固態(tài)照明中白光LED的發(fā)展和應(yīng)用

LED是在n型半導(dǎo)體 中的自由電子越過阻擋層進(jìn)入p型半導(dǎo)體，與并其中的空穴復(fù)合時(shí)全部勢能轉(zhuǎn)化為光能，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)光子，這是一種冷體發(fā)光，由于此種發(fā)光的總量子效 率50%，輻射光能以外的全部能量包括電流通過n型和p型半導(dǎo)體以及阻擋層時(shí)的電阻熱以及電子自身的動能等均耗散在半導(dǎo)體中并集中阻擋層附近使之 加熱，造成p-n結(jié)的溫升，而這種溫升使阻擋層電阻下降，勢壘下降，降低了載流子復(fù)合的內(nèi)、外量子效率和發(fā)光效率。p-n極的高溫同時(shí)還影響了熒光粉的發(fā) 光效率甚至造成永久性破壞產(chǎn)生光衰，并使原本應(yīng)當(dāng)很長的LED壽命大幅下降。

全國十多處LED的光伏道路照明樣板工程中已經(jīng)百分 之百失敗了。道路表面照度在使用1000~2000小時(shí)或更短時(shí)間以后降低了一半，其原因就在于設(shè)計(jì)者按生產(chǎn)廠家給出的光效和工作點(diǎn)將LED用到了極限， 通常1W的LED，按廠方指標(biāo)光效均為70lm/w，然而在這樣的條件下1W的功率耗散在不足1mm2的芯片上，而又沒有有效方法將這部分能耗快速導(dǎo)走， 因而使其溫升高到150℃甚至更高，這就是使熒光粉被迅速破壞，光維持率迅速下降、壽命出乎意料的短的原因。為延長白光LED的壽命必須：

1、 進(jìn)一步提高LED的總光子效率，這一效率的提高意味著更多能量轉(zhuǎn)換為光能輻射出去，耗散在p-n結(jié)的能量的減少工作溫度降低，這對p-n極自身的工作狀態(tài)和熒光粉工作條件和壽命的延長都是至關(guān)重要的。

2、 進(jìn)一步改進(jìn)熒光粉，提高其量子效率和所能承受的工作溫度，亦即發(fā)明一種高效高工作溫度熒光粉，使能在更高的工作溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)而不被破壞。

3、 使用時(shí)降低白光LED的工作標(biāo)準(zhǔn)，不要把試驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)室數(shù)據(jù)當(dāng)成產(chǎn)品正常運(yùn)轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，例如對廠家給的 號稱1W光效為70lm/W的白光LED最多只能工作在0.7W，光效約50lm/W，在這樣的條件下可以得到較為滿意的使用壽命，例如 8000~10000小時(shí)。至于號稱的50000、100000小時(shí)的壽命對白光LED而言仍然只是一種愿望。你們把單色LED的壽命強(qiáng)加給白光LED 了。在提到白光LED的壽命時(shí)請不要忘記熒光粉的壽命。對光源界同仁而言我們十分明確，光源的壽命并非以它是否仍在發(fā)光為標(biāo)準(zhǔn)的。我們的標(biāo)準(zhǔn)是以光維持率 為指標(biāo)的，當(dāng)發(fā)出的光通量為初始光通量或標(biāo)稱光通量的一半時(shí)其壽命已經(jīng)終了。另外光源工作者也從來不是把光源能達(dá)到的最高光效作為光效，而是以在合理壽命 條件下正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的光效為光效的。按本人經(jīng)驗(yàn)所謂1W，光效70lm/W的白光LED只能按0.6~0.7W，光效最多為50lm/W的光源使用，很多供 應(yīng)商們對此持不同意見，他們認(rèn)為本人所指的是國產(chǎn)品 “我們的(臺產(chǎn)、日本或美國產(chǎn)品)白光LED是非常好的”。對此本人不完全懷疑，但是在本人所看到的 已經(jīng)暗淡無光的白光LED照明工程中不貶非常昂貴的泊來品。

4、 改進(jìn)散熱條件，將LED芯片耗散的熱能更多更快地導(dǎo)走，以降低其工作溫度從而保持較高的光效和較長的壽命，目前采用導(dǎo)熱陶瓷基片和鋁散熱片的方法降低p-n結(jié)溫度，對小功率白光LED是有效的，但對1W以上大功率器件尚難滿意。

