От лампы накаливания к сверхъярким светодиодам: день сегодняшний и завтрашний

"Вестник энергосбережения Южного Урала"

А.В. Ненашев, Институт физики полупроводников СО РАН (Новосибирск)

От лампы накаливания к сверхъярким светодиодам: день сегодняшний и завтрашний

Полупроводниковая электроника — это наиболее динамично развивающаяся отрасль техники. Она уже преобразила нашу жизнь, подарив нам персональные компьютеры, мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты и т. д. Чего можно ожидать от полупроводниковых технологий в области энергетики и энергосбережения? Наиболее очевидная (но не единственная) перспектива — это альтернативный вид освещения, который должен в свое время занять место привычных нам ламп накаливания.

Поясним принцип действия различных осветительных приборов и рассмотрим эффективность преобразования энергии для каждого из них.

Обычная лампочка накаливания только 10% получаемой энергии излучает в виде полезного света, и то не белого, а желтого. Остальные 90% тратятся на нагрев. Почему же так низка эффективность и можно ли как-то это исправить?

Дело в том, что в такой лампочке, как известно, светится раскаленная спираль, а спектр свечения нагретого тела зависит в основном от его температуры. Наш глаз приспособился улавливать свет, излучаемый поверхностью Солнца, которая раскалена до 6000 градусов. Другими словами, солнечный свет по своему спектральному составу как раз оптимален для глаза. Нить накала в лампочке, конечно, имеет гораздо более низкую температуру, поэтому она светится совсем в другом спектральном диапазоне (инфракрасном), и только малая доля излучаемого лампочкой света приходится на видимую часть спектра.

Как же быть? Если источником света служит раскаленная нить, то единственный способ увеличить эффективность — это повышать температуру нити. Для этого колбу заполняют газом под высоким давлением, чтобы нить не испарялась при более высокой температуре, — получается галогенная лампа. Такие лампы используются в различных проекторах, в автомобильных фарах и т. п. Галогенная лампа излучает в видимом диапазоне до 15% затраченной мощности. Если же и такая эффективность нас не устраивает (а хочется 100%), то надо воспользоваться другими принципами излучения света. Здесь мы рассмотрим два принципиально иных источника света: сначала (вкратце) люминесцентные лампы, а потом — светодиоды.

Люминесцентные трубки светятся, когда в них загорается электрический разряд: в заполняющем трубку газе некоторое количество электронов отрывается от своих атомов и движется с ускорением в электрическом поле. Когда такой ускоренный электрон сталкивается с атомом, он отдает энергию в виде ультрафиолетового излучения. Трубка покрыта изнутри люминофором, который поглощает этот ультрафиолетовый свет и переизлучает его уже как видимый свет. С точки зрения КПД это уже гораздо лучше, потому что в принципе ничто не мешает собрать весь ультрафиолет и перевести его в видимый свет. А лампочки накаливания, наоборот, светят в основном инфракрасным светом, с которым уже ничего не сделаешь — он теряется, нагревая саму лампочку и окружающее пространство. Люминесцентные лампы примерно в 4 раза эффективнее ламп накаливания.

Но есть и более перспективный вариант — светодиоды. Светодиод излучает непосредственно видимый свет. Срок действия светодиода — несколько лет непрерывной работы. У него нет бьющейся стеклянной колбы, он безопасен и не содержит ртути и прочих вредных веществ, не перегорает при включении/выключении, не требует высоковольтного питания, он компактен и может быть встроен куда угодно, работает при любой окружающей температуре. Одна беда — светодиодные источники света пока еще слишком дорогие. Но об этом поговорим ниже.

Несомненно, со светодиодами знаком каждый — это те красные и зеленые огоньки-индикаторы, которые применяются в любой бытовой технике. Но до недавнего времени светодиоды были маломощными и не могли светиться синим и белым цветом. Обе эти проблемы были решены в 1990-е годы, и с тех пор уже можно говорить всерьез о замене традиционных источников света сверхъяркими светодиодами.

Теперь самое время разобраться, как работает светодиод и почему он такой хороший. По сути, это тот же самый полупроводниковый диод, который применяется в электрических схемах как выпрямитель, только сделан он не из кремния, а из специальных, так называемых «прямозонных» полупроводников. Вообще полупроводник можно представить себе наглядно как некий двухэтажный дом для электронов. Верхний этаж (который называется «зона проводимости») почти пуст. Нижний этаж («валентная зона»), наоборот, заполнен электронами почти до отказа, но и в нем могут быть свободные места (такие «вакантные места» для электронов по-научному называются дырками). Когда электрон с «верхнего этажа» встречается с дыркой, т. е. с незанятым местом на «нижнем этаже», то у него появляется возможность «спрыгнуть вниз» — этот процесс называется рекомбинацией электрона и дырки. Если на диод подать напряжение нужной полярности (для светодиодов: от 2 до 4 В в зависимости от цвета), то электроны и дырки побегут навстречу друг другу и рекомбинация будет происходить в массовом порядке. Прыгая с «верхнего» этажа на «нижний», электроны теряют энергию; эта энергия может рассеиваться в виде тепла (как происходит в кремниевых диодах), а может и излучаться в виде света — это последнее и есть принцип действия светодиодов. Можно сказать, что светодиод реализует наиболее прямой способ преобразования электрической энергии в свет: электрическая энергия тратится на то, чтобы свести вместе электроны и дырки, и, как только они оказываются рядом друг с другом, они отдают свою энергию в виде света. В светодиоде (идеальном) каждый «спускающийся на нижний этаж» электрон отдает лишнюю энергию, испуская частицу света — фотон. Все рождающиеся фотоны уносят почти одинаковые порции энергии, которые зависят от той «высоты», с которой «спрыгивает» электрон (по-научному: от ширины запрещенной зоны полупроводника). А цвет излучения, в свою очередь, зависит от энергии фотонов: увеличивая энергию, мы движемся от красного цвета к фиолетовому.

