制造商在完成美国能源部LED光效的方针稳步前进

美国能源署(DOE)是被鼓舞的固态照明(SSL)的开发部分的排头兵。虽然制作商现已在其产品的成效取得了巨大的前进，美国能源部是热衷于LED厂商推更难完成LED技能的悉数潜力。白光荧光粉转化发光二极管 – 它们运用的皇家蓝色LED再加上钇铝石榴石(YAG)荧光粉 – 和混色发光二极管 – 独立的红，绿，蓝(RGB)的光混合设备 – 具有199和266流明/瓦，理论上的最大成效别离(一次固有包装低效都考虑在内)。美国能源部现已过这些数字作为其方针，并鼓舞制作商加倍尽力，但首要的应战织机。本文总结了当今LED的功能和展望在那个需求被铲除之前，美国能源部的野心得到满意的妨碍。

美国能源部设定的方针

2005年美国能源方针法案指示能源部“依据白光发光二极管支撑的研讨，开发，演示，并与先进的固态照明技能的商业化运用的活动。”为支撑这一方针，美国能源部定时发布其多发表于2012年4月 – 年方案Plan.¹终究，该方案是一个综合性文件，专心于核心技能的研讨和产品开发，这是该部分的尽力，从实验室辅导SSL技能市场的重要组成部分。该方案包括效能的美国能源部的猜测，从2011年起(见表1)，具体的方针。猜测包括两个抢先的白光LED技能：宝蓝色的LED结合YAG荧光粉转化和RGB混色的LED(拜见技能专区的文章“更白，更亮的LED”和“创立白光参加 – 不减去 – 色彩“别离)。

注：猜测冷白色包假定CCT = 4746-7040K和CRI = 70-80，而猜测暖白光封装承当CCT = 2580-3710K和CRI = 80-90。一切成效猜测假定包丈量在25℃下为35安/平方厘米的驱动电流密度。

表1：美国能源部成效猜测LED封装。依据科学文献，LED的依据今世资料理论上的最大成效 – 给电力完美转化为光 – 是介于350和450流明/瓦。以此为起点，美国能源部现已计算出的实践成效束缚是RGB设备和266流明/瓦的荧光粉转化LED的199流明/瓦。该部分以为，关于RGB LED的物理极限将导致67%的实践转化功率，封装功率得到训练。相同，关于磷光体转化LED的电势首要由从LED进入有助于白光光谱的黄色和赤色光子蓝色光子的斯托克斯转化形成的丢失回火。磷光体转化损耗是担任的竞赛技能的最大电位之间的近33%的差异。作为在照明灯具进一步光损耗的成果，一个LED发生266流明/瓦将转化发生200流明/瓦的照明用具。当到达这样的水平，SSL将远远逾越荧光(100流明/瓦)，紧凑型荧光灯(75流明/瓦)，高强度放电的成效(HID，115流明/瓦)，和白炽光源(15流明/瓦一切这一切)，通常被以为是老练的技能，与进一步的功能增强的时机很少。

制作商迎接应战

有痕迹标明，在LED的促进功率的要素许多。但是，在根本术语这些可被分红三个区域：出产在榜首实例中的光子(它参阅蓝色LED和荧光体中的磷光体转化的LED的情况下的效能和各个色彩的LED，在所述成效的情况下的RGB LED)的的，从LED中提取的光子，而且从LED封装(其间考虑到了从LED自身只需在其他当地，在LED封装件吸收)逃脱帐户光子提取那些光子。具有严重影响的终究一个要素是这种现象称为“功率下降”(见技能专区的文章“确认LED的功率下垂的原因”)，这决议了，而较高的电流使发光二极管亮烧其作用尾巴了。这种现象会影响LED的比别人多一些色彩。数以百万计的研讨经费和一些十分聪明的科学家和工程师，如CREE，欧司朗，飞利浦Lumileds公司和首尔半导体公司现已发生明显的LED光效的收益在曩昔的二十年。 (见技能专区的文章“资料和制作的改善进步发光功率”。)图1显现了成效为自2005年以来这两种荧光粉转化和RGB LED的改善(需求留意的是“冷”和“暖”，因为之间的差异暖设备需求更多的赤色内容到其输出频谱和出产红光子 – 从定制荧光体或赤色LED – 固有地比出产朝向光谱的蓝色[冷却器]端光子功率较低)。

