Un nuevo estudio realizado por investigadores del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha desafiado una suposición comúnmente aceptada en la industria de la iluminación. 

Según la investigación titulada «Eficiencia cuántica interna absoluta a baja temperatura de los LED basados en InGaN», publicada recientemente en la revista Applied Physics Letters, se ha descubierto que la eficiencia cuántica interna (IQE, por sus siglas en inglés) de los diodos emisores de luz (LED) azules basados en indio y galio (InGaN) puede ser tan baja como 27.5%, en lugar del 100% que se había asumido previamente.

Desde su invención, los LED se han convertido en una fuente de iluminación muy popular debido a su eficiencia energética y su rentabilidad. Estos dispositivos semiconductores generan luz cuando la corriente eléctrica atraviesa el dispositivo, produciendo fotones mediante la recombinación de electrones y huecos. El color de la luz emitida corresponde a la energía del fotón.

En particular, los LED azules basados en InGaN han permitido la creación de sistemas de iluminación blanca brillante y energéticamente eficientes que vemos actualmente en todo tipo de aplicaciones. La transición hacia fuentes de iluminación de estado sólido ha reducido significativamente el consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero a nivel global.

Sin embargo, para alcanzar los objetivos de ahorro energético a largo plazo, se requieren mejoras continuas en la eficiencia. Un ejemplo de ello es el plan estratégico del Departamento de Energía de los Estados Unidos que para 2035 estipula que la eficiencia de los LED azules debe aumentar del 70% al 90%, lo que permitiría ahorrar 450 teravatios-hora (TWh) de energía y reducir las emisiones de CO2 en 150 millones de toneladas métricas.

Ante esto, el profesor asociado Can Bayram, del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Computación, se hace la siguiente pregunta: es, ¿cómo podemos impulsar aún más la eficiente esta fuente de iluminación definitiva?. Para Bayran, el desafío reside en comprender la eficiencia absoluta de los LED, en lugar de limitarse a la eficiencia relativa. “Mientras que la eficiencia relativa se compara dentro del mismo dispositivo, la eficiencia absoluta permite realizar comparaciones entre diferentes dispositivos al medir la eficiencia en una escala compartida comúnmente”, detalla Bayram. 

La Eficiencia Cuántica Interna  (IQE por sus siglas en inglés) se define como la relación entre los fotones generados y los electrones inyectados en la región activa del semiconductor, y es una métrica importante para cuantificar el rendimiento de los LED. Hasta ahora, la forma más común de medir la IQE ha sido mediante fotoluminiscencia dependiente de la temperatura. En estos análisis, se asumió que a bajas temperaturas (4, 10 e incluso 77 Kelvin), no existía recombinación no radiativa y se obtenía una eficiencia del 100% en la emisión de fotones. 

Sin embargo, a temperatura ambiente, debido a mecanismos no radiativos que emiten energía en forma de calor en lugar de fotones, la eficiencia es significativamente menor. La relación entre las intensidades de fotoluminiscencia a diferentes temperaturas proporciona una medida relativa de la eficiencia del LED.

El estudio realizado por Bayram y el estudiante de posgrado Yu-Chieh Chiu propone un enfoque diferente para revelar la IQE absoluta a bajas temperaturas en los LED basados en InGaN. Utilizando un modelo de recombinación basado en «canales», han obtenido resultados sorprendentes: la IQE absoluta del LED sobre sustratos tradicionales de zafiro y silicio es del 27.5% y 71.1%, respectivamente, lo cual es drásticamente más bajo que la suposición estándar.

Chiu explica que el modelo de recombinación basado en canales proporciona una visión más completa de lo que sucede en la capa activa del LED y cómo la recombinación en un canal afecta a otros canales. Un canal es una vía por la cual un portador puede recombinarse de forma radiativa o no radiativa.

«Normalmente, al determinar la eficiencia de un LED azul, solo se considera la emisión azul. Pero eso ignora los efectos de todo lo que sucede dentro del dispositivo, específicamente los canales de luminescencia no radiativa y de defectos. Nuestro enfoque es obtener una visión más integral del dispositivo y determinar cómo se ve afectada la recombinación en el canal azul por el segundo y tercer canal” explica Chiu. 

El conocimiento de la eficiencia absoluta, en lugar de la eficiencia relativa, es crucial para la mejora continua de los LED y la comparación precisa entre diferentes dispositivos. Un aumento del 1% en la eficiencia puede generar un ahorro significativo de dióxido de carbono anualmente. 

“La eficiencia absoluta es muy importante para el campo, ya que permite que todos se basen en el conocimiento de los demás en lugar de que cada grupo mejore su propia eficiencia. Necesitamos mediciones absolutas, no sólo mediciones relativas”, concluye Bayram. 

En resumen, este estudio revelería una realidad sorprendente: la eficiencia cuántica interna de los LED basados en InGaN puede ser mucho más baja de lo que se creía anteriormente. Este descubrimiento desafía las suposiciones comunes y resalta la necesidad de medir y mejorar la eficiencia de los LED en términos absolutos. 

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