Из всех этих пространных рассуждений можно извлечь такой «сухой осадок». Во-первых, светодиод — это маленький кусочек полупроводникового кристалла (встроенный в прозрачный корпус, который служит заодно и линзой для собирания света), у него нет раскаленных, газообразных, агрессивных составных частей. Во-вторых, теоретически ничто не запрещает получить КПД светодиода сколь угодно близкий к 100% (хотя сейчас до 100% еще далеко). В-третьих, светодиод излучает практически чистый спектральный цвет. И в-четвертых, цвет можно подобрать, выбирая в качестве основы полупроводниковый материал с нужной шириной запрещенной зоны.

Неудивительно, что вторжение полупроводников в освещение началось как раз там, где нужен цветной свет. Это в первую очередь светофоры. Здесь преимущества светодиодов очевидны: они светят именно тем цветом, который нужен, а в обычных светофорах нужно ставить поверх лампы цветной фильтр, поглощающий львиную долю светового потока. Светодиодные светофоры стали довольно доступными по цене (сегодня они стоят 10—15 тысяч рублей), а потребляют они мощность всего-навсего около 20 ватт. При этом они практически вечные, а значит, замена перегорающих ламп перестает быть головной болью соответствующих служб.

Эти светофоры уже заслужили всенародную любовь — ведь их свет хорошо виден даже в самую солнечную погоду. Сейчас их можно увидеть не только в столице или за границей, ими, например, оборудованы центральные улицы Новосибирска, Челябинска.

Еще нужно заметить, что светодиоды стали широко применяться для подсветки архитектурных сооружений, создания световых композиций, в ландшафтном дизайне. Здесь, помимо прочего, сыграли роль простота и безопасность монтирования этих источников света — их без проблем можно установить хоть под воду, хоть встроить в лед; а еще их можно сколь угодно часто включать и выключать, создавая динамические эффекты.

Перейдем теперь от цветного к белому свету, который, собственно, больше всего и нужен. Самый прямой способ получить белый свет — это смешать красный, зеленый и синий, как на экране телевизора. Но проще и эффективнее оказалось действовать по-другому: берется синий светодиод, на него наносится слой люминофора, который преобразует часть синего света в желтый — в результате получается белый цвет. Такие светодиоды можно увидеть в карманных фонариках, появившихся недавно в продаже.

Когда же светодиоды придут на замену традиционным лампам в наши квартиры, офисы, подъезды ? Если развитие оптоэлектроники вдруг остановится на достигнутом, то правильным ответом будет — никогда. По данным 2003 года, стоимость белых светодиодов (в пересчете на люмен — единицу светового потока) в 300 раз превышала стоимость лампы накаливания! Конечно, массовое использование таких дорогих осветительных устройств пока нереально, даже если учесть, что срок службы светодиода (порядка 50 000 часов) в десятки раз больше, чем у лампы накаливания. Тем более что по эффективности белые светодиоды сейчас всего в два раза превышают лампы накаливания и даже не дотягивают до люминесцентных ламп дневного света.

Но прогресс движется неумолимо. Производство сверхъярких светодиодов возрастает на 30—40% в год (кстати, 50% всего рынка приходится на подсветку экранов для различных электронных устройств). Соответственно растут и расходы на научно-технические разработки. Так что КПД светодиодов будет расти, а цена на единицу светового потока — стремительно падать. Она уже падает примерно в 10 раз каждые 10 лет. Умеренно оптимистические прогнозы обещают, что к 2020 году полупроводниковые источники света придут в большинство домов.

Между прочим, правительство Москвы не стало дожидаться 2020 года и приняло среднесрочную целевую программу «Энергосберегающее освещение на базе светодиодных технологий» на 2004—2006 гг. Согласно этой программе предлагается использовать светодиоды в опытном строительстве, ЖКХ и других областях. Например, светодиодные светильники будут устанавливаться в подземных переходах, подъездах, на лифтовых площадках, то есть там, где не нужна большая освещенность, но требуется минимум обслуживания и затрат, а также высокая вандалоустойчивость. Излишне говорить, что в США действует аналогичная национальная программа «Solid State Lighting» («Твердотельное освещение»).

Приятно осознавать, что к появлению светодиодов приложили руку и наши соотечественники. Физическое явление, на котором основана работа светодиода, впервые наблюдал О.В. Лосев в Нижнем Новгороде в 1923 году. Современные светодиоды представляют собой гетероструктуры, т. е. слои разных полупроводниковых материалов, выращенные один поверх другого и имеющие общую кристаллическую решетку. А первые гетероструктуры создал Ж.И. Алферов в 1960-е годы, за что и получил Нобелевскую премию 2000 года.

Сегодняшние наши успехи в этой области, впрочем, весьма скромны, но все-таки заметим, что Москва в свое время стала первым в мире городом с массовым применением светодиодных светофоров, установив тысячу таких светофоров к своему 850-летию. Конечно, они были сделаны из импортных светодиодов, но сейчас и в России производятся сверхъяркие светодиоды.

Но опять же основная составляющая часть белого светодиода (полупроводниковая структура, состоящая из нитридов галлия и индия) поступает из-за границы, так как выращивание таких структур — процесс весьма деликатный и требующий дорогостоящего оборудования, которого в России пока нет. Что ожидает в будущем эту отрасль — покажет время.