Les LEDs, éclairage du futur, économies d'énergie et effet rebond

Les LEDs, éclairage du futur, économies d'énergie et effet rebond Jean-Yves Duboz, CRHEA 45 59 27 novembre 2014

Histoire de l éclairage (classique) soleil feu huile - 4M - 0.7M - 20k homme Pétrolebougie 1850 Ampoule halogène incandescence 1880 1960

8 hc U(, T) 5 e hc 1 kt 1 50% énergie solaire émise dans le visible: hasard, chance?

intensité (u.a.) 8 hc U(, T) 5 Planck 0.009 0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 bleu rouge e hc 1 kt Corps noir 1 0.000 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 longueur d'onde (µm) T=2700K amp. incandescence T=3000K halogène Ampoule-halogène: entre 3.5 et 6% de l énergie est émise dans le visible Meilleur rendement si température plus haute mais dégradation des matériaux (W) Efficacité: 16-20 lumen/watt

Histoire de l éclairage (quantique) Tube néon (Georges Claude) Tube fluorescent (Hg) Lampe vapeur de sodium OLED DEL-LED bleue DEL-LED blanche 1910 1930 1987 1993 1997

Efficacité (lum /W) Histoire de l éclairage (quantique) 300 LED R&D 250 200 150 100 50 sodium LED commercial tube fluo FluoCompact 0 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Année 2 points remarquables: en y la performance très élevée, en x la rapidité de l évolution (révolution)

Diodes électroluminescentes DEL-LED Principe, fonctionnement

1µm=1/1000 mm Diodes électroluminescentes V 4V Contacts métalliques p-gan qq mm n-gan Puits quantiques GaInN/GaN substrat 1 mm x 1mm Composant semiconducteur

Importance des électrons Les électrons sont responsables de la plupart des propriétés des matériaux: Électriques Optiques Thermiques (en partie) Elastiques (en partie) Par exemple, ces propriétés sont similaires (non strictement égales) pour des isotopes (N neutrons différents). La différence devient grande uniquement pour la physique nucléaire!

Pour déterminer les propriétés des matériaux, il faut déterminer la structure électronique de la matière = énergie des électrons dans la matière

Mécanique classique et quantique Atome Modèle planétaire de l atome: orbites de rayon arbitraire Modèle quantique de l atome: l électron est décrit (dualité onde corpuscule) par une onde ( ) telle que 2 r = n p=mv=h/, mv 2 e 2 /r r = r Bohr n 2 et E e 2 /n 2 r Bohr orbites de rayon et d énergie quantifiés

Mécanique quantique Atome énergie Niveaux discrets d énergie E3 E2 E1 E0 = fondamental

Mécanique quantique Solides Les niveaux d énergie (des atomes) deviennent des bandes bandes d énergie dans les solides énergie

Mécanique quantique Solides Les électrons occupent les bandes d énergie en partant des plus basses énergies énergie Bande n+1 Bande interdite (gap) Bande n Cas d un métal

Mécanique quantique Solides Les électrons occupent les bandes d énergie en partant des plus basses énergies énergie Bande de conduction Bas de la BC Bande interdite (gap) DE ev Bande de valence remplie d électrons Haut de la BV Cas d un isolant ou d un semiconducteur

Semiconducteurs intrinséques Sous champ électrique Bande de conduction Bande interdite (gap) Bande de valence électrons Etat fondamental F=eE Energie=-eFx Pas de conduction: isolant

Semiconducteurs extrinséques (dopé, excité ) Bande de conduction électrons Bande interdite (gap) Bande de valence trous

Semiconducteurs extrinséques Tension, champ électrique V électrons 0 trou

Semiconducteurs extrinséques Tension, champ électrique V 0

Semiconducteurs extrinséques Tension, champ électrique 0 V électrons Trous (se comportent comme des bulles) Représentation équivalente: on ne représente que les trous en bandes de valence et les électrons en bande de conduction

Semiconducteurs Interaction lumière-matière Photon d énergie DE électrons trou

Diodes électroluminescentes z Trous dans la partie p p-gan n-gan Puits quantiques GaInN/GaN Électrons dans la partie n x substrat

Diodes électroluminescentes x barrière puits barrière énergie Bande de conduction barrière barrière puits z Bande de valence Position z

Diodes électroluminescentes V 0

Diodes électroluminescentes

Diodes électroluminescentes Photon d énergie DE Un électron injecté donne un photon (quantification des interactions lumière matière), sauf phénomènes parasites (hélas présents)

Electroluminescence (unité arb) Diodes électroluminescentes 250000 DEL GaN/InGaN CRHEA 200000 150000 100000 50000 0 400 500 600 700 Longueur d'onde (nm) Par principe, les DELs fournissent une lumière «monochromatique» (couleur bien définie)

Energie de bande interdite et couleur semiconducteur InGaN/GaN (nitrure de gallium) Bande de conduction Bande interdite (gap) DE=2.3-3.3 ev Bande de valence hc E E( ev ) 1.24 ( µm) Longueur d onde: 0.38-0.45-0.54 µm (proche UV, bleu, vert)

y Le blanc par mélange des couleurs 0.8 0.7 0.6 green 0.5 A2 orange 0.4 0.3 0.2 B1 white B2 A3 0.1 blue A1 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 x

Le blanc par mélange des couleurs Phosphore (Y 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ ) Approche classique: Conversion Bleu Jaune On retrouve le principe des tubes fluo! Approche intégrée: émission directe des 3 couleurs primaires

Diodes électroluminescentes DEL-LED Fabrication

Fabrication des DELs Epitaxie des couches actives sur un substrat

Des investissements lourds (réacteur d épitaxie)

p-gan n-gan Puits InGaN Substrat (saphir, Silicium )

