制造商在實(shí)現美國能源部LED光效的目標穩步前進(jìn)

美國能源署(DOE)是被鼓勵的固態(tài)照明(SSL)的開(kāi)發(fā)部門(mén)的排頭兵。雖然制造商已經(jīng)在其產(chǎn)品的功效取得了巨大的進(jìn)步，美國能源部是熱衷于LED廠(chǎng)商推更難實(shí)現LED技術(shù)的全部潛力。白光熒光粉轉換發(fā)光二極管 - 它們使用的皇家藍色LED再加上釔鋁石榴石(YAG)熒光粉 - 和混色發(fā)光二極管 - 獨立的紅，綠，藍(RGB)的光混合裝置 - 具有199和266流明/瓦，理論上的最大功效分別(一次固有包裝低效都考慮在內)。美國能源部已通過(guò)這些數字作為其目標，并鼓勵制造商加倍努力，但主要的挑戰織機。本文總結了當今LED的性能和展望在那個(gè)需要被清除之前，美國能源部的野心得到滿(mǎn)足的障礙。

美國能源部設定的目標

2005年美國能源政策法案指示能源部“基于白光發(fā)光二極管支持的研究，開(kāi)發(fā)，示范，并與先進(jìn)的固態(tài)照明技術(shù)的商業(yè)化應用的活動(dòng)。”為支持這一目標，美國能源部定期發(fā)布其多發(fā)表于2012年4月 - 年計劃Plan.¹最后，該計劃是一個(gè)綜合性文件，專(zhuān)注于核心技術(shù)的研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，這是該部門(mén)的努力，從實(shí)驗室指導SSL技術(shù)市場(chǎng)的重要組成部分。該計劃包括效力的美國能源部的預測，從2011年起(見(jiàn)表1)，詳細的目標。預測包含兩個(gè)領(lǐng)先的白光LED技術(shù)：寶藍色的LED結合YAG熒光粉轉換和RGB混色的LED(參見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區的文章“更白，更亮的LED”和“創(chuàng )建白光加入 - 不減去 - 顏色“分別)。

注：預測冷白色包假設CCT = 4746-7040K和CRI = 70-80，而預測暖白光封裝承擔CCT = 2580-3710K和CRI = 80-90。所有功效預測假設包測量在25℃下為35安/平方厘米的驅動(dòng)電流密度。

表1：美國能源部功效預測LED封裝。根據科學(xué)文獻，LED的基于當代材料理論上的最大功效 - 給電力完美轉換為光 - 是介于350和450流明/瓦。以此為起點(diǎn)，美國能源部已經(jīng)計算出的實(shí)際功效限制是RGB設備和266流明/瓦的熒光粉轉換LED的199流明/瓦。該部門(mén)認為，對于RGB LED的物理極限將導致67%的實(shí)際轉換效率，封裝效率得到鍛煉。同樣，對于磷光體轉換LED的電勢主要由從LED進(jìn)入有助于白光光譜的黃色和紅色光子藍色光子的斯托克斯轉換造成的損失回火。磷光體轉換損耗是負責的競爭技術(shù)的最大電位之間的近33%的差異。作為在照明燈具進(jìn)一步光損耗的結果，一個(gè)LED產(chǎn)生266流明/瓦將轉化產(chǎn)生200流明/瓦的照明器具。當達到這樣的水平，SSL將遠遠超過(guò)熒光(100流明/瓦)，緊湊型熒光燈(75流明/瓦)，高強度放電的功效(HID，115流明/瓦)，和白熾光源(15流明/瓦所有這一切)，通常被認為是成熟的技術(shù)，與進(jìn)一步的性能增強的機會(huì )很少。

制造商迎接挑戰

有跡象表明，在LED的促進(jìn)效率的因素很多。然而，在基本術(shù)語(yǔ)這些可被分成三個(gè)區域：生產(chǎn)在第一實(shí)例中的光子(它參考藍色LED和熒光體中的磷光體轉換的LED的情況下的效力和各個(gè)顏色的LED，在所述功效的情況下的RGB LED)的的，從LED中提取的光子，并且從LED封裝(其中考慮到了從LED本身只要在其他地方，在LED封裝件吸收)逃脫帳戶(hù)光子提取那些光子。具有重大影響的最后一個(gè)因素是這種現象稱(chēng)為“效率下降”(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區的文章“確定LED的效率下垂的原因”)，這決定了，而較高的電流使發(fā)光二極管亮燒其療效尾巴了。這種現象會(huì )影響LED的比別人多一些顏色。數以百萬(wàn)計的研究經(jīng)費和一些非常聰明的科學(xué)家和工程師，如CREE，歐司朗，飛利浦Lumileds公司和首爾半導體公司已經(jīng)產(chǎn)生顯著(zhù)的LED光效的收益在過(guò)去的二十年。 (見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區的文章“材料和制造的改進(jìn)提升發(fā)光效率”。)圖1顯示了功效為自2005年以來(lái)這兩種熒光粉轉換和RGB LED的改進(jìn)(需要注意的是“冷”和“暖”，因為之間的差異暖裝置需要更多的紅色內容到其輸出頻譜和生產(chǎn)紅光子 - 從定制熒光體或紅色LED - 固有地比生產(chǎn)朝向光譜的藍色[冷卻器]端光子效率較低)。

