- 大功率LED的發(fā)光原理與效能
- 各色LED的效能比較
- 白光LED能否用在道路照明
- LED現(xiàn)階段的發(fā)展
- 改進白光產(chǎn)生機制
- 改進LED產(chǎn)品的穩(wěn)定性
對LED的普遍的評價是高光效和長壽命，很多廠家宣稱其產(chǎn)品光效高達90lm/W或更高，但這些數(shù)據(jù)只是實驗室在測試初始階段LED仍處于冷態(tài)時所得最高數(shù)據(jù)。所謂5萬小時或10萬小時只是早期對小功率單色LED的估算結(jié)果。
從LED的發(fā)光機理可以估算其理論光效。如所周知LED是利用載流子復(fù)合而發(fā)光的，載流子復(fù)合時其勢能全部轉(zhuǎn)化為光能，單就這一過程而言其內(nèi)量子效率為100%。但是載流子在介質(zhì)中與晶格碰撞而損失的能量、復(fù)合時載流子所攜帶的動能、以及為克服外電路電阻而消耗的電能均不可能轉(zhuǎn)化為光能。考慮到各種附加能耗、載流子復(fù)合的實際內(nèi)量子效率不會超過90%。
流子復(fù)合時產(chǎn)生的光子有50%的幾率為外向輻射，這50%的光子中一部分與晶格碰撞并為晶格吸收轉(zhuǎn)化為熱能。部分光子傳輸時在不同介質(zhì)交界面處會反射回原介質(zhì)并被吸收，此外作為輸出窗的外電極的金屬網(wǎng)膜或透明導(dǎo)電膜也將使部分光子反射并被吸收，這些過程都會降低LED的量子提取率，設(shè)這部分光子的量子提取率為80%。
載流子復(fù)合時產(chǎn)生的光子中有50%的幾率為內(nèi)向輻射，這部分光子在到達兼作反射鏡的底層導(dǎo)電膜時將部分反射轉(zhuǎn)化為外向輸出光，然而此部分光子在向內(nèi)或向外傳輸過程中將與晶格碰撞并被部分吸收，而在經(jīng)過不同介質(zhì)交界面時也將部分反射或折射回原介質(zhì)最終被吸收。基底反射鏡的反射效率和上述過程的限制而使得內(nèi)向輻射的光子轉(zhuǎn)化為輸出光的量子提取率不會超過40%。
根據(jù)以上分析可以估算出LED總的電光轉(zhuǎn)換效率約為54%，這是非常理想的情況下的估計結(jié)果。制造工藝中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均將造成其能量轉(zhuǎn)換效率的下降。與可見光轉(zhuǎn)換效率不足5%的白熾燈相比，甚至與當(dāng)前轉(zhuǎn)換效率最高的高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈相比(電光轉(zhuǎn)換效率約為30%)也是非常高的，這正是LED有十分誘人前景的原因所在。
眾所周知，將1W能量全部轉(zhuǎn)化為555nm波長的黃光時產(chǎn)生的光通量可達683lm/W(683lm/W即光功當(dāng)量)，若全部轉(zhuǎn)換為白光則約為360lm/W。如本文前面的估計，在十分理想情況下發(fā)555nm黃光的LED最高可能達到約300lm/W的最高光效，目前上述估計還遠(yuǎn)未實現(xiàn)。目前所報導(dǎo)的LED的最高光效實際只達到這一理想值的一半，而實際上還不足其1/4，這也正是人們論為LED尚有巨大潛力可挖、對之寄以厚望的原因所在。
提高LED發(fā)光效率的關(guān)鍵在于提高量子提取率，亦即盡可能減少光子的內(nèi)部吸收，這就是LED向超薄型發(fā)展的原因。目前最高光效的超薄型(厚度數(shù)十納米)GaN LED、其下導(dǎo)電膜采用了高反光鏡膜、并將輸出窗內(nèi)表面制成粗糙構(gòu)造、以減少光子的內(nèi)向反射，然而即使如此目前報導(dǎo)的最高光效不過150lm/W。[3]
