制造商在DOE LED效能方面面臨了哪些技術(shù)挑戰(zhàn)

美國(guó)能源部（DOE）是鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)固態(tài)照明（SSL）的當(dāng)局的先鋒。雖然制造商在其產(chǎn)品的功效方面取得了巨大進(jìn)步，但DOE熱衷于推動(dòng)LED制造商更難以實(shí)現(xiàn)LED技術(shù)的全部潛力。

白光磷光體轉(zhuǎn)換LED - 使用皇家藍(lán)色LED與釔鋁石榴石（YAG）熒光粉和彩色混合LED相結(jié)合 - 將光混合的紅色，綠色和藍(lán)色（RGB）設(shè)備分開(kāi) - 理論最大效率為199和266 lm/W， （一旦固有的包裝效率被考慮在內(nèi)）。美國(guó)能源部已將這些數(shù)字作為目標(biāo)，并鼓勵(lì)制造商加倍努力，但主要挑戰(zhàn)迫在眉睫。本文總結(jié)了當(dāng)今LED的性能，并展望了在美國(guó)能源部的雄心壯志得到滿足之前需要解決的障礙。

DOE設(shè)定目標(biāo)

2005年美國(guó)能源政策法案指示能源部“支持研究”與基于白光發(fā)光二極管的先進(jìn)固態(tài)照明技術(shù)相關(guān)的，開(kāi)發(fā)，演示和商業(yè)應(yīng)用活動(dòng)?！盀榱酥С诌@一目標(biāo)，DOE定期發(fā)布其多年計(jì)劃計(jì)劃。1最后發(fā)布于2012年4月，該計(jì)劃是一份全面的文件，側(cè)重于核心技術(shù)研究和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，這是該部門將SSL技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室引導(dǎo)到市場(chǎng)的重要部分。該計(jì)劃包括DOE對(duì)功效的預(yù)測(cè)，詳細(xì)說(shuō)明2011年以后的目標(biāo)（表格1）。兩種主要的白光LED技術(shù)包括預(yù)測(cè)：皇家藍(lán)LED結(jié)合YAG-磷光體轉(zhuǎn)換和RGB顏色混合LED（參見(jiàn)TechZone文章“更白，更亮LED”和“通過(guò)添加創(chuàng)建白光 - 不減去 - 顏色“分別。”

公制2011 2013 2015 2020目標(biāo)酷白

（混色）135 164 190 235 266 Cool White

（磷光體）135 157 173 192 199暖白色（顏色混合）97 129 162 224 266暖白色（熒光粉）98 126 150 185 199

注：冷白色包裝的投影假設(shè)CCT = 4746-7040K且CRI = 70-80，而暖白色封裝的預(yù)測(cè)假定CCT = 2580-3710K且CRI = 80-90。所有功效預(yù)測(cè)均假設(shè)封裝在25°C下測(cè)量，驅(qū)動(dòng)電流密度為35 A/cm2。

表1：LED封裝的DOE功效預(yù)測(cè)。

根據(jù)科學(xué)文獻(xiàn)，基于現(xiàn)代材料的LED的理論最大功效 - 電力與光的完美轉(zhuǎn)換 - 介于350和450流明/瓦之間。從這個(gè)起點(diǎn)開(kāi)始，DOE已計(jì)算出RGB設(shè)備的實(shí)際功效限制為266 lm/W，熒光轉(zhuǎn)換LED的實(shí)際功效限制為199 lm/W.

該部門已假設(shè)RGB LED的物理限制將由包裝效率低下導(dǎo)致實(shí)際轉(zhuǎn)換效率達(dá)到67％。類似地，磷光體轉(zhuǎn)換LED的可能性主要受到斯托克斯將藍(lán)色光子從LED轉(zhuǎn)換成有助于白光光譜的黃色和紅色光子所引起的損失。磷光體轉(zhuǎn)換損失導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的最大潛力之間差異接近33％。由于照明燈具的進(jìn)一步光學(xué)損耗，產(chǎn)生266流明/瓦的LED將轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)的燈具200流明/瓦。達(dá)到這樣的水平后，SSL將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)熒光（100 lm/W），緊湊型熒光燈（75 lm/W），高強(qiáng)度放電（HID，115 lm/W）和白熾光源（15 lm/W）的功效），所有這些通常被認(rèn)為是成熟的技術(shù)，幾乎沒(méi)有進(jìn)一步提高性能的機(jī)會(huì)。

制造商迎接挑戰(zhàn)

有許多因素導(dǎo)致LED效率低下。然而，從基本的角度來(lái)看，這些可以分為三個(gè)方面：第一種情況下的光子產(chǎn)生（在磷光體轉(zhuǎn)換LED的情況下考慮藍(lán)色LED和磷光體的功效以及各個(gè)彩色LED的功效） RGB LED的情況下，從LED中提取光子，并從LED封裝中提取這些光子（考慮到從LED本身逃逸的光子只被吸收到LED封裝中的其他地方）。造成重大影響的最后一個(gè)因素是一種被稱為“效率下垂”的現(xiàn)象（參見(jiàn)TechZone文章“確定LED效率下降的原因”），該文章規(guī)定，雖然更高的電流會(huì)使LED燃燒更亮，但其效能會(huì)逐漸消失。這種現(xiàn)象比其他顏色更能影響LED的某些顏色。

