Hiệu suất LED vượt ngưỡng 100%

Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã chứng minh được một đèn LED có khả năng phát ra công suất quang lớn hơn công suất điện mà nó tiêu thụ. Mặc dù rất hấp dẫn trên phương diện khoa học, nhưng các kết quả sẽ không tức thời mang lại những loại đèn LED thương mại hiệu quả cực cao vì minh chứng trên chỉ hoạt động đối với những đèn LED có công suất vào rất thấp tạo ra những lượng ánh sáng rất nhỏ.

Các nhà nghiên cứu, gồm Parthiban Santhanam và các đồng tác giả ở Viện Công nghệ Massachusetts, vừa công bố nghiên cứu của họ trên số ra mới đây của tạp chí Physical Review Letters.

Như các nhà nghiên cứu giải thích trong nghiên cứu của họ, điều then chốt để thu được hiệu suất biến đổi năng lượng trên 100%, tức là “hiệu suất đơn vị”, là từ từ giảm điện áp đặt vào. Theo những tính toán của họ, khi điện áp giảm đi một nừa, công suất cấp vào giảm đi 4 lần, trong khi công suất ánh sáng phát ra tỉ lệ thuận với điện áp nên nó cũng giảm đi một nửa. Nói cách khác, hiệu suất của LED tăng khi công suất phát của nó giảm. (Cái ngược lại của mối liên hệ này – hiệu suất LED giảm khi công suất phát của nó tăng – là một trong những vấn đề khó nuốt nhất trong bài toán thiết kế những đèn LED sáng, hiệu quả).

Hiệu suất chuyển hóa năng lượng của một đèn LED biến thiên tỉ lệ nghịch với công suất phát quang của nó. Hiệu suất đó có thể vượt quá 100%, hiệu suất đơn vị, ở điện áp thấp và nhiệt độ cao. Ảnh: Santhanam, et al. ©2012 American Physical Society

Trong thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu đã cho giảm công suất cấp vào của LED xuống chỉ còn 30 picowatt và đo được công suất phát sáng là 69 picowatt – hiệu suất 230%. Cơ chế vật lí hoạt động giống như ở đèn LED khác: khi bị kích thích bởi điện áp đặt vào, các electron và lỗ trống có một xác suất nhất định sinh ra photon. Các nhà nghiên cứu đã không cố tăng xác suất này, như một số nghiên cứu trước đây đã làm, mà thay vậy họ khai thác lượng nhiệt dôi dư để phát ra công suất lớn hơn công suất tiêu thụ. Nhiệt lượng này phát sinh từ các dao động trong mạng nguyên tử của dụng cụ, xảy ra là do entropy.

Quá trình phát ánh sáng như thế này làm nguội đèn LED đi một chút, khiến nó hoạt động giống như một máy lạnh nhiệt điện. Mặc dù sự lạnh đi như thế không đủ để triển khai làm lạnh thực tế ở nhiệt độ phòng, nhưng có khả năng dùng trong thiết kế những loại đèn không sinh nhiệt. Khi dùng làm máy bơm nhiệt, dụng cụ có thể hữu ích cho các ứng dụng làm lạnh bán dẫn hoặc thậm chí phát điện.

Trên phương diện lí thuyết, chiến lược điện áp thấp này cho phép phát ra photon với hiệu suất tùy ý ở điện áp thấp. Vì lí do này nên các nhà nghiên cứu hi vọng rằng kĩ thuật có thể mang lại một phương pháp mới kiểm tra các giới hạn của sự truyền thông điện từ hiệu quả năng lượng.

Tham khảo: Parthiban Santhanam, et al. “Thermoelectrically Pumped Light-Emitting Diodes Operating above Unity Efficiency.” Phys. Rev. Lett. 108, 097403 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.097403

Trọng Nhân – thuvienvatly.com
Nguồn: PhysOrg.com