Warum ist Quecksilber für Leuchtstofflampen erforderlich?

Die Antwort auf die Frage liegt in der Funktionsweise einer Leuchstofflampe begründet.  Diese besteht aus einem Glaskolben mit einer Gasfüllung, Elektroden und einer Leuchtstoffschicht (siehe Abb. 1).

Legt man an die beiden Elektroden der Lampe die Betriebsspannung an, entsteht zwischen diesen eine Gasentladung. Dabei bewegen sich die Elektronen  infolge des von den Elektroden erzeugten elektrischen Feldes und stoßen dabei mit den Atomen des Gases zusammen. Durch diese Stöße erreichen die Atome kurzzeitig energetisch höhere Energieniveaus, um anschließend in ihren ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Die Energiedifferenz wird dabei hauptsächlich in Form von UV-Licht abgegeben.

Die Leuchtstoffschicht wandelt das UV-Licht schließlich in sichtbares Licht um.

Niederdruckgasentladungen in Leuchtstofflampen erzeugen hauptsächlich Licht im ultravioletten Bereich. Dieses für das menschliche Auge unsichtbare Licht muss durch einen geeigneten Leuchtstoff in sichtbares Licht umgewandelt werden. Beide Prozesse, die Erzeugung des UV-Lichtes durch die Gasentladung sowie  die Umwandlung des UV-Lichtes in sichtbares Licht, sind mit Energieverlusten verbunden.

Die Gesamteffizienz der Erzeugung sichtbaren Lichtes hängt entscheidend von der Kombination des verwendeten Entladungsgases und der Leuchtstoffschicht ab. Untersuchungen haben gezeigt, dass keine normale Gasmischung, sondern Quecksilberdampf das beste Füllgas ist. Dies liegt am Zusammenspiel zwischen dem durch die Quecksilber-Entladung erzeugten UV-Licht sowie der Fähigkeit des Leuchtstoffes, dieses effizient in sichtbares Licht umzuwandeln. (Hinweis: Quecksilber entwickelt  bei der Betriebstemperatur der Lampe einen geringen, aber ausreichenden Dampfdruck. Die physikalischen Eigenschaften von Quecksilber sind in dieser Hinsicht einzigartig.)

Nach fünfzig Jahren Forschung und Entwicklung und und zahlreichen Versuchen, Quecksilber durch weniger giftige Stoffe zu ersetzen, besteht unter Experten Einigkeit darüber, dass das effizienteste System für die Erzeugung einer Niederdruckgasentladung und die nachfolgende Umwandlung in sichtbares Licht auf Quecksilber basiert. Zur Zeit erreichen mit elektronischen Vorschaltgeräten betriebene stabförmige Leuchtstofflampen  Systemeffizienzen von mehr als 100 lm/W. Obwohl die Effizienz bei einer kürzeren Entladungsstrecke abnimmt, erreichen Kompaktleuchtstofflampen immerhin noch ca. 60 lm/W.

Einer der jüngsten und ehrgeizigsten Versuche, Quecksilber in Leuchtstofflampen zu ersetzen, wurde von OSRAM unternommen. In den vergangenen 10 Jahren wurden flache Lampen entwickelt, die anstelle von Quecksilber das Edelgas Xenon als Entladungsgas verwenden. Wie auch bei anderen Leuchtstofflampen, wandelt hier ein Leuchtstoff das erzeugte UV in sichtbares Licht um. Dabei wurde die höchste Effizenz erreicht, die je bei einer Quecksilberfreien Leuchtstofflampe gemessen/festgestellt wurde. Allerdings liegt auch diese mit 35lm/W unter der herkömmlicher Leuchtstofflampen. Eine Vielzahl erfolgter Untersuchungen zeigt, dass Hg-freie Flachlampen die Effizienz von heutigen Leuchtstofflampen nicht erreichen werden.