Microscopie électronique en transmission Puits quantiques In 0.14 Ga 0.86 N/GaN

STM-microscope tunnel états électroniques vides d'une surface de GaN(0001) obtenue par EJM-NH3. marches moléculaires (Ga+N=c/2, i.e. 2.6 Å) et des dislocations coins (e) et vis (m). états électroniques pleins d'une surface de GaN(0001)(4*4) :1,5 monocouche (Ga+N) de gallium sur une surface (2*2) riche en azote. Présence d'une pression résiduelle d'arsenic

Microscopie électronique à balayage

Fabrication des DEL en salle blanche

p-gan n-gan Puits InGaN Substrat (saphir, Silicium )

Diodes électroluminescentes

Diodes électroluminescentes 2 éléments critiques lumière Améliorer la qualité cristalline chaleur Améliorer la densité de trous, dopage p

The Nobel Prize in Physics 2014 was awarded jointly to Isamu Akasaki, Hiroshi Amano and Shuji Nakamura "for the invention of efficient blue light-emitting diodes which has enabled bright and energy-saving white light sources". Isamu Akasaki Hiroshi Amano Shuji Nakamura C est avant tout un prix Nobel sur le matériau GaN et sur son épitaxie

ECONOMIE ECOLOGIE

Efficacité (lum /W) Efficacité énergétique 300 LED R&D 250 200 150 100 50 sodium LED commercial tube fluo FluoCompact 0 1920 1940 1960 1980 2000 2020 Année Efficacité moyenne actuelle* 50 lum/w Remplacement par LED à 200 lum /W: facteur 4 en consommation * 60% en tube fluo+ 40% en incandescent, en terme de puissance consommée

Economies d énergie Consommation énergétique 2014: 100 quad = 3 10 13 kwh 40 quad de pétrole dépensés pour produire 14 quad d électricité Eclairage = 20% de l électricité = 3 quad /an Avec un remplacement partiel (2/3) par LED : gain possible de 1.5 quad électrique/ an

Eclairage annuel (10 15 lumen heure) Evolution de l éclairage 50 40 USA Installé Fluo LED 30 20 HID 10 Incand. Halogene 0 2010 2015 2020 2025 2030 Années Source: DoE, Février 2010

Economies d énergie Source: DoE, Février 2010 On retrouve l ordre de grandeur : 1-3 quad /an d électricité soit 3-9 quad de pétrole = 75-225 million tonnes pétrole

Economies d énergie Consommation énergétique 2014: 6 quad dont 25% électricité (origine nucléaire en grande partie) soit 1.5 quad Eclairage = 12% de l électricité = 0.18 quad /an Avec un remplacement partiel (2/3) par LED : gain possible de 0.09 quad / an (soit environ 1 Tonne d Uranium)

Economies d énergie Ce qui n a pas été pris en compte Une grande partie des pays développés à forte consommation en éclairage sont dans les zones tempérées: l énergie perdue par un éclairage non efficace est utilisée en chauffage Les économies d énergie seront donc plus faibles que prévu! Cible : éclairage extérieur + éclairage intérieur pays chauds (climatisation!)

y Plus blanc que blanc et moins blanc que blanc! 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 green A2 B1 white B2 orange A3 0.1 blue A1 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 x Le blanc obtenu par mélange de bleu et jaune ne donne pas un bon rendu des couleurs, en particulier le rouge (couleur blafarde sous les lampes fluo!) IRC (Indice de rendu de couleur) de 0 à 100 (100 = incandescent) IRC<75 : mauvais (éclairage industriel) IRC: 75-90: acceptable, dépend des pays IRC>90: Bon

Plus blanc que blanc et moins blanc que blanc! Solution pour augmenter l IRC: ajouter des phosphores rouges! Prix à payer: Efficacité énergétique un peu plus faible. Source: Aurélien David, Soraa, USA

Plus blanc que blanc et moins blanc que blanc! En prime, on peut renforcer l émission dans le proche UV pour un blanc plus éclatant! Facteur sociologique. Source: Aurélien David, Soraa, USA

Facteurs sociologiques Avec le vieillissement, demande pour plus de lumen et une meilleure qualité de blanc

Facteurs sociologiques USA source DoE On privilégie les forts IRC! La mise à disposition d une technologie qui permet un meilleur confort modifie les usages! Au détriment de l énergie

Facteurs sociologiques

Facteurs sociologiques Effet rebond: stimulation du marché par l offre! Installation d éclairage nouveaux. Augmentation des flux lumineux.

Facteurs sociologiques Dans de nombreux domaines, l effet rebond a entraîné des augmentations de consommations (écran TV ou ordinateur de taille croissante). On commence à le voir dans l éclairage. La technologie ne peut pas résoudre tous les problèmes. Les usages ont autant (plus) d impact que les technologies sur le développement durable (exemple du co-voiturage)

Quelques belles réalisations! Grands programmes en Italie pour transformer l éclairage des villes historiques. Retour sur investissement économique et écologique en quelques années Venise

Chapelle Sixtine, Rome 7000 LED,consommation énergétique réduite de 60%, échauffement réduit de 50%

Chapelle Sixtine, Rome Nuance de blanc ajustable dans la journée pour reproduire le rythme journalier du soleil!

Conclusion Les LEDs pour l éclairage constitue une véritable révolution - Technologique - Energétique - Architecturale - Economique (nouveaux modèles) - Des usages (éclairage intelligent, LIFI, ) Le lien science / société est capital pour que les avantages potentiels en terme d écologie soient transformés en réalité (éviter l effet rebond)