以上分析的是對單色光LED的進行的，將單色光轉(zhuǎn)化為白光還須再經(jīng)過一次量子轉(zhuǎn)換，目前大都采用發(fā)射光譜的中心波長約470nm的藍(lán)光LED來激發(fā)輻射光譜中心波長為560nm的寬帶黃光熒光粉，從而制成藍(lán)黃光混合的白光LED，但是這將使LED的光效近一步降低。其光子效率可以估算如下：[page]
如果保留LED輻射中的約20%藍(lán)光輸出，用剩余的80%的藍(lán)光激發(fā)黃光熒光粉，在最佳情況下這80%的藍(lán)光中約有20%以上的光子將為熒光粉吸收，其余80%下轉(zhuǎn)移為以560nm為中心波長的寬帶黃光輻射，這一過程平均產(chǎn)生16.1%的量子能量損失。結(jié)合前面的數(shù)據(jù)可以估計白光LED的總能效不會超過40%，換算為白光時白光LED的總光效最多不過150lm/W。如果沒有其他突破，這是當(dāng)前白光LED可能達到最高光效，這一光效與當(dāng)前最高光效的光源如HID燈中的高壓鈉燈或陶瓷金鹵燈相比還高一些。但是目前實際達到的光效尚未及此一半。
我們曾對此進行了實驗研究，我們利用某公司生產(chǎn)的1W高亮度藍(lán)光LED，其光譜的中心輻射波長為470nm見Fig.3，去除外封裝后分別涂敷不同厚度的輻射的中心波長為560nm的黃光熒光粉涂層，經(jīng)處理后測量其發(fā)射光譜。從二十余種不同厚度的樣品中選擇了四種典型情況，其結(jié)果見Fig
某著名跨國公司技術(shù)人員介紹他們的1W白光LED的初始光效達到了70lm/W，正常運轉(zhuǎn)時因p-n結(jié)溫度上升，光效降為50lm/W。
[page]2007年日本材料科學(xué)研究所納米陶瓷中心得到的結(jié)果是最高的[3]，他們采用中心波長為450nm的InGaN藍(lán)光LED和光子轉(zhuǎn)換效率高、在450nm藍(lán)光范圍 有強吸收峰、溫度系數(shù)低的三種熒光粉進行了試驗，這三種熒光粉分別為：α-sialon: Yb2+、α-sialon: Eu2+和Sr2Si5 N8: Eu2+。這些熒光粉的特點是發(fā)光效率的熱衰減較小，在
以InGaN藍(lán)光LED和1號熒光粉制成的白光LED的發(fā)射光譜示如Fig.6，其光效為55lm/W，色溫4500K。這是本人所知道白光LED的最高光效報導(dǎo)(據(jù)測試國內(nèi)1W白光LED的光通量大多在40lm以下)。采用2號和3號混合熒光粉試制的白光LED的發(fā)射光譜示如Fig.7，其顯色指數(shù)提高到82，色溫4200K，但光效確降低到20lm/W。
如前所述，LED的發(fā)光是由n型半導(dǎo)體中的負(fù)載流子(電子)在外電勢作用下克服阻擋層電勢進入p型半導(dǎo)體并為空穴俘獲產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光的。通常半導(dǎo)體的溫度系數(shù)較大，隨溫度上升其電阻率下降，阻擋層電勢也將降底，與此同時其輻射的中心波長將向長波方向漂移(紅移)而使熒光粉的發(fā)光效率下降。
目前白光LED運轉(zhuǎn)時最多20%的能量以光子形式輻射，其余80%的能量均轉(zhuǎn)化為熱能使芯片和熒光粉涂層加熱。對于小功率LED， 80%的輸入功率的加熱作用不會使芯片溫度上升太多，對LED的光效、壽命和運轉(zhuǎn)狀態(tài)影響不大。但是0.5W或更大功率的白光LED，其功耗的80%以上集中發(fā)生在非常小的p-n結(jié)區(qū)，必將使芯片和熒光粉涂層大幅升溫，這不僅影響光效，而且會造成快速光衰并使壽命縮短。
5萬或10小時的長壽命判斷是在LED發(fā)展初期對小功率單色LED估算的，對于大功率LED，特別是白光LED，由于芯片和熒光粉長期在高溫下烘烤，必將使壽命大幅下降。這就是設(shè)計不良的LED照明工程在運轉(zhuǎn)3~4個月后急劇的光衰使設(shè)計者不得不常常更換光源的原因。[page]
