Forschende entwickeln effizientere QLED-Technologie für Bildschirme

Allerdings sind die «Quantenpunkt Leuchtdioden» (QLED) derzeit so gestaltet, dass nur ein Bruchteil des Lichts den Betrachter erreicht. Die Streuverluste sind enorm. Einem Forschungsteam um Chih-Jen Shih von der ETH Zürich ist es gelungen, diese Verluste zu reduzieren, wie die Hochschule am Montag mitteilte.

Die Quantenpunkte bestehen normalerweise aus einer Vielzahl kugelförmiger Halbleiter-Nanokristalle, die in einem Bildschirm von hinten mit UV-Licht bestrahlt werden. Die Kristalle wandeln das UV-Licht in sichtbares Licht um; je nach Zusammensetzung des Nanokristalls zu unterschiedlichen Farben. Allerdings wird das Licht dabei im Inneren der Kristalle in alle Richtungen gestreut. Nur rund ein Fünftel des erzeugten Lichts erreicht den Betrachter.

Zwar versuchen Wissenschaftler seit einigen Jahren, diese Streuverluste durch Plättchen-förmige statt kugelige Nanokristalle zu reduzieren, da die Plättchen das Licht nur in eine Richtung emittieren. Nebeneinander in einer Schicht angeordnet erzeugen sie allerdings relativ schwaches Licht. Für Bildschirme reicht es nicht, wie die ETH schrieb. Stapelt man die Halbleiterplättchen, gibt es zwischen ihnen Wechselwirkungen, so dass sie das Licht wieder in alle Richtungen statt nur nach vorne aussenden.

Im Fachblatt «Nature Communications» berichten Shih und Kollegen nun, wie sie erstmals ein Material erzeugt haben, dass Licht mit hoher Intensität vorwiegend in nur eine Richtung aussendet: Sie stapelten extrem dünne Halbleiterplättchen von 2,5 Nanometern, aber trennten sie durch eine noch dünnere Isolierschicht von 1 Nanometer, die aus organischen Molekülen besteht.

Die Isolierschicht verhindert quantenphysikalische Wechselwirkungen, wodurch die Plättchen weiterhin Licht vor allem in eine Richtung emittieren. «Je mehr Plättchen wir übereinanderstapeln, desto intensiver wird dabei das Licht», sagte Studienerstautor Jakub Jagielski. «Wir können so die Lichtintensität beeinflussen, ohne dabei die bevorzugte Emissionsrichtung zu verlieren.»

Lichtquellen für blaues, grünes, gelbes und oranges Licht konnten die Wissenschaftler auf diese Weise bereits herstellen. Noch nicht realisieren lässt sich laut den Forschenden rotes Licht, das ebenfalls für eine neue Generation von sparsameren QLED-Bildschirme nötig wäre.

Die Effizienzsteigerung betrifft vor allem blaues Licht. Hierbei erreicht dank des ausgeklügelten Aufbaus nun zwei Fünftel statt nur einem Fünftel des erzeugten Lichts das Auge des Betrachters. «Das heisst, um Licht mit einer bestimmten Intensität zu erzeugen, benötigen wir mit unserer Technologie im Vergleich zur herkömmlichen QLED-​Technologie nur halb so viel Energie», liess sich Shih in der Mitteilung zitieren. Als nächstes wollen die Forschenden auch den bislang kleinen Effizienzgewinn für die anderen Farben auszubauen.