Elektrolüminesansta çoklu bağlantı prensibi ile verimlilik artışı

Araştırmacılar LED’lerin (ışık yayan diyotlar) temel çalışma prensibini oluşturan elektrolümnesans etkisinin çoklu bağlantı sayesinde verimliliğinin arttığını keşfettiler. Fotovoltaik etkinin tersi olan elektrolüminesans etkisi bu gelişmeyle bize teknolojide yeni kapılar açılmasını sağladı.¹

Elektrolüminesans, bir maddenin elektriksel uyarılma sonucu ışık yayma olgusudur. Bu elektronların seviyeleriyle ilgili bir durumdur. Elektriksel enerji, elektronları daha yüksek bir enerji seviyesine çıkarır ve bu elektronlar daha düşük bir enerji seviyesine geri dönerken foton (ışık) yayarlar. Düşük enerji seviyesine dönmek aynı zamanda enerji kaybetmek anlamına gelir. Eğer yayılan ışığın enerjisi, yarı iletkenin içindeki mevcut elektrik enerjisinden daha yüksekse, bu fark çevredeki ısıdan karşılanır. Böylece yarı iletkenin sıcaklığı düşer ve çevresinden ısı çekilmiş olur. Bu duruma elektrolüminesans soğutma etkisi denir. Yıllar önce fark edilen bu etki son teknolojik gelişmelerle yeniden gündeme geldi.²

Fotovoltaik etki ile elektrolüminesans etkisi birbirlerinin tersi süreçlerden oluşur. Çoklu bağlantı yapılandırmasının fotovoltaiklerde kullanılmasının verimliliği artırdığını biliyoruz ancak elektrolüminesans üzerinde göstereceği tepki daha önce araştırılmamış. 

Araştırmacılar, elektrolüminesans soğutma sistemlerindeki soğutma gücü üzerine bir analiz gerçekleştirdiler. Yarı iletken malzemelerle çift bağlantı yapısı içeren bir sistem oluşturdular. Sistem, farklı bant aralıklarına sahip çoklu yarı iletken katmanlardan ve katmanlar arasına yerleştirilmiş düşük geçişli enerji filtrelerinden oluşuyordu. Her yarı iletken katman soğuk rezervuara bağlandı ve sıcak rezervuar görevi gören siyah bir gövdeye doğru fotonlar yaydı. Her yarı iletken katmana bir voltaj uygulanarak harici elektrik gücü sağlandı. Çalışmanın sonucunda birden fazla yarı iletken katmanın bir araya getirilmesiyle, tek başına kullanılan bir katmanın sağlayamayacağı kadar yüksek bir performans elde edildiği gösterildi. Yani, farklı yarı iletken katmanlar birlikte çalıştığında, sistemin toplam verimliliği ve soğutma kapasitesinin arttığı gözlemlendi.³

Yarı iletken katmanlarının seçimi, sistemin verimliliği açısından kritik bir rol oynamaktadır. Galyum arsenit (GaAs) ve indiyum fosfit (InP) gibi malzemeler, yüksek verimlilik ve uygun bant aralığı özellikleri nedeniyle tercih edilmektedir. Ancak, yeni nesil malzemelerle yapılan araştırmalar, grafen bazlı yarı iletkenler veya perovskit bileşiklerinin de bu tür sistemlerde etkin şekilde kullanılabileceğini göstermektedir. Gelecekte malzeme bilimi alanındaki ilerlemeler, elektrolüminesans tabanlı soğutma sistemlerinin daha da geliştirilmesine katkı sağlayacaktır.

Belirli bir soğutma gücü yoğunluğu hedefleniyorsa, sisteme daha fazla yarı iletken katman eklemek her bir katmanın çalışması için gereken voltajın düşmesini sağlamaktadır. Voltajın düşmesi, enerji tüketimini azaltır ve sistemin enerji verimliliğini artırır. Bu da sistemin performans katsayısını (sistemin ne kadar verimli çalıştığını gösteren bir ölçü) iyileştirir. Yani, daha fazla katman eklemek, hem enerji tüketimini optimize eder hem de sistemin genel soğutma performansını artırır.

Elektrolüminesans soğutma etkisinin iyileştirilmesi, birçok ileri teknoloji alanında devrim niteliğinde yenilikler getirebilir. Özellikle yüksek hassasiyet gerektiren elektronik bileşenlerde ve uzay teknolojilerinde bu sistemlerin kullanımı, cihazların aşırı ısınmasını önleyerek daha uzun ömürlü ve verimli çalışmasını sağlayabilir. Bunun yanı sıra, termal yönetimin kritik olduğu kuantum bilgisayarlar, optoelektronik sistemler ve kızılötesi dedektörler gibi alanlarda da önemli uygulamalara sahip olabilir.

Kaynaklar

1. Park, Y., & Fan, S. (2024). Multijunction Electroluminescent Cooling. PRX Energy, 3(3), 033002.
2. MA Weinstein, “Isının Işığa Dönüştürülmesinde Termodinamik Sınırlama”, J. Opt. Soc. Am. 50, 597-602 (1960)
3. https://techxplore.com/news/2024-12-theorists-approach-electroluminescent-cooling-inverted.html