NeoFronteras

LED con un rendimiento del 200%

Área: Tecnología — miércoles, 21 de marzo de 2012

Consiguen un diodo de emisión de luz que emite más energía en forma de luz que la energía con el que se alimenta a costa del calor del dispositivo.

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Esquema de funcionamiento de un LED cualquiera. Fuente: Wikimedia Commons.

Han conseguido desarrollar un diodo de emisión de luz o LED que tiene un rendimiento del 200%. Es decir que emite el doble de energía en forma de luz (infrarroja) que la energía eléctrica con el que se le alimenta. Aunque parezca que se viola algún principio termodinámico no es así. En realidad el dispositivo toma la energía térmica en forma de vibraciones de la red cristalina para emitir ese 100% extra.
El dispositivo fue predicho en 1957 pero hasta ahora no había sido posible conseguir su materialización práctica. Como posible aplicación interesante estaría su uso como bomba de calor óptica de otros dispositivos. Así por ejemplo, se podría usar como sistema de refrigeración criogénico muy eficiente. Digamos que se podría evacuar el calor en un recinto hacia el exterior en forma de luz. También se podría usar en una versión más directa como sistema de iluminación.
La energía de los fotones emitidos por un LED (y por tanto su frecuencia) depende de la zanja de energía del semiconductor empleado, fija para un compuesto determinado. Cuando los electrones y huecos se combinan se emiten fotones (recombinación radiativa) que se llevan la energía del sistema. El voltaje aplicado crea los pares electrón-hueco, pero el voltaje no influye en la energía de los fotones resultantes.
Sin embargo, es posible emitir fotones con energía diferentes de la zanja del semiconductor. La mayoría de las recombinaciones de electrón-hueco no producen fotones, sino calor que es absorbido por el semiconductor en forma de fonones, que son vibraciones cuantizadas de la red cristalina. Estas vibraciones crean una reserva de energía que puede aumentar la energía de los fotones producidos por la recombinación radiativa. En 1957 Jan Tauc (Instituto de Física Técnica de Praga) señalo que si se era capaz de establecer un mecanismo mediante el cual la radiación se llevara el calor de la red cristalina no había problemas a la hora de superar el 100% del rendimiento y además enfriar el entorno.
No se viola el segundo principio de la termodinámica, pues los fotones tienen una entropía que se escapa del sistema. Tendemos a pensar que los fotones son una forma de energía, pero no que pueden ser una forma de “calor” y tener una entropía.
Pero durante estas cinco décadas nadie había sido capaz de implementar esta idea en un dispositivo real hasta ahora y ver cómo se enfriaba el entorno. Aunque se intentó maximizar el número de fotones producidos a través del aumento del voltaje de alimentación no se conseguía enfriamiento porque esta acción producía más calor a través de procesos no radiativos.
Parthiban Santhanam y sus colaboradores hicieron exactamente lo opuesto, redujeron el voltaje hasta sólo 70μV. Además calentaron el LED a 135 grados centígrados para producir suficiente calor en la red cristalina. Consiguieron medir 70 pW de potencia emitidos por el LED cuando sólo se consumían 30 pW. Es decir una eficiencia del 200%.
A un voltaje tan cercano a cero tanto la producción de luz como la disipación casi desaparecen, pero como la potencia disipada es proporcional al cuadrado de la corriente, mientras que la luz emitida es directamente proporcional a la corriente entonces el voltaje de entrada dobla su eficacia.
Una posible aplicación del sistema sería su uso para bombear el calor de un sitio, calor que evacuaría en forma de luz que abandonaría el lugar. Posiblemente su primer uso sería en experimentos de laboratorio, porque las bajas potencias alcanzadas no parecen favorecer usos prácticos.
Santhanam, sin embargo, opina que su uso principal será como fuente de luz en comunicaciones.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3776

Fuentes y referencias:
Noticia en Physics World.
Artículo original.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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6 Comentarios

  1. NeoFronteras:

    Aquí parece que el foco frío es el exterior. Pero si tienen que calentar el dispositivo a esa temperatura para obtener sólo 70 picovatios da la impresión de que es poco práctico, aunque tenga un rendimiento alto. No parece que haya forma de aumentar la potencia, pues si se aumenta el voltaje el efecto desaparece. Parece más bien un efecto marginal. Aunque en criogenia experimental quizás sea útil.

