Weißlicht-LED ohne seltene Erden

Immer stärker verdrängen Leuchtdioden herkömmliche Lichtquellen wie die Glüh- und Leuchtstoff­lampen. Höhere Anschaffungs­kosten werden wegen Langlebigkeit und geringem Strombedarf zunehmend akzeptiert. Um die Produktions­kosten von Weißlicht-LED-Lampen weiter senken zu können, entwickelten Wissenschaftler von der Rutgers University in Piscataway neue Leuchtmittel, die ohne Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden auskommen. Auf der Jahrestagung der American Chemical Society berichten sie über das große Potenzial dieser metallorganischen Hybrid-Materialien.

Jede Weißlicht-LED basiert heute auf einer effizienten, blauen Leuchtdiode. Um Weißlicht zu erhalten, wird ein Gelblicht emittierender Leuchtstoff ergänzt, der oft aus Yttrium-Aluminium-Granat, dotiert mit dem Element Cer, besteht. Jing Li und ihre Kollegen an der Rutgers University setzten sich das Ziel, Weißlicht-LEDs ohne die kostspieligen und meist aus China importierten Metalle Yttrium und Cer zu entwickeln.

Als viel versprechende Kandidaten für diese Phosphore, die nach Anregung mit blauem oder ultraviolettem Licht das gewünschte Gelblicht emittieren, identifizierten sie spezielle metall­organische Verbindungen. In ersten Prototypen nutzten sie aufgedampfte, dünne Schichten aus Cadmiumsulfid-Butyldiamin Cd₂S₂(ba), die sie teilweise mit zusätzliche Mangan­atomen dotierten. Extrem hohe Quanten­ausbeute von nahezu hundert Prozent waren mit diesen Phosphoren möglich.

Der Verzicht auf Seltene Erden war aber nicht der einzige Vorteil dieser neuen Phosphore. Denn je nach Struktur, Zusammen­setzung und Dotierung der dünnen Schichten ließ sich das Emissions­spektrum im gelben Bereich über ein Feintuning der Bandlücken variieren. So waren LED möglich, die in der Summe ein warmweißes Licht emittierten. Diese Lichtqualität ist nach Aussage von Jing Li vergleichbar mit der herkömmlicher Glühlampen und könnte die Akzeptanz von sparsamen LED weiter steigern.

Bevor diese metallorganischen und bereits patentierten Phosphore in der Produktion von Weißlicht-LED Fuß fassen können, muss deren Langlebigkeit allerdings noch unter Beweis gestellt werden. Gelingt dies, könnte sich Jing Li eine weitere Kostensenkung um bis zu neunzig Prozent gegenüber heute verfügbaren Weißlicht-LED vorstellen. Da jedoch mit Cadmium auch ein giftiges Schwermetall in den Leuchtstoffen enthalten ist, müssten diese Leuchtdioden am Ende ihrer Lebenszeit allerdings als Sondermüll entsorgt werden.

Jan Oliver Löfken

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