Может ли кто-нибудь объяснить науку, стоящую за светодиодами Массачусетского технологического института с эффективностью 230%?

Как уже говорили другие, тепловой насос с эффективностью больше единицы не имеет никаких проблем с законами термодинамики. Есть еще несколько проблем с этим, что означает, что это не так хорошо, как кажется.

Эффективность теплового насоса зависит от разницы температур — вы можете получить более высокую эффективность, просто немного увеличив температуру. Теперь эффективная температура белого света равна температуре поверхности Солнца, так что это никак не может быть светоизлучающим диодом. На самом деле он излучает на длине волны около 2,5 микрон, что находится в инфракрасном диапазоне.

Однако это по-прежнему соответствует температуре около 1200 К. Устройство нагревается до 135 градусов С, то есть около 400 К. Это все еще слишком большая разница температур для теплового насоса, чтобы иметь КПД 230%, так что здесь явно что-то еще. продолжается.

Добавляли ли они обычное излучение черного тела от устройства? Нет, вычитали, но самое интересное, что это гораздо больше, чем излучение прибора. В статье говорится, что излучение черного тела в соответствующем диапазоне длин волн составляет около 40 нВт, а излучение прибора — 69 пВт.

Это объясняет, как они могут иметь тепловой насос с такой высокой эффективностью. Если вы думаете об эффективной температуре излучения, то 40 нВт — это 135 градусов по Цельсию, поэтому 40,069 нВт будет немного больше, чем 135 градусов по Цельсию. Так что нет проблем с тепловым насосом с КПД 230%.

Я могу только предположить, что дополнительная энергия связана с охлаждением окружающей среды. Поскольку есть некоторый вклад энергии, это не противоречило бы второму закону термодинамики.

2012-03-08.17:37 ВОСТОЧНОЕ ВРЕМЯ:

Киан Мейн: Хороший вопрос! Поскольку все знают, что энергия сохраняется, заголовок статьи Gizmodo сразу же звучит противоречиво. Это, безусловно, заставляет вас хотеть выяснить, что на самом деле имели в виду авторы, поскольку, если они полностью не поняли исходную статью, они явно не имели в виду, что вы получаете в 2,3 раза больше энергии в виде света, чем вкладываете в виде электрической энергии.

Внимательное прочтение сводных статей ближе к концу показывает, что на самом деле они говорят о более высокой общей эффективности, достигаемой за счет преобразования не только электричества в фотоны, но и «отработанного тепла» в свет. В статье «отработанное тепло» определяется как «... колебания в атомной решетке лампочки...», что, безусловно, верно, поскольку это в значительной степени является определением тепла. Они также упоминают температуру окружающей среды, влияющую на процесс, но само резюме не дает достаточно информации, чтобы оценить эту часть претензии.

Итак, почти наверняка происходит следующее: подача электричества через их устройство генерирует как свет, так и тепло, причем больше энергии уходит в тепло, чем в свет. Это неудивительно, поскольку все световые системы также выделяют тепло. Умная часть того, что сделала эта группа — и это действительно умно, с некоторым хорошим потенциалом, если его можно масштабировать до обычных светодиодов — это то, что они нашли способ вернуть большую часть этой тепловой энергии. и преобразовать это также в свет.

Таким образом, если вы рассчитываете проценты более очевидным образом, рассматривая джоули энергии в форме света по сравнению с джоулями электроэнергии, подаваемой в устройство, когда оно находится при равновесной рабочей температуре (чтобы избежать путаницы с окружающим теплом), вы получите получить процент, который меньше 100%, как и следовало ожидать, учитывая сохранение энергии.

Таким образом, название резюме Gizmodo технически точно, но оно также сбивает с толку, поскольку относится к отношениям, существующим в рамках общего энергетического бюджета электрического тока, приводящего его в действие. Например -- и я придумываю эти цифры! - если бы устройство преобразовывало 30 % входной мощности непосредственно в фотоны посредством традиционной рекомбинации дырочных электронов и 39 % входной мощности в фотоны посредством нового захвата тепла, общий бюджет все равно потерял бы 31 % исходной входной мощности. мощность, но, тем не менее, будет излучать в 2,3 раза больше фотонов (230%), чем традиционный светодиод на 30% при той же потребляемой мощности.

