Noch hellere LEDs

Forscher der Universität München und der Firma Philips hatten es Ende 2013 in die Endausscheidung für den Deutschen Zukunftspreis gebracht. Ihre Erfindung: Leuchtdioden - (LED) - Lampen, die warmweißes, natürlich wirkendes Licht abgeben. Schon heute kann man sie in jedem Supermarkt kaufen.

Jetzt geht die Entwicklung rasant weiter: Auf der Hannover Messe 2014 stellen Fraunhofer-Forscher die nächste Generation der LED-Beleuchtung vor. Sie vereint die Vorteile der bisherigen Technik mit noch höherer Effizienz und Lichtausbeute.

Noch viel Einsparpotenzial

"Derzeit werden nur etwa 50 Prozent des Stroms tatsächlich in Licht umgewandelt", erklärt Michael Kunzer, Forscher am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg, "es gibt also noch einiges zu verbessern: Jedes Prozent Effizienz zählt."

In einer handelsüblichen LED-Lampe gebe es viele Bereiche, wo Energieverluste auftreten. "Es fängt unten beim Treiber - also in der Vorschaltelektronik - an", so Kunzer. "Wenn der schon 20 Prozent Verlust hat, dann fehlt das hinterher bei der Leuchtkraft."

Halbleiter aus Galliumnitrid

Bisher bestehen diese Treiber meist aus Silizium-Halbleitern. Einen Durchbruch haben die Fraunhofer-Forscher mit Halbleitern aus Galliumnitrid erreicht. "Das ist für diese elektronischen Schaltungen relativ neu. Der Treiber erreicht eine Effizienz von 86 Prozent und hat auch das Potenzial sich noch weiter zu steigern", sagt Kunzer.

Die Lichtausbeute derselben Leuchtdiode verdoppelt sich durch die neue Vorschaltelektronik. Und der neue Halbleiter-Schalter kann noch etwas sehr gut: Er eignet sich, den Strom und die Spannung, die an der LED ankommen, gut konstant zu halten, selbst wenn es im Wechselstromnetz Schwankungen gibt.

"Das ist wichtig, weil die Dioden auf Spannungsspitzen sehr empfindlich reagieren", so der Wissenschaftler. "Die Schaltzyklen bei der Umwandlung von Wechsel- in Gleichstrom liegen in einem Bereich von mehreren hundert Kilohertz. Und bei jedem Schaltzyklus hat man Verluste. Und diese kann man durch den Einsatz dieser effizienten Transistoren reduzieren."

Dünne Schichten geben Licht besser ab

Eine andere Möglichkeit, die LEDs von morgen noch heller zu machen, sind sogenannte Dünnfilmleuchtdioden. Bisher geht viel Licht verloren, weil die Photonen - also das Licht - gar nicht richtig aus der eigentlichen Leuchtdiode heraustreten können.

"Man hat eine relativ starke Totalreflektion", sagt Kunzer. "Es ist ein sehr dichtes Material und vergleichbar wie wenn man unter Wasser im Schwimmbad versucht nach außen zu schauen."

Sind die LED-Flächen aber sehr dünn und kommt dann auch noch eine bestimmte optische Oberfläche darauf, die das Austreten des Lichts erleichtert, lassen sich Verluste noch weiter verringern.

Herausforderung: Farbtreue

Auch die natürliche Farbwiedergabe der LED-Lampen der Zukunft dürfte sich so noch weiter verbessern, denn bei höherer Effizienz bringen auch Konversionsfarbstoffe - die blaues, kaltes Licht in warmes, gelbes Licht umwandeln - viel mehr.

Eine Halogenlampe etwa produziert ein sehr farbtreues Licht, was zu gut 100 Prozent dem Tageslicht ähnelt. Leuchtdioden-Lampen waren vor wenigen Jahren noch bei 70 bis 80 Prozent Farbtreue. Doch schon heute kommen die besten LED-Lampen an 95 Prozent heran, bei viel geringeren Energieverlusten.

Damit eignen sie sich sogar für den Medizinbereich, wo Ärzte eine sehr hohe Farbtreue brauchen, um auch feinste Details noch gut zu erkennen.