Auf dem Weg zur Super-Leuchtdiode

20. Februar 2011, 18:53
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Forscher der Uni Kassel arbeiten an leistungsstärkeren, preiswerteren und haltbareren LEDs - Serienproduktion in frühestens fünf Jahren

Kassel - Energiesparlampen, die schon seit einiger Zeit die gute alte Glühbirne aus Büros und Wohnzimmern verdrängen, könnten ihrerseits bereits in einigen Jahren von neuartigen, extrem lichtstarken Leuchtdioden (LED) abgelöst werden, die nur einen Bruchteil der heutigen Dioden kosten. Wissenschafter des Fachbereichs Elektrotechnik der Universität Kassel arbeiten derzeit im Rahmen des europäischen Forschungsverbundprojekts SMASH mit leistungsstarken Computern und Simulationsmodellen an der optimalen Architektur dieser neuartigen Dioden.

Im Zeichen des Klimawandels und schwindender Ressourcen bietet das künstliche Licht ein hohes Einsparpotential. Momentan verbrauche Europa für die Beleuchtung seiner Städte, Dörfer, Tunnel und Straßen bis zu 25 Prozent der elektrischen Energie, meint der Kasseler Forscher Bernd Witzigmann: "Effiziente Einsparungen sind in diesem Bereich extrem wichtig."

Leuchtdioden, die aus einer planen, kristallinen Struktur aus Halbleitermaterial bestehen und die Elektronen des hindurchgeleiteten Stroms in Lichtwellen umwandeln, sind dabei das Mittel der Wahl. Sie strahlen schon jetzt bei gleichem Stromverbrauch bis zu zehn Mal heller als Glühlampen und mehr als drei Mal heller als Energiesparlampen. Handelsübliche LEDs setzen etwa 30 Prozent der aufgenommenen elektrischen Energie in Licht um, bei der Glühlampe sind es nur drei Prozent. Die Forscher wollen mithilfe der Nanotechnik und einer neuen Architektur die Effizienz der LEDs weiter verbessern. Ziel ist es, mit noch weniger Strom, deutlich mehr Lichtausbeute zu gewinnen.

Preiswerte Silizium-Substrate gegen den entscheidenden Nachteil

Das ist nötig, sollen sich die LEDs allgemein durchsetzen und nicht wie heute für Marktnischen wie Autorückleuchten, Displays oder Verkehrsampeln reserviert bleiben. Denn die kleinen Leuchtwunder haben noch einen entscheidenden Nachteil: Sie sind als Wohnzimmer- oder Bürobeleuchtung viel zu teuer. Um die Lichtausbeute einer 60-Watt-Glühbirne zu erreichen, müsse man heute etwa 30 Euro für Leuchtdioden ausgeben, erläutert Witzigmann. Das liege an den hohen Kosten für das Träger- und Halbleitermaterial der jetzigen LEDs und ihrer flachen Architektur. Die LED-Chips würden aus einem teuren Saphirsubstrat hergestellt, das mit dem ebenfalls kostspieligen Halbleitermaterial Galliumnitrid bedampft werde. Diese kleine Fläche setze der Lichtausbeute enge Grenzen, sagt der gelernte Physiker.

Deshalb geht man jetzt neue Wege: Die am SMASH-Projekt beteiligten europäischen Wissenschafter bauen leuchtende "Hochhäuser" in der für das menschlichen Auge unsichtbaren Nano-Welt: Statt des Saphir-Substrats verwenden sie preiswerte Silizium-Substrate. Auf diesem wachsen durch eine ausgeklügelte Herstellungstechnologie sechseckige kristalline Säulen von einem Durchmesser von etwa 100 Nanometer bis zu 3000 Nanometer in die Höhe. Diese verfügen auf dem gleichen Raum wie jetzige LED-Chips über eine viel größere, kompakte Licht abstrahlende Fläche. Das Halbleitermaterial wird durch die Nanotechnik gleichsam gefaltet.

Mithilfe von Computer-Simulationen optimieren die Forscher der Uni Kassel die "Hochhaus"-Strukturen. Witzigmanns Team arbeitet auch daran, dass die Säulen in den Spektralfarben Grün, Blau und Rot leuchten werden. Das Zusammenspiel dieser Farben sorgt dann dafür, dass die neuen Dioden weißes Licht abgeben. Bisher müssen die Dioden noch mit einer fluoreszierenden Schicht überzogen werden, damit sie weiß leuchten.

Prototyp der Superdiode Ende 2012

Die neuen LEDs müssen auch bei hoher Lichtausbeute mit möglichst wenig Widerstand auskommen, damit sie nicht heiß werden. "Wärme ist der begrenzende Faktor für die Lebensdauer der LEDs", erläutert Witzigmann. Eine Diode mit der Lichtausbeute einer 75-Watt-Birne solle im Handel kaum mehr als fünf Euro kosten, dafür aber zehnmal länger als eine Glüh-birne halten.

Auf dem Weg von der Grundlagenforschung bis zur Produktionsreife sind noch einige Hürden zu überwinden. Die Forscher wollen bis Ende 2012 ein Labormodell der neuartigen Diode, einen Demonstrator, bauen. Bis die Produktion der Super-Dioden anläuft, könnten mindestens noch fünf Jahre ins Land gehen, schätzt Witzigmann. Er ist optimistisch, dass es klappt. (red)

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