绝对效率与相对效率： 蓝光LED的效率究竟如何？

可能的重组途径的代表图。(MQW：多量子阱，RL：红色发光，YL：黄色发光）。资料来源：Chiu等人。

氮化镓（InGaN）基蓝色发光二极管（LED）在低温下的绝对内部量子效率（IQE）通常被假定为100%。然而，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校电子和计算机工程研究人员的一项新研究发现，总是完美的IQE的假设是错误的：一个LED的IQE可以低至27.5%。

这项新研究最近发表在《应用物理学通讯》上。

正如ECE副教授Can Bayram所说，LED是终极照明源。自发明以来，由于其能源效率和成本效益，它们已变得越来越受欢迎。

发光二极管是一种半导体，当电流流经该设备时就会发出光。它通过电子和空穴（载流子）的重新结合产生光子，以光子的形式释放能量。发出的光的颜色与光子的能量相一致。

基于InGaN的蓝色LED能够实现明亮和节能的白色照明。向固态照明源的过渡大大减少了能源需求和温室气体排放，但要长期实现节能目标，就必须不断提高效率。美国能源部的2035年路线图要求蓝光LED的效率从70%提高到90%，并进一步节省450太瓦时（TWh）的能源和节省1.5亿公吨的二氧化碳排放。

Bayram说，"问题是，我们如何才能进一步推动这一终极照明源？答案是通过了解其绝对效率，而不是相对效率"。相对效率是以设备本身为基准，而绝对效率则是通过在一个共同分享的尺度上测量效率，从而在不同的设备之间进行比较。

IQE被定义为在半导体有源区产生的光子与注入的电子的比率，是量化LED性能的一个重要指标。最广泛使用的量化IQE的方法是通过与温度有关的光致发光。在这种分析中，人们假设在低温下（4、10、甚至77开尔文），有100%的辐射重组--意味着产生光子。在室温下，由于非辐射机制--以热量而不是光子的形式发射多余的能量--效率要低得多。两种光致发光强度的比率给出了LED的相对效率。

最初的假设是，在低温下，没有非辐射重组--所有的损失机制都被 "冻结"。然而，Bayram和研究生Yu-Chieh Chiu断言，这个假设可能是错误的，因为非辐射效应事实上可能在低温下并没有被完全冻结。

在他们的论文中，Bayram和Chiu展示了一种不同的方法来揭示InGaN基LED的低温绝对IQE。他们使用一个 "基于通道 "的重组模型，报告了令人惊讶的结果：传统蓝宝石和硅衬底上的LED绝对IQE分别为27.5%和71.1%--大大低于标准假设。

为了解释这些意想不到的结果，Chiu说，基于通道的重组模型是思考LED活性层内部发生的事情以及一个通道的重组如何影响另一个通道的方法之一。通道是载流子可能采取的辐射性或非辐射性重组的途径。

"为了确定蓝光LED的效率，通常只考虑蓝色发射，"Chiu说。"但这忽略了设备内部发生的其他一切影响，特别是非辐射和缺陷发光通道。我们的方法是对设备有一个更全面的看法，并确定，如果在蓝色通道中存在重组，那么它是如何被第二和第三通道影响的？"

随着对LED的研究继续推进，了解绝对效率而不是相对效率是很重要的。Bayram强调说："绝对效率对这个领域非常重要，这样每个人都可以在彼此的知识基础上发展，而不是每个小组都提高自己的效率。我们需要绝对测量，而不仅仅是相对测量"。

为了达到能源部规定的效率标准，正确量化LED的效率将越来越重要。即使是1%的效率提高，也会对应着每年数吨的二氧化碳节省。Chiu说："通过了解绝对效率，而不是相对效率，这将给我们一个更准确的画面，并使我们能够通过相互比较来进一步改进设备。"

参考资料：Y. C. Chiu et al, Low temperature absolute internal quantum efficiency of InGaN-based light-emitting diodes, Applied Physics Letters (2023). DOI: 10.1063/5.0142701