¿Alguien puede explicar la ciencia detrás de los LED 230% eficientes del MIT?

Como han dicho otros, una bomba de calor con una eficiencia superior a la unidad no tiene ningún problema con las leyes de la termodinámica. Todavía hay algunos problemas con esto, lo que significa que no es tan bueno como parece.

La eficiencia de una bomba de calor depende de la diferencia de temperatura: puede obtener mayores eficiencias cuando solo aumenta un poco la temperatura. Ahora, la temperatura efectiva de la luz blanca es la temperatura de la superficie del sol, por lo que no hay forma de que esto pueda ser un diodo emisor de luz. De hecho emite a una longitud de onda de unas 2,5 micras, que está en el infrarrojo.

Sin embargo, eso aún corresponde a una temperatura de alrededor de 1200 K. El dispositivo se calienta a 135 grados C, es decir, alrededor de 400 K. Esa es todavía una diferencia de temperatura demasiado grande para que una bomba de calor tenga una eficiencia del 230 %, por lo que claramente hay algo más. pasando

¿Estaban agregando la radiación normal de cuerpo negro del dispositivo? No, lo estaban restando, pero lo interesante es que es mucho más grande que la emisión del dispositivo. En el documento dicen que la emisión del cuerpo negro en el rango de longitud de onda apropiado es de unos 40 nW, mientras que la emisión del dispositivo es de 69pW.

Esto explica cómo pueden tener una bomba de calor con una eficiencia tan alta. Si piensas en la temperatura efectiva para la emisión, bueno, 40 nW son 135 Celsius, por lo que 40,069 nW serán un poco más de 135 Celsius. Así que no hay problema en tener una bomba de calor con una eficiencia del 230%.

Solo puedo suponer que la energía adicional se debe al enfriamiento del medio ambiente. Como hay alguna entrada de energía, eso no contradiría la segunda ley de la termodinámica.

2012-03-08.17:37 EST:

Kian Mayne: ¡Buena pregunta! Dado que todo el mundo sabe que la energía se conserva, el título del resumen del artículo de Gizmodo suena instantáneamente contradictorio. Ciertamente hace que quieras averiguar lo que los autores realmente querían decir, ya que a menos que hayan malinterpretado por completo el artículo original, claramente no querían decir que obtienes 2,3 veces más energía que la luz que ingresas como energía eléctrica.

Una lectura cuidadosa de los artículos resumidos señala cerca del final que de lo que realmente están hablando es de una mayor eficiencia general lograda al convertir no solo la electricidad en fotones, sino también el "calor residual" en luz. El artículo define "calor residual" como "... vibraciones en la red atómica del bulbo...", lo cual es ciertamente cierto ya que esa es prácticamente la definición de calor. También mencionan que la temperatura ambiente afecta el proceso, pero el resumen en sí no brinda suficiente información para evaluar esa parte del reclamo.

Entonces, lo que casi seguramente está sucediendo es esto: enviar electricidad a través de su dispositivo está generando tanto luz como calor, y más energía se convierte en calor que en luz. Eso no es sorprendente, ya que todos los sistemas de iluminación también generan calor. La parte inteligente de lo que ha hecho este grupo, y es realmente inteligente, con un buen potencial si se puede escalar a LED de escala regular, es que han encontrado una manera de recuperar una gran parte de esa energía térmica. y convertir eso en luz también.

Entonces, si hace los porcentajes de la manera más obvia de ver los julios de energía en forma de luz sobre los julios de energía eléctrica enviada al dispositivo mientras está en la temperatura de funcionamiento de equilibrio (para evitar la confusión del calor ambiental), obtendrá obtenga un porcentaje inferior al 100%, como cabría esperar dada la conservación de la energía.

Entonces, el título del resumen de Gizmodo es técnicamente correcto, pero también es confuso porque se refiere a la relación que existe dentro del presupuesto general de energía de la corriente eléctrica que lo impulsa. Por ejemplo, ¡y estoy inventando estas figuras! -- si el dispositivo convirtiera el 30 % de su energía eléctrica de entrada directamente en fotones a través de la recombinación tradicional de electrones huecos, y el 39 % de la energía de entrada en fotones a través de la nueva captura de calor, el presupuesto general aún perdería el 31 % de la entrada original energía, pero no obstante, irradiaría 2,3 veces más fotones (230 %) que un 30 % de LED tradicional para la misma entrada de energía eléctrica.

