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chemie&more - Energie: Licht – Lampen – Lumineszenz

Leuchtstoffe der Zukunft

von Prof. Dr. Claudia Wickleder

Prof. Dr. Claudia Wickleder, Institut für anorganische Chemie, Universität Siegen

Zurzeit befindet sich die Beleuchtungstechnik durch das aktuelle EU- Glühbirnenverbot in einem drastischen Umbruch. Energiesparlampen, welche Glühbirnen ersetzen sollen, finden jedoch wenig Akzeptanz in der Bevölkerung. Das emittierte Licht wird als „kalt“ beschrieben und in der Boulevard-Presse (Bild-Zeitung, 11.9.2009: „Jetzt auch noch Elektrosmog!!! Wie gefährlich sind die neuen Energiesparlampen?“) wird von zahlreichen durch sie verursachten Krankheiten wie Depressionen, Potenzstörungen, Sonnenbrand bis hin zu Krebs berichtet, jedoch entbehren diese Meldungen stets einer wissenschaftlichen Grundlage. Aber auch die Berichterstattung in seriösen Medien ist meist wissenschaftlich nicht fundiert (Frankfurter Rundschau, 1.9.2009: „Prof. Dr. Axel Buether, Hochschule für Kunst und Design Halle: „Das wirkt wie ein Lustkiller“).

Energiesparlampen
Energiesparlampen funktionieren wie alle Entladungslampen („ Neonröhren“) nach dem Drei-Farben-Prinzip. Dabei werden Quecksilberatome in der Gasphase durch eine Entladung angeregt, welche daraufhin UV-Strahlung aussenden, die wiederum die an den Wänden der Glasröhre angebrachten Leuchtstoffe anregt (Abb. 1).

Bei den gängigen Lampen werden in der Regel drei Leuchtstoffe verwendet, nämlich ein blau, ein rot und ein grün emittierender (Abb. 2). Dabei fehlt die Gelbkomponente und die Emissionsbanden des roten und grünen Leuchtstoffs sind sehr schmal (Abb. 3), wie es für dreiwertige Selten-Erd-Ionen typisch ist. Das Lampenspektrum ist daher durch eine Linienemission gekennzeichnet – im Gegensatz zur Breitbandemission z.B. des Sonnenspektrums. In Lampen von besonders hoher Farbqualität, die z.B. in Museen verwendet werden, sind aus diesem Grund bis zu acht, meist Lanthanid-basierte Leuchtstoffe enthalten, die den sichtbaren Bereich vollständiger abdecken. Andere Lampen wie z.B. Pflanzen- oder Aquariumlampen oder solche zur Therapie bei Hauterkrankungen funktionieren nach dem gleichen Prinzip mit ähnlichen Leuchtstoffen. Der Vorteil dieser Drei-Farben-Lampen besteht darin , dass sie – je nach
Mischungsverhältnis – eher warmes Licht (hoher Rotanteil, tiefe Farbtemperatur) oder eher kaltes Licht (hoher Blauanteil, hohe Farbtemperatur) emittieren (Abb. 4), die Lichtfarbe kann also dem Verwendungszweck angepasst werden.

Abb. 3: Emissionsspektren
Abb. 4: Von der CIE (Commision International de l’Eclairage) festgelegtes Farbdreieck, das auf der Farbwahrnehmung des menschlichen Auges beruht. Zu Grunde gelegt ist ein 2-dimensionales Koordinatensystem. Damit kann durch die Angabe der Farbkoordinaten x und y jede beliebige Farbe und Sättigung beschrieben werden.

Es sind außerdem Lampen erhältlich, die einen extrem hohen Rotanteil besitzen und zur Illumination von Fleisch- und Wurstwaren in Supermärkten verwendet werden und die Kunden zum Kaufen animieren sollen. Daher wirkt Fleisch vor dem Einkauf oft viel appetitlicher und frischer, als es tatsächlich ist! Lampen mit einem hohen Grünanteil werden in Obst- und Gemüseabteilungen und in Blumenläden verwendet. Ein bedeutender Nachteil der Energiesparlampen ist das enthaltende Quecksilber. Obwohl der Gehalt, zumindest in europäischen Lampen, bei unter 3 mg pro Lampe liegt, ergibt sich doch durch die große Anzahl der Lampen in der Summe eine nicht unerhebliche Menge. Daher müssen alle Entladungslampen als Sondermüll entsorgt werden. Darüber hinaus bewirkt das anfängliche Verdampfen des Quecksilbers, dass die maximale Helligkeit erst nach einiger Zeit erreicht wird, ältere Lampen flackern beim Einschalten. Daher können Entladungslampen nicht als Bremslichter oder für Kopierer verwendet werden. Ein anderer, bedeutender Nachteil ist die noch nicht zufrieden stellende Effizienz (Abb. 5), da die Anregungsenergie von 254 nm (4,9 eV) in Emissionen mit einer durchschnittlichen Energie von 555 nm ( 2,2 eV) umgewandelt wird. Dies bedeutet einen Verlust von 55 % der Anregungsenergie, der als Wärme verloren geht. Dazu kommen andere Verluste, sodass die Effizienz nur bei ca. 100 Lumen/Watt liegt.

