Foto: Jan Winter / TUM
Expertinnen und Experten schätzen, dass etwa 13% der CO2-Emissionen in Deutschland durch die Beleuchtung verursacht werden. Dabei ist das Einsparpotenzial in den Privathaushalten sogar noch größer als in der Industrie, zumindest in Relation zu anderen Energiefressern. Denn die Beleuchtung führt hier sogar zu 15% des Kohlenstoffdioxid-Ausstoßes. Energieeffiziente Systeme sollen das ändern. Eine deutsch-italienische Forschungsgruppe hat dabei einen wichtigen Schritt gemacht. Er könnte Lichtemittierenden elektrochemischen Zellen (light-emitting electrochemical cells = LEC) zum Durchbruch verhelfen.
LECs sind günstig und verbrauchen wenig Energie
LECs sind sehr schlicht aufgebaut und daher sehr günstig. Denn sie bestehen nur aus einer einzigen aktiven Schicht und können unter anderem für Elektrolumineszenzfarben und -aufkleber verwendet werden. Es handelt sich dabei also um Dünnschicht-Beleuchtungsvorrichtungen. Bekannt ist das Prinzip schon sehr lange. Bereits im Jahr 1905 gelang es zwei Wissenschaftlern, Licht in verschiedenen Mineralien und Metallen zu erzeugen, indem sie eine Spannung anlegten – das Prinzip der Elektrolumineszenz war entdeckt. Sie stellten auch fest, dass es einen Zusammenhang zwischen der Lichtstärke, der Spannung und der Wärmeerzeugung gab. Im Grunde genommen handelte es sich bei ihren Experimenten um die ersten Prototypen der lichtemitierenden Dioden (LEDs). Sie sind inzwischen weit verbreitet und können viel Energie und damit auch CO2-Ausstoß einsparen, wenn sie herkömmliche Beleuchtungssysteme ersetzen.
LECs sind noch einfacher aufgebaut: Neben einer Kathode und einer Anode besitzen sie eine Aktivschicht für die mobilen Ionen. Ihre Lichtausbeute ist bislang geringer als die der LEDs. Dafür dürften sie erheblich günstiger sein.
Blaue LEC-Strahler fehlten bislang für die kommerzielle Anwendung
Fakt ist jedoch: In der Praxis spielen LECs bislang so gut wie keine Rolle. Das hängt mit dem Farbspektrum zusammen. Um weißes Licht zu erzeugen – beziehungsweise Licht, dass zumindest vom menschlichen Auge als weiß wahrgenommen wird –, werden üblicherweise die Komplementärfarben Blau und Gelb miteinander gemischt, und Blau galt als ein Problem: „Um günstige Bauelemente zu entwickeln, die weißes Licht abstrahlen, wird Blaulicht benötigt. Der bisherige Mangel an blauen Strahlern behinderte jedoch den Übergang vom Labor zum realen Markt. Die Erzeugung von blauen Strahlern ist demnach ein Meilenstein in der Dünnschichtbeleuchtung. Wenn blaue Bauelemente erst einmal da sind, können wir weiße Bauelemente relativ einfach herstellen“, sagt Rubén D. Costa, Professor am TUM Campus Straubing für Biotechnologie und Nachhaltigkeit. Sein Team hat gemeinsam mit Claudia Barolo von der Universität Turin und deren Mitarbeitenden an dem Thema geforscht.
Dem Team ist es jetzt gelungen, blaue Strahler herzustellen. Dafür haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach einer statistischen Beziehung zwischen der Röntgenstruktur und den elektronischen Merkmalen von Kupfer(I)-Komplexen mit Dimin- und Diphosphinliganden gesucht. Gleichzeitig haben sie die strukturellen und elektronischen Parameter und ihre Wechselbeziehungen zur Bestimmung der Emissionsfarbe, des Wirkungsgrads und der Lumineszenz der Bauelemente analysiert.
Das Ergebnis ist ein neues Design für blaue LECs. Nach Angaben der Forschenden ist auch die Leistung besser als bei Geräten mit herkömmlichen Emittern.
Analyse-Methode könnte zu weiteren Verbesserungen beitragen
„Mit den neuen leistungsstarken blauen LECs können einschichtige weiße LECs auf Kupfer(I)-Basis mit einer hochwertigen weißen Farbe mit einem Farbwiedergabeindex von 90 realisiert werden“, sagt Barolo. Zur Einordnung: Der Farbwiedergabeindex gibt an, wie natürlich Farben von beleuchteten Gegenständen bei einer bestimmten Lichtquelle wirken. Er kann maximal bei 100 liegen, weswegen die Forschenden mit dem Wert von 90 sehr zufrieden sind.
Als sehr positiv schätzen sie dabei nicht nur das erreichte Ziel ein, sondern auch den Weg dorthin – da die neuen LECs vor allem durch eine umfangreiche Datenanalyse entwickelt worden seien, könne man dieses Prinzip weiterverfolgen – um LECs weiter zu verbessern.
Weitere Wege, Energie und CO2 zu sparen:
- Technisches Dämmen spart Energie & CO2
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