Так почему же это может быть важно, если масштабируется? Две причины, на самом деле. Во-первых, это, конечно же, абсолютная эффективность. 130% дополнительной производительности при тех же затратах энергии — это очень, очень впечатляющий выигрыш, если его можно увеличить!

Но второе не менее важно и, возможно, даже более важно в более широком плане: такая лампа будет работать намного, намного холоднее, чем обычный светодиод. Большинство людей не понимают, что на данный момент основная причина, по которой светодиодные лампы еще не вытеснили другие формы освещения, заключается в том, что, несмотря на то, насколько они прохладны по сравнению с лампами накаливания и люминесцентными лампами, тепло по-прежнему является огромным фактором в создании больших , яркие светодиоды, поскольку светодиоды являются твердотельными устройствами с некоторыми определенными ограничениями на то, сколько тепла они могут выдержать, прежде чем потеряют эффективность или начнут подвергаться физическому повреждению.

Итак, это хорошая вещь. Масштабирование всегда является проблемой в таких случаях, но просто показать, что что-то подобное возможно , — это реальное начало. Эта группа, кажется, сделала именно это.

Я только что прочитал газету сегодня, и вот мой взгляд, с несколькими моментами, которые еще не совсем проработаны, любая помощь будет оценена.

Последний абзац статьи очень информативен, я цитирую его здесь (все должно быть хорошо, верно?):

В заключение экспериментально продемонстрирован новый режим электролюминесцентного охлаждения полупроводникового диода. В этом режиме приложение прямого напряжения смещения V меньше теплового напряжения$k_BT/q$накладывает на устройство небольшое отклонение от термодинамического равновесия. В ответ скорости как излучательной, так и безызлучательной рекомбинации в активной области устройства имеют вклады линейного порядка по V, так что внешний квантовый выход EQE не зависит от напряжения. В результате выходная оптическая мощность светодиода линейно зависит от напряжения, в то время как входная мощность масштабируется квадратично, что приводит к сколь угодно эффективной генерации фотонов, сопровождаемой чистым электролюминесцентным охлаждением твердого тела при низком смещении. Были представлены экспериментальные доказательства для излучателей с малой шириной запрещенной зоны при высокой температуре.

Таким образом, умная часть этого подхода работает в области низкого смещения (где тепловое напряжение намного больше, чем прямое смещение). Тогда в этом режиме повышается стационарная концентрация носителей и эта величина ($\delta n$а также$\delta p$) затем пропорциональны прямому смещению (из ряда Тейлора$e^{qV/k_BT}$отношение).

Процессы излучательной (с выделением света) и безызлучательной (с выделением тепла) рекомбинации пропорциональны

Я не совсем уверен, что$\eta_{EQE}$, внешний квантовый выход впоследствии не зависит от напряжения. Но математически это, вероятно, происходит из:

Наконец, приведенная выше эффективность единства исходит из того, как оптическая мощность и входная мощность по-разному масштабируются в соответствии с уравнением, которое они использовали:

Я думаю, что уравнение имеет больше смысла, если мы организуем первый член в:

Таким образом, следуя этому ходу мыслей, статья имеет математический смысл. Однако у меня осталось несколько вопросов:

1) Это соотношение показывает, что существует оптимальное прямое смещение, при котором оптимальна тепловая накачка. Тем не менее, абстрактно в нем говорится, что «эффективность настенной розетки устройства расходится, когда V приближается к 0». Я что-то упустил здесь?

2) Вся цепочка математики имеет смысл. Физическая картина, которую я получаю, заключается в том, что при низком смещении создаются избыточные носители, и фиксированная часть их будет комбинироваться излучательно. И общий излучаемый свет каким-то образом превышает общую входную электрическую мощность, таким образом оставляя$(1-\eta_{EQE})$перевозчики... не знаю...

Просматривая другие статьи Рама (http://www.rle.mit.edu/sclaser/Publications/Bias-dependent.pdf), кажется, что это можно легко объяснить, зная об оптическом охлаждении. Кто-нибудь может физически объяснить, насколько малы СИЛЫ прямого смещения, извлекающие энергию решетки?

Энергия, задействованная в системе (светодиод с термоэлектрической накачкой):