Cree，OSRAM，Philips Lumileds和首爾半導(dǎo)體等公司的數(shù)億美元研究資金和一些非常聰明的科學(xué)家和工程師已經(jīng)取得了顯著的LED效能。二十年。 （參見(jiàn)TechZone文章“材料和制造改進(jìn)提高LED效率”。）圖1顯示了自2005年以來(lái)磷光體轉(zhuǎn)換和RGB LED功效的改進(jìn)。（請(qǐng)注意，“酷”和“暖”之間存在差異，因?yàn)闇嘏钠骷枰嗟募t色內(nèi)容到他們的輸出光譜，紅色光子的產(chǎn)生 - 來(lái)自定制的熒光粉或紅色LED - 本質(zhì)上比光子產(chǎn)生到光譜的藍(lán)色［較冷］端的效率低。）

圖1：自2005年以來(lái)的LED功效增益。（實(shí)際數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)）

今天工程師可以購(gòu)買功率超過(guò)100流明/瓦的相對(duì)便宜的設(shè)備。例如，在流行的“1W”封裝中檢測(cè)來(lái)自不同制造商的產(chǎn)品（正向電壓為3 V，正向電流為350 mA）表明Cree的XLamp XB-D產(chǎn)生116 lm/W，OSRAM的OSLON SSL 150白色產(chǎn)生136流明/瓦。飛利浦Lumileds銷售的LUXEON REBEL White產(chǎn)量為118流明/瓦，而首爾半導(dǎo)體公司則推出Acrich白光LED，產(chǎn)量為103流明/瓦。 （請(qǐng)注意，此處列出的設(shè)備不一定是直接等效設(shè)備，僅供參考。所有列出的制造商都提供各種LED，提供不同的功效，工程師應(yīng)查看數(shù)據(jù)表中的完整規(guī)格。）

遞減收益

圖圖1顯示，直到最近，磷光體轉(zhuǎn)換和RGB LED的功效增益已經(jīng)達(dá)到頸部和頸部。然而，在2013年之后，情況開(kāi)始出現(xiàn)分歧。兩種技術(shù)的預(yù)測(cè)表明，隨著器件接近199和266 lm/W的理論極限，效率增益放緩，但磷光體轉(zhuǎn)換LED的增益更快地延遲。

事實(shí)證明，磷光體的限制因素 - 轉(zhuǎn)換LED是熒光粉本身。密集開(kāi)發(fā)已經(jīng)看到，在藍(lán)色LED激發(fā)下YAG磷光體的量子效率（來(lái)自磷光體的總輸出光子能量與來(lái)自LED的輸入光子能量的量度）上升至大約健康的80％。盡管其性能良好，YAG熒光粉并不完美，“溫度淬火”等效果最終會(huì)影響功效。

磷光體制造商正在努力應(yīng)對(duì)生產(chǎn)新材料的挑戰(zhàn)，這些新材料有望形成具有更高轉(zhuǎn)換效率的商用熒光粉，同時(shí)支持寬色彩相關(guān)溫度（CCT）范圍和良好的顯色指數(shù)（CRI）。最有希望的候選物是氮化物和氮氧化物材料，它們用另一種稀有元素金屬銪（Eu）取代目前商業(yè)級(jí)中使用的鈰的電致發(fā)光性質(zhì)。然而，即使使用這些新材料，磷光體轉(zhuǎn)換最終也會(huì)達(dá)到天然屏障，從而為整個(gè)設(shè)備的功效設(shè)置上限（參見(jiàn)TechZone文章“磷光體開(kāi)發(fā)解決了暖白光LED的低功效”）。

通過(guò)去除磷光體從這個(gè)等式中，RGB LED消除了這一障礙，然后僅受電致發(fā)光的量子力學(xué)定律的約束，這決定了350和450 lm/W的上限（圖2）。

圖2：RGB LED具有更高的功效，因?yàn)樗鼈兿藷晒馄琳?。但是，將RGB LED推到那一點(diǎn)并不容易。今天的主要障礙是綠色LED的功效。雖然藍(lán)色和紅色設(shè)備穩(wěn)步改善，但綠色LED已經(jīng)停滯不前。綠色LED的外部量子效率（EQE）約為25％，而藍(lán)色和紅色設(shè)備的峰值功率轉(zhuǎn)換效率分別超過(guò)81％和70％。問(wèn)題歸結(jié)為改變成分的事實(shí)由于材料系統(tǒng)的相對(duì)低的帶隙，半導(dǎo)體使其在光譜的綠色部分中發(fā)射導(dǎo)致差的載流子限制。換句話說(shuō)，電子泄漏而不是與空穴輻射重新組合以釋放光子。更糟糕的是，綠色LED的效率下降比其他顏色更高。

飛利浦Lumileds利用Rebel ES系列的石灰綠LED開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)臨時(shí)措施是將皇家藍(lán)LED與石灰熒光粉結(jié)合使用。根據(jù)數(shù)據(jù)表，這種藍(lán)色LED/綠色熒光粉組合的功效高達(dá)190 lm/W（2.75 V，350 mA）。由于熒光轉(zhuǎn)換LED的制造更簡(jiǎn)單，更便宜，因此它們很多比RGB LED更廣泛使用。然而，后者接近商業(yè)化，除了承諾更大的功效外，它們還具有色彩可調(diào)性等優(yōu)點(diǎn) - 允許消費(fèi)者設(shè)定白光的“溫度”以適應(yīng)他們的心情（參見(jiàn)TechZone文章“Lime-Green LED鼓勵(lì)”）顏色可調(diào)照明“）。

未來(lái)對(duì)LED有很大希望，并且具有競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境和DOE等組織的支持;制造商將克服目前正在放緩進(jìn)步的嚴(yán)峻技術(shù)挑戰(zhàn)。憑借遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他光源和價(jià)格下降的最終功效，到2020年，SSL看起來(lái)將成為家庭，商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用的主要照明技術(shù)。