Melhorando a saída espectral de LED com corante perileno

Feb 26, 2024

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 10841 (2023) Citar este artigo

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Os LEDs oferecem uma ampla gama de saída espectral com alta eficiência. No entanto, as eficiências dos LEDs de estado sólido com comprimentos de onda verdes e amarelos são bastante baixas devido à falta de materiais de bandgap diretos adequados. Aqui, apresentamos e desenvolvemos LEDs verdes aprimorados com perileno que produzem uma maior eficiência de tomada de parede de 48% em comparação com 38% para um LED verde de estado sólido. Embora a eficiência da tomada de parede do LED vermelho aprimorado com perileno ainda seja inferior à de um LED vermelho de estado sólido, demonstramos que os conversores remotos de cores de fósforo são soluções eficazes para ajuste espectral direcionado em todo o espectro visível para iluminação hortícola. Neste trabalho, adaptamos LEDs brancos existentes e aumentamos a fotossíntese por meio do ajuste de saída espectral para obter uma proporção mais alta de vermelho para azul. Nossos resultados mostram uma melhoria significativa no crescimento das plantas em até 39%, após um ciclo de crescimento de 4 meses. Não observamos degradação visível do conversor de cores mesmo sob iluminação contínua com corrente de 400 mA. Isso abre novas oportunidades para o uso de conversores de cores à base de perileno para iluminação ajustável com alto brilho.

A iluminação artificial progrediu desde a lâmpada incandescente até às lâmpadas fluorescentes e aos díodos emissores de luz (LED). A humanidade beneficiou deste avanço tecnológico não apenas em termos de um aumento na eficiência energética, mas também de um aumento na gama de aplicações1,2: dispositivos móveis e computadores portáteis, projetores, comunicações ópticas e até mesmo lâmpadas para cultivo para a agricultura, só para citar um pouco. No entanto, uma das características mais impressionantes dos LEDs é que eles oferecem uma ampla gama de cores. Isto é conseguido usando diferentes materiais semicondutores, que possuem diferentes intervalos de banda, como material emissivo ativo e, assim, produzindo diferentes cores de emissão. Isto é diferente do conceito de aplicação de filtros a uma fonte de banda larga, como uma lâmpada fluorescente, para obter as cores desejadas, o que resulta numa perda de energia.

No entanto, os LEDs têm um problema denominado “lacuna verde”3,4, que é resultado da falta de um material de bandgap direto adequado para a camada emissiva. Geralmente, os LEDs de estado sólido na faixa de 530–580 nm (ou seja, verde a amarelo) apresentam desempenho insatisfatório, em termos de eficiência radiante, em comparação com os LEDs azuis e vermelhos. Os LED azuis e vermelhos têm eficiências superiores a 50%, enquanto os LED verdes e amarelos têm eficiências bastante baixas, abaixo de 40%4. Uma maneira de superar a baixa eficiência dos LEDs verdes de estado sólido é aplicar um fósforo, seja um conversor de cores no chip ou remoto. Estas técnicas já são utilizadas em muitos produtos LED. LEDs brancos podem ser produzidos usando LEDs azuis incorporados com fósforos no chip, por exemplo, Ce:YAG5,6 amarelo. Foi demonstrado que os LEDs brancos convertidos em fósforo produzem cores naturais com alto índice de reprodução de cores (CRI) e alta eficiência de 100 lm/W7. A Nanoco introduziu pontos quânticos vermelhos em seus LEDs brancos para produzir LEDs brancos quentes com alto CRI8. Outro exemplo seria o uso de pontos quânticos (QDs) verdes e vermelhos como conversores de cores para LEDs orgânicos azuis (OLEDs) na mais recente tecnologia de display: QD-OLED9,10. Aqui, mostramos que usando uma certa classe de corantes orgânicos – corantes à base de perileno11,12,13 – podemos alcançar uma melhor eficiência de tomada de parede para LEDs verdes. Escolhemos corantes à base de perileno, pois demonstraram apresentar forte absorção de luz no espectro UV-visível, alto rendimento quântico de fotoluminescência (PLQY) e alta estabilidade fotoquímica e térmica . O corante à base de perileno é introduzido em uma matriz polimérica hospedeira para formar um fósforo remoto e é colocado a uma distância de 4 mm do chip LED. Nesta configuração em que o fósforo remoto é montado próximo ao LED, o LED é chamado de LED com fluorescência aprimorada ou F-LED, para abreviar, e o fósforo remoto é denominado conversor de cor fluorescente (FCC).