5、 對大功率白光LED仍需做更多的試驗(yàn)和改進(jìn)，不要盲目推進(jìn)樣板工程，很多地區(qū)領(lǐng)導(dǎo)在“參謀”們的哄騙下強(qiáng)行指令建造LED的道路照明樣板工程是不 科學(xué)的，這會適得其反的，這樣的教訓(xùn)已經(jīng)太多了，該思考一下了。很多國外的專家不無嘲諷地說“在白光LED照明方面你們中國已走到世界的前列”，“我們認(rèn) 為白光LED在照明方面大規(guī)模的推廣至少還需8~10年，而你們中國已經(jīng)開始了”，老外們的這種估計(jì)可能保守一點(diǎn)，然而2010年全部取代緊湊型熒光燈的 估計(jì)似乎熱糊涂了。

Fig.5

白光LED的應(yīng)用

白光LED是一種高光效、長壽命光源，應(yīng)用前景極為看 好，大量用于常規(guī)照明，部分取代常規(guī)光源只是時(shí)間問題。隨著時(shí)間推移和性能的改進(jìn)它所能取代的光源品種和數(shù)量將不斷擴(kuò)大，正如當(dāng)年半導(dǎo)體電子元器件之取代 真空電子器件半導(dǎo)體激光器之取代氣體激光器一樣。然而這是一個(gè)發(fā)展的自然過程，依條件成熟程度而漸變，絕非一個(gè)命令就能在一夜之間完成的。在目前狀態(tài)下 LED發(fā)展時(shí)日尚短，尚有諸多參數(shù)需要改進(jìn)，應(yīng)在其已經(jīng)成熟的領(lǐng)域逐步推廣。

1、 局部范圍低照度照明方面LED有其不可取代的優(yōu)勢，例如手電筒、臺燈照明，櫥窗、小商品照明。由于LED的光輻射集中在一定發(fā)射角中光分布集中，所以可取得高效、節(jié)能的效果。

2、 小尺寸液晶顯示屏的LED背光源，由于所采用的LED功率較小，數(shù)量不多，p-n結(jié)發(fā)熱不嚴(yán)重，所以可以取得非常好的效果。但是大面積顯示板則存 在較多問題，例如大量密集的LED陣列的散熱問題很難解決，而其成本問題一時(shí)也難解決。p-n級高溫使用所帶來的壽命問題也是必須考慮的。

3、 室內(nèi)照明如作為夜燈、床頭燈、臺燈或照度要求較低的走廊燈等，雖照度過低，但有其節(jié)能、長壽命以及成本較低的優(yōu)勢。然而辦公室、會議室、教室、餐 廳等照度要求較高，照射距離又遠(yuǎn)的場所用LED作主要照明光源，目前不僅成本太高，效果也不理想，與傳統(tǒng)照明光源相比尚有明顯的差距。

4、 道路照明：目前常用光源為250W或400W高壓鈉燈或金屬鹵化物燈，其光通量約為20000~40000lm，壽命6000~10000小時(shí)， 若以1W，70lm/w的白光LED取代，如達(dá)到相同照明效果則至少需要300粒LED，其售價(jià)約6000元，為常規(guī)光源的50倍以上，但如前所述此種 LED只能按0.7W，50lm/W計(jì)算，否則壽命將不符要求。因此即使按以上設(shè)計(jì)實(shí)際達(dá)到的光通量只有15000lm/W。除價(jià)格昂貴外，如此多的 LED的列陣組合，其難度及費(fèi)用亦十分昂貴，而其散熱問題更成了一個(gè)令人撓頭的難點(diǎn)。

在采用LED作路燈照明時(shí)另一個(gè)需要考慮的 問題是照度分布，所看到的所有以LED作光源的道路照明設(shè)計(jì)都是將LED安裝在一塊平板上再裝入燈具中。燈具的主要作用只是支托LED和擋風(fēng)遮雨，對光分 布不起任何作用，而路面的照度分布則完全由LED自身的光發(fā)射角確定，以至在路面形成了明顯的斑馬效應(yīng)，正對燈下方的地段較亮，而在二燈之間則形成明顯暗 區(qū)，因此采用LED作路燈照明時(shí)必須考慮二次光學(xué)設(shè)計(jì)問題，以求得較為均勻的路面照度。

我們實(shí)際考察了一條采用白光LED的光伏 路燈照明樣板工程，燈高9米，燈功率100W，正下方地面的平面照度為3.5 Lx，異?；璋狄曇安磺?，且二燈之間3/5的路面更完全無光。據(jù)組織者介 紹，1個(gè)半月前工程剛完工時(shí)地面照度為7Lx。與之對應(yīng)的采用高壓鈉燈的另一光伏照明工程，燈功率105W，正下方照度為19Lx，燈距30米，二燈之間 的中點(diǎn)地面照度11Lx?？?