  2. Nostram:

    Umm raro ,raro.
    O sea que podemos enfriar una área convirtiendo el calor en luz.
    O sea que después podemos coger ese diferencial térmico y convertirlo en electricidad (ver artículo de la batería que genera energía gracias al calor ambiental, y que también la convierte en luz), o sea que además de enfriar nuestras viviendas podemos iluminarlas y todo eso sin consumir 1W, no pinta nada mal el futuro.
    Pero a mi me da, que hay algunos gatos escondidos, no sé dónde, pero será cosa de buscarlos.

  3. lluís:

    Pero esos huecos que se combinan con los electrones, ¿son debidos a un fenómeno de inducción?.Por cierto al leer el encabezamiento de la nota, creí que habían dado con una máquina de movimiento perpétuo, de esas de “segundo grado”, que son las que vulneran la segunda ley de la Termodinámica, pero la cosa tiene su punto de truquito.

  4. NeoFronteras:

    Los semiconductores tipo n (de “negativo”) se dopan con átomos que tienen más electrones que los del conductor (el silicio se dopa con fósforo en este caso), así que hay electrones en exceso que hacen de cargas negativas que se pueden mover. En los semiconductores tipo p (de “positivo”) se dopa con átomos de otro elemento que tiene menos electrones (el silicio se dopa con boro en este caso), así que hay huecos (“ausencias de electrones”) que hacen de cargas positivas que se pueden mover creando una corriente. Es así en todos los dispositivos hechos con semiconductores. La combinación esa es típica de los LED.

  5. Gerardo:

    Neo, a tu primer comentario: una cosa es ciencia y otra tecnologia, que el descubrimiento no tenga aplicación practica inmediata no le quita merito. Que hayan logrado probar una teoria de 55 años de antigüedad me parece IMPRESIONANTE!

  6. David:

    Hoy estamos viendo aparecer nuevos materiales y dispositivos electrónicos sorprendentes como los superconductores cerámicos, el grafeno y grafano, y en el campo de la aplicación práctica, dispositivos un diodo LED con un rendimiento de un 200% o una batería térmica de grafeno. también transistores basados en este material (grafeno o grafano), son algunos ejemplos.

    También vemos que cuando se descubre un nuevo material cerámico superconductor, con una temperatura de trabajo más alta se le pide una patente, aunque este no superconduzca todavía a temperatura ambiente. Seguramente el grafeno y grafano también habrán sido patentados tras su descubrimiento, al igual que los diodos LED con un rendimiento de 200%.

    Vemos tambien, que algunos materiales o dispositivos fue predicha su existencia de forma teórica anteriormente a su obtención en un laboratorio. Por ejemplo, el LED de alto rendimiento (de 200%), el dispositivo fue predicho en 1957 pero hasta ahora no había sido posible conseguir su materialización práctica.

    Seguramente el trabajo fue publicado en alguna revista científica, en cuyo caso seguramente a obtenido el ISBN o propiedad intelectual. Pero ¿fue patentado entonces o sólo cuando se ha conseguido su materialización en un laboratorio? ¿Se le reconoce a su descubridor el merito de su predicción sobre la existencia de dicho dispositivo o material, o sólo años después se le reconoce al que lo a obtenido en el laboratorio?

    ¿Que habria pasado si años antes ya hubiese sido predicha la existencia de las cerámicas superconductoras de alta temperatura, el MgB2 (diboruro de magnesio), o el grafeno y grafano, y solo años después de haber sido descritos, ha sido obtenidos por otras personas en laboratorios y confirmados?

    ¿Existe algo parecido a las patentes pero para la predicciones de nuevos materiales y dispositivos, que no implique un gran desembolso pues es sólo un trabajo teórico y el autor de la predicción no espera hacerse rico con ésta?

    Si es uno cientifico (licenciado o doctorado), su articulo puede ser publicado en una revista científica. Pero si uno es un autodidacta no titulado, es decir sin estudios superiores, probablemente no. No conozco ningún caso de una predicción teórica de un nuevo material hecho por algún aficionado a la ciencia, con un nivel de por ejemplo FP2 de química (Ciclo Formativo Superior), en cuyo caso tendría que ser estable en condiciones convencionales de prsión y temperatura, (temperatura ambiente). Pues los estudios cuánticos, a bajas temperaturas son ya muy complicados (Los superconductores BCS p.ej): Si un aficionado autodidacta o una persona que hace un estudio básico de la posible existencia de un nuevo material, como p. ej. el grafeno, o un nuevo dispositivo, como un nuevo LED, ¿como puede dar a conocer su idea en forma de articulo publicado en alguna revista cientifica? ¿Se lo puede revisar en alguna universidad? ¿Hay otra forma?

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