LED和道路照明
由于對白光LED的巨大投資和過分的宣傳，至使這一領(lǐng)域的部分人員對白光LED寄以過高期望，急于將白光LED推向常規(guī)功能照明，很多這一領(lǐng)域的人員并將之直接推廣到道路照明方面，數(shù)年來全國完成的LED道路照明和LED光伏道路照明樣板工程不下數(shù)十處(作者考察過多條采用LED作光源的道路照明工程)已經(jīng)取得了足夠多的經(jīng)驗和教訓(xùn)有待總結(jié)。本人認(rèn)為這一試驗應(yīng)當(dāng)暫時放緩，待條件成熟后再重新啟動。
目前我國和發(fā)達國家的道路照明的主要光源仍然是高壓鈉燈、少數(shù)用金屬鹵化物燈，前者光效為100~120lm/W，但顯色指數(shù)僅為20或更低，后者的光效80~100lm/W，顯色指數(shù)80左右，考慮到電器配件的能耗，采用此類光源實際的系統(tǒng)光效在75lm/W~90lm/W之間。由于道路照明所用燈具的光反射率不高，通常均在60%以下。采用此類燈具時有約40%光直射地面，其余60%的光則需經(jīng)燈具反射后射向地面。粗略估算去除各種損耗后常規(guī)道路照明的總光利用率不超過76%，由此估計最終的光效約為60lm/W~70lm/W。此外由于燈具設(shè)計的不合理以及高壓鈉燈特殊的細(xì)長柱狀發(fā)光體而造成光分布不均勻，為使道路中線和二燈之間的暗區(qū)達到照明標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時不得不采用更大功率、更高光通量的光源以滿足暗區(qū)的照度要求，從而更造成了電能的浪費。
基于上述情況LED道路照明設(shè)計者認(rèn)為利用LED的定向輻射性能進行道路照明設(shè)計、可以大幅減少能量的浪費，他們認(rèn)為白光LED比高壓鈉燈更節(jié)能。他們設(shè)計了若干利用大功率(1W、3W)白光LED的道路照明方案，并做成樣板工程。但是這些樣板工程大都并未經(jīng)過仔細(xì)測試和認(rèn)證。其中一種照明設(shè)計方案是將120只1W白光LED矩陣式分布在200×
LED道路照明試驗必須在專家指導(dǎo)下、經(jīng)過嚴(yán)格認(rèn)證和設(shè)計后才能施行。
廣東某些專門從事LED道路照明工程的企業(yè)從中接取了教訓(xùn)，他們采取的措施是使1W LED工作在0.5~0.6W狀態(tài)，或是將3W LED設(shè)計為1W使用，這樣雖然成本很高、光效很低，照明效果不佳，但基本解決了光衰和壽命問題。
某跨國公司鑒于中國的白光LED很熱、專門為中國研發(fā)出了一種用于道路照明的白光LED，他們將1W LED前端的封裝材料設(shè)計為特定的凸透鏡結(jié)構(gòu)，據(jù)稱采用此種LED不需二次、三次光學(xué)設(shè)計就可得到均勻的道路照明，使用方便。該公司宣稱此種LED的冷態(tài)光效為70lm/W，正常使用時則為50lm/W。
浙江某公司設(shè)計了用于道路照明的集成式白光LED，他們將多個藍(lán)光LED芯片組裝在同一基板上，用一只專門設(shè)計的較大凸透鏡作輸出窗、在輸出窗內(nèi)壁涂敷熒光粉，使所有LED芯片共同激發(fā)同一熒光粉涂層。這種組合式LED的發(fā)光特征被改造得與常規(guī)球形光源相近，使用較為方便，但這種結(jié)構(gòu)LED的基板散熱問題仍然存在。
需要注意的是將多個LED集中在一起進行道路照明設(shè)計時、除足夠的光通量和合理的光學(xué)設(shè)計以保證合理的光分布外、更為重要的是散熱問題。如前所述，目前LED的能耗中約80%以上轉(zhuǎn)化為熱量，而半導(dǎo)體器件是不耐高溫的，如果不能將所產(chǎn)生的熱量即時導(dǎo)走則必將引起嚴(yán)重后果。