Leuchtdioden (pc-LEDs)

Eine viel versprechende Alternative sind leuchtstoffbeschichtete Leuchtdioden (phosphor-coated LEDs, pc-LEDs). Der Grundkörper ist eine blau emittierende Halbleiter-LED. Dafür wird Ga/InN verwendet, das man durch Mischkristall-Bildung der isotypen Verbindungen GaN (UV-Emission) und InN (grüne Emission) erhält. Allgemein ist es möglich, das Emissionsmaximum durch das Mischungsverhältnis zwischen UV und grün einzustellen. Diese blauen LEDs werden mit dem gelben Leuchtstoff Ce-YAG beschichtet. Aus der Summe ergibt sich blauweißes Licht ( Abb. 6). Diese Leuchtmittel haben gegenüber Energiesparlampen enorme Vorteile. Zum einen beinhalten sie ungiftige Verbindungen. Zum anderen ist ihre Effizienz bereits jetzt höher als die von Glühbirnen und sogar Energiesparlampen (Wirkungsgrad Glühbirnen: 5 %, LEDs: 60 %). Eine weitere drastische Steigerung ist zu erwarten, jetzige Prognosen gehen von 200 Lumen/Watt aus. Diese pc-LEDs werden bereits für zahlreiche Anwendungen wie die Innen- und Außenbeleuchtung von Fahrzeugen, in Ampeln und als Hintergrundbeleuchtung von Displays (Fernseher, Computerbildschirmen und Handys) eingesetzt. Jedoch ist der große Nachteil der kommerziellen LEDs deren schlechte Farbqualität, die sich aus der Emission nur zweier Leuchtstoffe ergibt. Außerdem wird das blauweiße Licht als kalt empfunden, sodass der breite Einsatz für Lampen nicht zu erwarten ist. Zukünftige pc-LEDs werden daher mehrere Leuchtstoffe als Beschichtung enthalten, sodass die Lichtfarbe variiert und die Lichtqualität verbessert werden kann. Zu diesem Zweck müssen neue Leuchtstoffe entwickelt werden, die im langwelligen Bereich (Grün bis Rot) mit hoher Quantenausbeute emittieren und im nahen UV-Bereich (450 nm, 2,8 eV) effizient angeregt werden können und darüber hinaus extrem strahlungsstabil sind, um eine lange Lebensdauer der Lampen zu gewährleisten, die auch bei höheren Temperaturen nicht quenchen und zudem bei moderaten Temperaturen hergestellt werden können. Keiner der bisher entwickelten Leuchtstoffe, die in der Regel Eu2+ als Aktivatoren enthalten, erfüllt bisher alle diese Forderungen.

Zukünftige Entwicklungen

Weltweit werden derzeit 19 % der elektrischen Energie für Beleuchtungszwecke verwendet, das entspricht 3100 TWh jährlich. Durch einen flächendeckenden Einsatz von Energiesparlampen würden jährlich 515 Millionen Tonnen CO2-Emission gespart werden, dieser Wert wird sich durch den Einsatz von pc-LEDs noch steigern lassen, allerdings muss deren Farbqualität und Lichtfarbe verbessert werden. Die Entwicklung von geeigneten Leuchtstoffen ist sicherlich eine der gegenwärtigen großen Herausforderungen der physikalischen und anorganischen Festkörperchemie. Da zwei- und dreiwertige Lanthanid-Ionen für diese und andere optische Anwendungen die nahezu einzig möglichen Kandidaten darstellen, ergibt sich ein Problem im Hinblick auf die der Ressourcen. Zwar sind seltene Erden bei Weitem nicht so selten, wie ihr Name vermuten lässt und daher für viele Anwendungen in ausreichender Menge vorhanden, jedoch sind die weltweit größten Vorkommen in China zu finden, sodass in diesem Zusammenhang eine politische Abhängigkeit entstehen wird. Andererseits sind die Ressourcen des Elementes Indium sehr begrenzt. Aus diesem Grund wäre es wünschenswert, wenn die entsprechenden zurzeit verwendeten LED-Chips langfristig mit anderen Materialien betrieben werden oder andere Technologien genutzt werden könnten. Auch hier ist die chemische Forschung gefordert.