制造商在實(shí)現(xiàn)美國能源部LED光效的目標(biāo)穩(wěn)步前進(jìn)

美國能源署(DOE)是被鼓勵(lì)的固態(tài)照明(SSL)的開發(fā)部門的排頭兵。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廠商推更難實(shí)現(xiàn)LED技術(shù)的全部潛力。白光熒光粉轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管 - 它們使用的皇家藍(lán)色LED再加上釔鋁石榴石(YAG)熒光粉 - 和混色發(fā)光二極管 - 獨(dú)立的紅，綠，藍(lán)(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(nèi))。美國能源部已通過這些數(shù)字作為其目標(biāo)，并鼓勵(lì)制造商加倍努力，但主要的挑戰(zhàn)織機(jī)。本文總結(jié)了當(dāng)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足的障礙。

美國能源部設(shè)定的目標(biāo)

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，開發(fā)，示范，并與先進(jìn)的固態(tài)照明技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用的活動(dòng)。”為支持這一目標(biāo)，美國能源部定期發(fā)布其多發(fā)表于2012年4月 - 年計(jì)劃Plan.¹最后，該計(jì)劃是一個(gè)綜合性文件，專注于核心技術(shù)的研究和產(chǎn)品開發(fā)，這是該部門的努力，從實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)SSL技術(shù)市場(chǎng)的重要組成部分。該計(jì)劃包括效力的美國能源部的預(yù)測(cè)，從2011年起(見表1)，詳細(xì)的目標(biāo)。預(yù)測(cè)包含兩個(gè)領(lǐng)先的白光LED技術(shù)：寶藍(lán)色的LED結(jié)合YAG熒光粉轉(zhuǎn)換和RGB混色的LED(參見技術(shù)專區(qū)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(yù)測(cè)冷白色包假設(shè)CCT = 4746-7040K和CRI = 70-80，而預(yù)測(cè)暖白光封裝承擔(dān)CCT = 2580-3710K和CRI = 80-90。所有功效預(yù)測(cè)假設(shè)包測(cè)量在25℃下為35安/平方厘米的驅(qū)動(dòng)電流密度。

表1：美國能源部功效預(yù)測(cè)LED封裝。根據(jù)科學(xué)文獻(xiàn)，LED的基于當(dāng)代材料理論上的最大功效 - 給電力完美轉(zhuǎn)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(jì)算出的實(shí)際功效限制是RGB設(shè)備和266流明/瓦的熒光粉轉(zhuǎn)換LED的199流明/瓦。該部門認(rèn)為，對(duì)于RGB LED的物理極限將導(dǎo)致67%的實(shí)際轉(zhuǎn)換效率，封裝效率得到鍛煉。同樣，對(duì)于磷光體轉(zhuǎn)換LED的電勢(shì)主要由從LED進(jìn)入有助于白光光譜的黃色和紅色光子藍(lán)色光子的斯托克斯轉(zhuǎn)換造成的損失回火。磷光體轉(zhuǎn)換損耗是負(fù)責(zé)的競(jìng)爭(zhēng)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(jié)果，一個(gè)LED產(chǎn)生266流明/瓦將轉(zhuǎn)化產(chǎn)生200流明/瓦的照明器具。當(dāng)達(dá)到這樣的水平，SSL將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過熒光(100流明/瓦)，緊湊型熒光燈(75流明/瓦)，高強(qiáng)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(rèn)為是成熟的技術(shù)，與進(jìn)一步的性能增強(qiáng)的機(jī)會(huì)很少。

制造商迎接挑戰(zhàn)

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)語這些可被分成三個(gè)區(qū)域：生產(chǎn)在第一實(shí)例中的光子(它參考藍(lán)色LED和熒光體中的磷光體轉(zhuǎn)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(xiàn)象稱為“效率下降”(見技術(shù)專區(qū)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(xiàn)象會(huì)影響LED的比別人多一些顏色。數(shù)以百萬計(jì)的研究經(jīng)費(fèi)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(dǎo)體公司已經(jīng)產(chǎn)生顯著的LED光效的收益在過去的二十年。 (見技術(shù)專區(qū)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年以來這兩種熒光粉轉(zhuǎn)換和RGB LED的改進(jìn)(需要注意的是“冷”和“暖”，因?yàn)橹g的差異暖裝置需要更多的紅色內(nèi)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(lán)色[冷卻器]端光子效率較低)。

圖1：自2005年以來(實(shí)際數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè))LED光效的收益今天工程師可以使用超過100流明/瓦的療效購買相對(duì)便宜的設(shè)備。例如，從流行的“1W”套餐各廠家檢測(cè)產(chǎn)品(在3V的正向電壓驅(qū)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公司銷售的LUXEON Rebel白色產(chǎn)生118流明/瓦和首爾半導(dǎo)體提供Acrich白光LED其推出的103流明/瓦。 (請(qǐng)注意，這里列出的設(shè)備不一定直接對(duì)應(yīng)，并僅供參考。列出的所有廠商做出了廣泛的LED指示燈，提供不同的功效和工程師應(yīng)檢查數(shù)據(jù)表，規(guī)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(zhuǎn)換和RGB LED的運(yùn)行頸部和頸部。然而，2013年之后，事情開始出現(xiàn)分歧。該預(yù)測(cè)這兩種技術(shù)顯示功效漲幅放緩的設(shè)備接近199和266 lm / W的理論極限，但漲幅為熒光粉轉(zhuǎn)換的LED尾部掉得更快。事實(shí)證明，對(duì)磷光體轉(zhuǎn)換LED的限制因素是熒光體本身。集約發(fā)展出現(xiàn)的YAG磷光體的量子效率(一種測(cè)量總輸出光子能量從熒光體相比，來自LED的輸入光子能量)根據(jù)藍(lán)色LED激發(fā)引起周圍健康的80%。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)廠家正在加緊挑戰(zhàn)，產(chǎn)生承諾形式的商業(yè)熒光粉具有較高的轉(zhuǎn)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(shù)(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(yīng)用于目前的商業(yè)牌號(hào)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(zhuǎn)換將最終擊中的天然屏障把上限對(duì)整體設(shè)備的效能(參見技術(shù)專區(qū)文章“熒光粉發(fā)展地址的暖白色LED的低功效”)。通過從方程除去熒光體，RGB LED的消除屏障和然后僅通過電致發(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?yàn)樗鼈兿藷晒夥鄣恼系K。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(lán)色和紅色的設(shè)備已經(jīng)穩(wěn)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(zhuǎn)換效率超越分別為81%和70%，藍(lán)色和紅色器件相比。的問題歸結(jié)為，改變半導(dǎo)體的組合物，使得它發(fā)出在光譜的綠色部分會(huì)導(dǎo)致不良的載流子限制，由于材料系統(tǒng)的相對(duì)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(xiàng)臨時(shí)措施，通過利用飛利浦Lumileds公司，其淺綠色的反叛ES系列LED，就是一個(gè)寶藍(lán)色與石灰熒光粉LED相結(jié)合。根據(jù)數(shù)據(jù)表，這個(gè)藍(lán)色LED /綠色熒光粉組合能夠達(dá)到190流明/瓦(2.75V，350 mA)的的療效。由于熒光粉轉(zhuǎn)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(shì)，喜歡的顏色，可調(diào)性 - 允許用戶設(shè)置白光的“溫度”，以滿足他們的情緒(見技術(shù)專區(qū)的文章“淺綠色的LED指示燈鼓勵(lì)顏色可調(diào)照明“)。未來有很大希望的LED和具有競(jìng)爭(zhēng)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(zhàn)。隨著最終效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)用。