圖1：自2005年以來(lái)(實(shí)際數據和預測)LED光效的收益今天工程師可以使用超過(guò)100流明/瓦的療效購買(mǎi)相對便宜的設備。例如，從流行的“1W”套餐各廠(chǎng)家檢測產(chǎn)品(在3V的正向電壓驅動(dòng)，正向電流350 mA)的顯示，科銳公司的XLamp XB-D產(chǎn)生116流明/瓦與歐司朗的OSLON SSL 150白生產(chǎn)136流明/瓦。飛利浦Lumileds公司銷(xiāo)售的LUXEON Rebel白色產(chǎn)生118流明/瓦和首爾半導體提供Acrich白光LED其推出的103流明/瓦。 (請注意，這里列出的設備不一定直接對應，并僅供參考。列出的所有廠(chǎng)商做出了廣泛的LED指示燈，提供不同的功效和工程師應檢查數據表，規格全。)

收益遞減

圖1顯示，直到最近，效能增益兩個(gè)磷光體轉換和RGB LED的運行頸部和頸部。然而，2013年之后，事情開(kāi)始出現分歧。該預測這兩種技術(shù)顯示功效漲幅放緩的設備接近199和266 lm / W的理論極限，但漲幅為熒光粉轉換的LED尾部掉得更快。事實(shí)證明，對磷光體轉換LED的限制因素是熒光體本身。集約發(fā)展出現的YAG磷光體的量子效率(一種測量總輸出光子能量從熒光體相比，來(lái)自L(fǎng)ED的輸入光子能量)根據藍色LED激發(fā)引起周?chē)】档?0%。盡管其良好的性能，YAG熒光粉不健全的影響，如“溫淬火”，最終侵犯的功效。熒光粉生產(chǎn)廠(chǎng)家正在加緊挑戰，產(chǎn)生承諾形式的商業(yè)熒光粉具有較高的轉換效率，同時(shí)支持廣色，相關(guān)色溫(CCT)范圍和良好的顯色指數(CRI)的新材料。其中最有希望的候選是氮化物和氧氮化物的材料，取代鈰應用于目前的商業(yè)牌號與另一個(gè)稀有元素的電致發(fā)光性能，金屬銪(Eu)。然而，即使采用這些新材料，熒光粉轉換將最終擊中的天然屏障把上限對整體設備的效能(參見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區文章“熒光粉發(fā)展地址的暖白色LED的低功效”)。通過(guò)從方程除去熒光體，RGB LED的消除屏障和然后僅通過(guò)電致發(fā)光的量子力學(xué)法律，決定了350和450 lm / W的上限(圖2)的約束。

圖2：RGB LED的承諾更高的功效，因為它們消除了熒光粉的障礙。然而，推RGB LED的到這一點(diǎn)并非易事。今天的主要障礙是綠色LED的功效。而藍色和紅色的設備已經(jīng)穩步提高，綠色LED停滯不前。綠色LED的外量子效率(EQE)約為25%，而夸峰值功率轉換效率超越分別為81%和70%，藍色和紅色器件相比。的問(wèn)題歸結為，改變半導體的組合物，使得它發(fā)出在光譜的綠色部分會(huì )導致不良的載流子限制，由于材料系統的相對低帶隙的事實(shí)。換言之，電子泄漏距離，而不是與孔釋放的光子輻射地重組。更糟糕的是，綠色LED，從更高的效率下垂比其他顏色深受其害。一項臨時(shí)措施，通過(guò)利用飛利浦Lumileds公司，其淺綠色的反叛ES系列LED，就是一個(gè)寶藍色與石灰熒光粉LED相結合。根據數據表，這個(gè)藍色LED /綠色熒光粉組合能夠達到190流明/瓦(2.75V，350 mA)的的療效。由于熒光粉轉換的LED更簡(jiǎn)單，制造成本更低，他們更廣泛地提供比RGB LED的。然而，后者已接近商品化，除了看好更大的功效，他們還擁有優(yōu)勢，喜歡的顏色，可調性 - 允許用戶(hù)設置白光的“溫度”，以滿(mǎn)足他們的情緒(見(jiàn)技術(shù)專(zhuān)區的文章“淺綠色的LED指示燈鼓勵顏色可調照明“)。未來(lái)有很大希望的LED和具有競爭力的環(huán)境，并從組織，如美國能源部的支持;制造商將克服目前進(jìn)展緩慢艱難的技術(shù)挑戰。隨著(zhù)最終效果遠遠優(yōu)于其他光源和價(jià)格下跌，SSL似乎將在2020年成為主要的照明技術(shù)，住宅，商業(yè)和工業(yè)應用。