制造商在实现美国能源部LED光效的目标稳步前进

美国能源署(DOE)是被鼓励的固态照明(SSL)的开发部门的排头兵。虽然制造商已经在其产品的功效取得了巨大的进步，美国能源部是热衷于LED厂商推更难实现LED技术的全部潜力。白光荧光粉转换发光二极管 - 它们使用的皇家蓝色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)的光混合装置 - 具有199和266流明/瓦，理论上的最大功效分别(一次固有包装低效都考虑在内)。美国能源部已通过这些数字作为其目标，并鼓励制造商加倍努力，但主要的挑战织机。本文总结了当今LED的性能和展望在那个需要被清除之前，美国能源部的野心得到满足的障碍。

美国能源部设定的目标

2005年美国能源政策法案指示能源部“基于白光发光二极管支持的研究，开发，示范，并与先进的固态照明技术的商业化应用的活动。”为支持这一目标，美国能源部定期发布其多发表于2012年4月 - 年计划Plan.¹最后，该计划是一个综合性文件，专注于核心技术的研究和产品开发，这是该部门的努力，从实验室指导SSL技术市场的重要组成部分。该计划包括效力的美国能源部的预测，从2011年起(见表1)，详细的目标。预测包含两个领先的白光LED技术：宝蓝色的LED结合YAG荧光粉转换和RGB混色的LED(参见技术专区的文章“更白，更亮的LED”和“创建白光加入 - 不减去 - 颜色“分别)。

注：预测冷白色包假设CCT = 4746-7040K和CRI = 70-80，而预测暖白光封装承担CCT = 2580-3710K和CRI = 80-90。所有功效预测假设包测量在25℃下为35安/平方厘米的驱动电流密度。

表1：美国能源部功效预测LED封装。根据科学文献，LED的基于当代材料理论上的最大功效 - 给电力完美转换为光 - 是介于350和450流明/瓦。以此为起点，美国能源部已经计算出的实际功效限制是RGB设备和266流明/瓦的荧光粉转换LED的199流明/瓦。该部门认为，对于RGB LED的物理极限将导致67%的实际转换效率，封装效率得到锻炼。同样，对于磷光体转换LED的电势主要由从LED进入有助于白光光谱的黄色和红色光子蓝色光子的斯托克斯转换造成的损失回火。磷光体转换损耗是负责的竞争技术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结果，一个LED产生266流明/瓦将转化产生200流明/瓦的照明器具。当达到这样的水平，SSL将远远超过荧光(100流明/瓦)，紧凑型荧光灯(75流明/瓦)，高强度放电的功效(HID，115流明/瓦)，和白炽光源(15流明/瓦所有这一切)，通常被认为是成熟的技术，与进一步的性能增强的机会很少。

制造商迎接挑战

有迹象表明，在LED的促进效率的因素很多。然而，在基本术语这些可被分成三个区域：生产在第一实例中的光子(它参考蓝色LED和荧光体中的磷光体转换的LED的情况下的效力和各个颜色的LED，在所述功效的情况下的RGB LED)的的，从LED中提取的光子，并且从LED封装(其中考虑到了从LED本身只要在其他地方，在LED封装件吸收)逃脱帐户光子提取那些光子。具有重大影响的最后一个因素是这种现象称为“效率下降”(见技术专区的文章“确定LED的效率下垂的原因”)，这决定了，而较高的电流使发光二极管亮烧其疗效尾巴了。这种现象会影响LED的比别人多一些颜色。数以百万计的研究经费和一些非常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已经产生显着的LED光效的收益在过去的二十年。 (见技术专区的文章“材料和制造的改进提升发光效率”。)图1显示了功效为自2005年以来这两种荧光粉转换和RGB LED的改进(需要注意的是“冷”和“暖”，因为之间的差异暖装置需要更多的红色内容到其输出频谱和生产红光子 - 从定制荧光体或红色LED - 固有地比生产朝向光谱的蓝色[冷却器]端光子效率较低)。

图1：自2005年以来(实际数据和预测)LED光效的收益今天工程师可以使用超过100流明/瓦的疗效购买相对便宜的设备。例如，从流行的“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)的显示，科锐公司的XLamp XB-D产生116流明/瓦与欧司朗的OSLON SSL 150白生产136流明/瓦。飞利浦Lumileds公司销售的LUXEON Rebel白色产生118流明/瓦和首尔半导体提供Acrich白光LED其推出的103流明/瓦。 (请注意，这里列出的设备不一定直接对应，并仅供参考。列出的所有厂商做出了广泛的LED指示灯，提供不同的功效和工程师应检查数据表，规格全。)

收益递减

图1显示，直到最近，效能增益两个磷光体转换和RGB LED的运行颈部和颈部。然而，2013年之后，事情开始出现分歧。该预测这两种技术显示功效涨幅放缓的设备接近199和266 lm / W的理论极限，但涨幅为荧光粉转换的LED尾部掉得更快。事实证明，对磷光体转换LED的限制因素是荧光体本身。集约发展出现的YAG磷光体的量子效率(一种测量总输出光子能量从荧光体相比，来自LED的输入光子能量)根据蓝色LED激发引起周围健康的80%。尽管其良好的性能，YAG荧光粉不健全的影响，如“温淬火”，最终侵犯的功效。荧光粉生产厂家正在加紧挑战，产生承诺形式的商业荧光粉具有较高的转换效率，同时支持广色，相关色温(CCT)范围和良好的显色指数(CRI)的新材料。其中最有希望的候选是氮化物和氧氮化物的材料，取代铈应用于目前的商业牌号与另一个稀有元素的电致发光性能，金属铕(Eu)。然而，即使采用这些新材料，荧光粉转换将最终击中的天然屏障把上限对整体设备的效能(参见技术专区文章“荧光粉发展地址的暖白色LED的低功效”)。通过从方程除去荧光体，RGB LED的消除屏障和然后仅通过电致发光的量子力学法律，决定了350和450 lm / W的上限(图2)的约束。

图2：RGB LED的承诺更高的功效，因为它们消除了荧光粉的障碍。然而，推RGB LED的到这一点并非易事。今天的主要障碍是绿色LED的功效。而蓝色和红色的设备已经稳步提高，绿色LED停滞不前。绿色LED的外量子效率(EQE)约为25%，而夸峰值功率转换效率超越分别为81%和70%，蓝色和红色器件相比。的问题归结为，改变半导体的组合物，使得它发出在光谱的绿色部分会导致不良的载流子限制，由于材料系统的相对低带隙的事实。换言之，电子泄漏距离，而不是与孔释放的光子辐射地重组。更糟糕的是，绿色LED，从更高的效率下垂比其他颜色深受其害。一项临时措施，通过利用飞利浦Lumileds公司，其浅绿色的反叛ES系列LED，就是一个宝蓝色与石灰荧光粉LED相结合。根据数据表，这个蓝色LED /绿色荧光粉组合能够达到190流明/瓦(2.75V，350 mA)的的疗效。由于荧光粉转换的LED更简单，制造成本更低，他们更广泛地提供比RGB LED的。然而，后者已接近商品化，除了看好更大的功效，他们还拥有优势，喜欢的颜色，可调性 - 允许用户设置白光的“温度”，以满足他们的情绪(见技术专区的文章“浅绿色的LED指示灯鼓励颜色可调照明“)。未来有很大希望的LED和具有竞争力的环境，并从组织，如美国能源部的支持;制造商将克服目前进展缓慢艰难的技术挑战。随着最终效果远远优于其他光源和价格下跌，SSL似乎将在2020年成为主要的照明技术，住宅，商业和工业应用。