Mangan als nachhaltige Alternative für LED-Beleuchtung

Leuchtdioden (LED) gelten als Schlüssel für energieeffiziente und flexible Beleuchtungslösungen. Bisher werden in Weißlicht-LED jedoch fast ausschließlich Leuchtstoffe eingesetzt, die auf sogenannten Seltenen Erden wie Europium oder Cer basieren. Diese Elemente zu gewinnen, ist nicht nur kostspielig, sondern auch strategisch nachteilig, da sie hauptsächlich in wenigen Ländern, vor allem in China, in großem Maßstab abgebaut werden. Ein Forschungsteam um Markus Suta von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und Hubert Huppertz von der Universität Innsbruck machte sich daher auf die Suche nach einfacher verfügbaren und leichter zu verarbeitenden Alternativen.

Die Forschenden identifizierten das Übergangsmetall Mangan, genauer gesagt das zweifach positiv geladene Manganion (Mn2+), als passenden Kandidaten. Im Gegensatz zu den Seltenen Erden ist Mangan in der Erdkruste weit verbreitet, kann einfach abgebaut und aus den Erzen gewonnen werden. Zudem ist der Umgang mit dem Element deutlich simpler. Aber warum wurde Mangan bisher trotz verschiedener Forschungsprojekte nicht komerziell für LED eingesetzt? Suta erklärt: „Ein fundamentaler Nachteil liegt darin, dass Mn2+ nur recht ineffizient absorbiert und deswegen die Lumineszenz verhältnismäßig langsam abklingt. Daher sind hohe Leistungsdichten nötig, um eine ausreichende Helligkeit zu erreichen.“

Mn4+ bereits in Displays im Einsatz

Das Ion Mn4+ hat es bereits in die praktische Anwendung geschafft und wird etwa in Displays für Monitore ausgenutzt. Allerdings wird bei der Herstellung der entsprechenden Leuchtstoffe mit der in der Anwendung heiklen Flusssäure gearbeitet. Die Forschenden konzentrierten sich daher auf die Untersuchung der Lumineszenz – der Strahlungscharakteristik – einer besonderen Verbindung: des Mn2+-Ions in sogenannten Alkalilithosilicaten. Diese Verbindungen wurden bereits vor einigen Jahren von Huppertz‘ Arbeitsgruppe als vielversprechende Kandidaten für cyan-emittierende Schmalbandemitter für Displays identifiziert, damals aber noch mit Europium als Emitter.

Suta erläutert: „Anders als Europium- sind Manganionen  viel kleiner und flexibler in der Auswahl bestimmter Koordinationsgeometrien. Mn2+-Ionen leuchten im Umfeld von vier Sauerstoff-Atomen schmalbandig grün, aber eher rot, wenn sie von sechs bis acht Sauerstoff-Atomen umgeben sind.“ Mit den korrekten Details bleibe die Helligkeit der Lumineszenz thermisch relativ stabil. Das sei relevant, weil LED mit solchen anorganischen Leuchtstoffen Betriebstemperaturen von rund 150 °C erreichen können.

Mangan-Leuchtstoff für effizientes weißes LED-Licht

Huppertz sieht einen weiteren bedeutenden Vorteil in der Verwendung von Mangan als Leuchtstoff: „Zusammen mit dem blauen Licht der Halbleiter-LED kann somit mit einem einzigen Leuchtstoff aus verfügbaren Rohstoffen effizient weißes Licht generiert werden.“ Bisher werden dafür in der Regel zwei verschiedene Europium-basierte Leuchtstoffe gemischt, die das blaue Licht der LED in grünes und rotes Licht umwandeln. Auf diese Weise kann laut Suta potenziell eine Weißlicht-emittierende LED mit guter Farbabstimmbarkeit geschaffen werden.

Die Forschenden heben hervor, dass weitere Untersuchungen erforderlich sind, um die Leistungsdichten zu bestimmen, die benötigt werden, um den Mangan-basierten Leuchtstoff ausreichend anzuregen. Huppertz fasst zusammen: „Wir müssen sehen, ob die Helligkeit und der Leistungsverbrauch einer auf unserem Konzept basierenden LED mit Mangan-aktiviertem Leuchtstoff tatsächlich konkurrenzfähig gegenüber den heutigen LEDs ist.“

Weitere Forschung der Mangan-LED-Technologie nötig

Die Ergebnisse der Studie, die in der Fachzeitschrift „Angewandte Chemie“ veröffentlicht wurden, zeigen das Potenzial von Mangan als nachhaltige und kostengünstige Alternative zu den bisher in LED eingesetzten Seltenen Erden. Dennoch sind weitere Forschungen notwendig, um die Leistungsfähigkeit und Effizienz der Mangan-basierten Leuchtstoffe zu verbessern und sie für den praktischen Einsatz in LED-Beleuchtungslösungen tauglich zu machen.

Sollte es gelingen, die noch bestehenden Herausforderungen zu meistern, könnte die Mangan-LED-Technologie einen Beitrag zur Entwicklung nachhaltiger und energieeffizienter Beleuchtungssysteme leisten. Durch den Einsatz eines weit verbreiteten und leicht zu gewinnenden Elements wie Mangan ließen sich nicht nur die Kosten senken, sondern auch die Abhängigkeit von Ressourcen wie den Seltenen Erden verringern.