图1：自2005年以来(实践数据和猜测)LED光效的收益今日工程师可以运用逾越100流明/瓦的作用购买相对廉价的设备。例如，从盛行的“1W”套餐各厂家检测产品(在3V的正向电压驱动，正向电流350 mA)的显现，科锐公司的XLamp XB-D发生116流明/瓦与欧司朗的OSLON SSL 150白出产136流明/瓦。飞利浦Lumileds公司出售的LUXEON Rebel白色发生118流明/瓦和首尔半导体供给Acrich白光LED其推出的103流明/瓦。 (请留意，这儿列出的设备不一定直接对应，并仅供参阅。列出的一切厂商做出了广泛的LED指示灯，供给不同的成效和工程师应查看数据表，标准全。)

收益递减

图1显现，直到最近，效能增益两个磷光体转化和RGB LED的运转颈部和颈部。但是，2013年之后，工作开端呈现分歧。该猜测这两种技能显现成效涨幅放缓的设备挨近199和266 lm / W的理论极限，但涨幅为荧光粉转化的LED尾部掉得更快。现实证明，对磷光体转化LED的束缚要素是荧光体自身。集约开展呈现的YAG磷光体的量子功率(一种丈量总输出光子能量从荧光体比较，来自LED的输入光子能量)依据蓝色LED激起引起周围健康的80%。虽然其杰出的功能，YAG荧光粉不健全的影响，如“温淬火”，终究侵略的成效。荧光粉出产厂家正在赶紧应战，发生许诺方式的商业荧光粉具有较高的转化功率，一起支撑广色，相关色温(CCT)规模和杰出的显色指数(CRI)的新资料。其间最有期望的候选是氮化物和氧氮化物的资料，替代铈运用于现在的商业商标与另一个稀有元素的电致发光功能，金属铕(Eu)。但是，即便选用这些新资料，荧光粉转化将终究击中的天然屏障把上限对全体设备的效能(拜见技能专区文章“荧光粉开展地址的暖白色LED的低成效”)。经过从方程除掉荧光体，RGB LED的消除屏障和然后仅经过电致发光的量子力学法令，决议了350和450 lm / W的上限(图2)的束缚。

图2：RGB LED的许诺更高的成效，因为它们消除了荧光粉的妨碍。但是，推RGB LED的到这一点并非易事。今日的首要妨碍是绿色LED的成效。而蓝色和赤色的设备现已稳步进步，绿色LED停滞不前。绿色LED的外量子功率(EQE)约为25%，而夸峰值功率转化功率逾越别离为81%和70%，蓝色和赤色器材比较。的问题归结为，改动半导体的组合物，使得它发出在光谱的绿色部分会导致不良的载流子束缚，因为资料体系的相对低带隙的现实。换言之，电子走漏间隔，而不是与孔开释的光子辐射地重组。更糟糕的是，绿色LED，从更高的功率下垂比其他色彩深受其害。一项暂时办法，经过使用飞利浦Lumileds公司，其浅绿色的叛变ES系列LED，便是一个宝蓝色与石灰荧光粉LED相结合。依据数据表，这个蓝色LED /绿色荧光粉组合可以到达190流明/瓦(2.75V，350 mA)的的作用。因为荧光粉转化的LED更简略，制形本钱更低，他们更广泛地供给比RGB LED的。但是，后者已挨近商品化，除了看好更大的成效，他们还具有优势，喜爱的色彩，可调性 – 答使用户设置白光的“温度”，以满意他们的心情(见技能专区的文章“浅绿色的LED指示灯鼓舞色彩可调照明“)。未来有很大期望的LED和具有竞赛力的环境，并从安排，如美国能源部的支撑;制作商将战胜现在发展缓慢困难的技能应战。跟着终究作用远远优于其他光源和价格跌落，SSL好像将在2020年成为首要的照明技能，住所，商业和工业运用。