aux LED bleues et rouges. Les LED bleues et rouges ont un rendement supérieur à 50 %, tandis que les LED vertes et jaunes ont un rendement plutôt faible, inférieur à 40 %4. Une façon de surmonter le faible rendement des LED vertes à semi-conducteurs consiste à appliquer un phosphore, soit un convertisseur de couleur sur puce, soit à distance. Ces techniques sont déjà utilisées dans de nombreux produits LED. Les LED blanches peuvent être produites en utilisant des LED bleues intégrées avec des phosphores sur puce, par exemple jaunes Ce:YAG5,6. Il a été démontré que les LED blanches converties en phosphore produisent des couleurs naturelles avec un indice de rendu des couleurs (IRC) élevé et une efficacité élevée de 100 lm/W7. Nanoco a introduit des points quantiques rouges dans ses LED blanches pour produire des LED blanc chaud avec un CRI8 élevé. Un autre exemple serait l'utilisation de points quantiques (QD) verts et rouges comme convertisseurs de couleurs pour les LED organiques bleues (OLED) dans la dernière technologie d'affichage : QD-OLED9,10. Nous montrons ici qu’en utilisant une certaine classe de colorants organiques – les colorants à base de pérylène11,12,13 – nous pouvons obtenir une meilleure efficacité de prise murale pour les LED vertes. Nous choisissons des colorants à base de pérylène, car il a été démontré qu'ils présentent une forte absorption de la lumière dans le spectre UV-visible, un rendement quantique de photoluminescence (PLQY) élevé et une stabilité photochimique et thermique élevée14,15,16,17. Le colorant à base de pérylène est introduit dans une matrice polymère hôte pour former un phosphore distant et est placé à une distance de 4 mm de la puce LED. Dans cette configuration où le phosphore distant est monté à proximité de la LED, la LED est appelée LED à fluorescence améliorée ou F-LED en abrégé, et le phosphore distant est appelé convertisseur de couleur fluorescent (FCC).