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Posté par Michel le Samedi 13/04/2013 à 00:00
Les LED sont moins efficaces lorsque l'intensité du courant augmente
Le mystère de la diminution du rendement des diodes électro-luminescentes (DEL, ou LED en anglais) vient d'être résolu par une équipe du Laboratoire de physique de la matière condensée (CNRS/ École polytechnique), en collaboration avec l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa...) de Californie à Santa Barbara. Ce phénomène constitue un verrou limitant l'expansion de ces sources de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de...) efficaces et économes en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). L'équipe franco-américaine vient de montrer que dans une DEL, l'énergie électrique (Un apport d'énergie électrique à un système électrotechnique est nécessaire pour qu'il effectue un travail : déplacer une charge, fournir de la...) ne sert pas uniquement à émettre de la lumière, mais qu'elle contribue également à exciter des électrons dans la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...). Ces travaux, publiés le 12 avril 2013 dans la revue Physical Review Letters, pourraient permettre de contrer cet effet pour obtenir des DELs plus performantes, fournissant une intensité lumineuse beaucoup plus importante.


DEL émettant de la lumière sous injection électrique, dans une enceinte ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger...) vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) permettant l'analyse
en énergie des électrons émis simultanément par cette DEL.
© École polytechnique, Philippe Lavialle

L'efficacité d'une DEL correspond à son rendement de transformation de l'énergie électrique en lumière. Or, les chercheurs savent que, lorsque l'intensité du courant qui traverse (Une traverse est un élément fondamental de la voie ferrée. C'est une pièce posée en travers de la voie, sous les rails, pour en maintenir l'écartement et l'inclinaison, et transmettre au ballast les charges des véhicules circulant sur...) la DEL dépasse un certain seuil, son efficacité diminue. De ce fait, pour maintenir un rendement élevé, les DELs fabriquées commercialement fonctionnent à des densités de courant relativement faibles. Elles sont, par conséquent, à l'unité, moins intenses que d'autres sources de lumière pourtant moins efficaces, comme les lampes à incandescence. Pour obtenir des intensités lumineuses fortes, les industriels doivent accumuler les DELs dans chaque lampe, ce qui augmente considérablement les coûts. Le phénomène de diminution de l'efficacité des DELs constitue donc un frein (Un frein est un système permettant de ralentir, voire d'immobiliser, les pièces en mouvement d'une machine ou un véhicule en cours de déplacement.) important à leur expansion dans des domaines tels que l'illumination d'environnements industriels.

Lorsqu'un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont imposés par l'action de...) traverse une DEL, des paires électron-trou (1) sont injectées dans la structure. Des photons sont émis lorsqu'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) électron-trou se recombine et cède son énergie en émettant de la lumière. C'est ainsi que s'opère la conversion de l'énergie électrique en lumière, dont malheureusement l'efficacité diminue lorsque l'intensité du courant dépasse un certain seuil. Cette baisse était connue depuis 1999, mais son origine demeurait incertaine. L'équipe franco-américaine vient de montrer de façon directe que l'effet Auger est le principal responsable de cette diminution.

L'effet Auger se manifeste lorsque la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à...) d'électrons traversant le semi-conducteur est grande. Alors, une paire électron-trou peut ne pas se recombiner en émettant un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...), mais en excitant un deuxième électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) sous forme d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. L’énergie cinétique d’un corps est...). Ce dernier est appelé électron Auger. Son énergie excédentaire est dissipée sous forme de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). Pour observer l'effet Auger, les chercheurs ont fait passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) un courant dans une DEL, puis mesuré l'énergie des électrons après leur émission dans le vide. Ils ont ainsi observé des pics d'électrons à énergie élevée qui apparaissent dès que le seuil de diminution d'efficacité d'émission lumineuse de la DEL est atteint et dépassé. Ces électrons énergétiques correspondent aux électrons Auger. Cette expérience rappelle celle de Heinrich Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une oscillation...) en 1887 menant à la découverte de l'effet photoélectrique (L'effet photoélectrique désigne l'ensemble des phénomènes électriques d'un matériau provoqués par l'action de la lumière. On distingue deux cas : des électrons sont...), effet expliqué en 1905 par Einstein par la quantification de la lumière sous forme de quanta de lumière, les photons.

Cette première preuve expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit...) de l'effet Auger dans une diode électroluminescente devrait lancer les recherches pour tenter d'enrayer ce phénomène et éviter la diminution de l'efficacité des DELs. Ceci devrait permettre d'obtenir des DELs beaucoup plus lumineuses, capables de remplacer toutes les sources de lumière des environnements commerciaux et industriels, y compris les tubes néon. L'enjeu est considérable, puisque l'on pourrait ainsi économiser environ 50% de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes...) utilisée pour l'éclairage, secteur qui représente entre 15 et 22% de la consommation électrique totale suivant les pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²),...).


Note:

(1) Paire électron-trou: ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) formé dans un semi-conducteur par un électron ayant quitté une bande d'énergie et l'emplacement laissé vacant dans cette bande, équivalant à une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) positive.


Référence:

Direct measurement of Auger electrons emitted from a semiconductor light emitting diode under electrical injection: identification of the dominant mechanism for efficiency droop
Justin Iveland, Lucio Martinelli, Jacques Peretti, James S. Speck, and Claude Weisbuch
Physical Review Letters, 12 avril 2013


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Source: CNRS