Entonces, ¿por qué podría ser importante si se amplía? Dos razones, en realidad. El primero, por supuesto, es la eficiencia total. ¡Una salida adicional del 130% para las mismas entradas de energía es una ganancia muy, muy impresionante si se puede ampliar!

Pero el segundo es igual de importante, y posiblemente aún más importante en el esquema más amplio de las cosas: una bombilla de este tipo funcionaría mucho, mucho más fría que un LED normal. La mayoría de las personas no se dan cuenta de que, en este momento, la razón principal por la que las luces LED aún no han desplazado a otras formas de iluminación es que, a pesar de lo frías que son en comparación con las luces incandescentes y fluorescentes, el calor sigue siendo un factor importante en la creación de grandes , luces LED brillantes, ya que los LED son dispositivos de estado sólido con algunos límites definidos sobre la cantidad de calor que pueden manejar antes de que pierdan eficiencia o comiencen a sufrir daños físicos.

Entonces, esto es algo bueno. La ampliación siempre es el problema en tales casos, pero simplemente mostrar que algo como esto es posible es el verdadero comienzo. Este grupo parece haber hecho precisamente eso.

Acabo de leer el documento hoy y aquí está mi opinión, con varios puntos aún sin resolver, cualquier ayuda sería apreciada.

El último párrafo del documento es extremadamente esclarecedor, lo cito aquí (debería estar bien, ¿no?):

En conclusión, se demostró experimentalmente un nuevo régimen para el enfriamiento electroluminiscente de un diodo semiconductor. En este régimen aplicación de un voltaje de polarización directa V menor que el voltaje térmico$k_BT/q$impone una pequeña desviación del equilibrio termodinámico en el dispositivo. En respuesta, las tasas de recombinación tanto radiativa como no radiativa en la región activa del dispositivo tienen contribuciones de orden lineal en V, de modo que la eficiencia cuántica externa EQE es independiente del voltaje. Como resultado, la potencia de salida óptica del LED se escala linealmente con el voltaje, mientras que la potencia de entrada se escala cuadráticamente, lo que da como resultado una generación de fotones arbitrariamente eficiente acompañada de un enfriamiento electroluminiscente neto del sólido con una polarización baja. Se presentaron pruebas experimentales para emisores de banda prohibida pequeña a alta temperatura.

Entonces, la parte inteligente de este enfoque es operar en la región de polarización baja (donde el voltaje térmico es mucho mayor que la polarización directa). Entonces, en este régimen, la concentración de portadores en estado estacionario se eleva y esta cantidad ($\delta n$y$\delta p$) son entonces proporcionales a la polarización directa (de la serie de Taylor de la$e^{qV/k_BT}$relación).

Tanto los procesos de recombinación radiativos (que producen luz) como los no radiativos (que producen calor) son proporcionales a

No estoy exactamente convencido de que$\eta_{EQE}$, la eficiencia cuántica externa es posteriormente independiente del voltaje. Pero matemáticamente probablemente provenga de:

Finalmente, la eficiencia unitaria anterior proviene de cómo la potencia óptica y la potencia de entrada se escalan de manera diferente según la ecuación que usaron:

Creo que la ecuación tiene más sentido si organizamos el primer término en:

Entonces, siguiendo este hilo de pensamiento, el artículo tiene sentido matemáticamente. Sin embargo, me quedan algunas preguntas:

1) Esta relación revela que existe una polarización directa óptima en la que el bombeo de calor es óptimo. Sin embargo, en abstracto, afirma que "la eficiencia del enchufe de pared del dispositivo diverge a medida que V se acerca a 0". ¿Me estoy perdiendo de algo?

2) Todo el tren de las matemáticas tiene sentido. La imagen física que obtengo es que, en baja polarización, se crean un exceso de portadores y una fracción fija de ellos se combinará radiativamente. Y la luz total emitida de alguna manera excede la potencia eléctrica total de entrada, dejando así el$(1-\eta_{EQE})$transportistas... no tengo ni idea...

Echando un vistazo a los otros documentos de Ram (http://www.rle.mit.edu/sclaser/Publications/Bias-dependent.pdf), parece que esto se explicaría con bastante facilidad con un conocimiento del enfriamiento óptico. ¿Alguien puede explicar físicamente cuán bajas FUERZAS de polarización directa extraen energía de la red?

Energía involucrada en el sistema (LED Bombeado Termoeléctricamente):