用LED進行的道路照明條件目前尚未成熟，這既有待于LED光效的提高和功率的加大，更有待于有效的LED散熱方案和措施的解決，當(dāng)然更合理的光學(xué)設(shè)計也是非常重要的。[page]
美國能源部對商用LED產(chǎn)品有效性的評估(CALiPER)
在LED光效和壽命指標(biāo)方面，目前存在較大的意見分歧，其中一個重要原因是沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和測試方法，例如照明行業(yè)向來以穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時的光通量輸出和光效作為其產(chǎn)品參數(shù)指標(biāo)，而LED業(yè)者則普遍以初始(冷態(tài))的最大光通和光效為標(biāo)準(zhǔn)，在顯色指數(shù)的測量方法和標(biāo)準(zhǔn)上亦存在不少差異，壽命標(biāo)準(zhǔn)和測量方法也是不同的，相關(guān)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，評價也大相徑庭。
這一問題不僅我國，在國外也是同樣嚴(yán)重的，美國能源部早已發(fā)現(xiàn)，他們從2006年12月到2008年9月共進行了7輪市場產(chǎn)品調(diào)查，僅在2008年就連續(xù)分別在1月、5月和9月進行了三次抽查，并于9月份公布了“商用LED產(chǎn)品有效性的評估和報告”CALiPER(Commercially Available LED Product Evaluation & Reporting)，他們公布的數(shù)據(jù)和結(jié)論是負(fù)面的，在所檢測的24類產(chǎn)品中只有二類(下射筒燈)數(shù)據(jù)與產(chǎn)品說明書吻合，除少數(shù)LED光效達62lm/W外，平均只有32lm/W，低的不足10lm/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達到能源之星的標(biāo)準(zhǔn)。對于宣傳上的混亂和數(shù)據(jù)的夸大作了十分嚴(yán)厲而否定的結(jié)論，其中包括光效、色溫、顏色質(zhì)量、光分布以及照明系統(tǒng)的功率因數(shù)。特別是光效，他們發(fā)現(xiàn)宣傳上往往夸大2~3倍以上，而一般用戶對此并不了解。美國能源部的一個結(jié)論是必須建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量和指標(biāo)，在我國上述問題更為突出而重要。
結(jié)論
LED是一種優(yōu)良的有前途的光源，其特定的發(fā)光機理賦予它一系列特征和特點。由于它的發(fā)光體小、介質(zhì)密度大、發(fā)光非常集中、亮度很高。即使功率很小、光通量不大的LED也能給人眼以清晰、明亮、無誤的光信號，用于指示、顯示時具有無與論比的優(yōu)越性，所以在顯示領(lǐng)域其應(yīng)用已極為廣泛，無所不在。小功率單色LED還在裝飾照明和藝術(shù)照明方面顯示了特有功能和魅力，2008年北京奧運更充分發(fā)揮了LED的此種功能。
白光LED是LED家族中的杰出成員，具有很多特征與特點。開發(fā)白光LED的重要目的之一是用于替代常規(guī)電光源如白熾燈、熒光燈、高強度放電燈等，然而看來其發(fā)展不如預(yù)期神速。目前市場上的白光LED的實際光效約為40lm/W，最高不超過50lm/W，對用于功能照明，這些參數(shù)尚待提高。為推廣白光LED更為重要的是廉價、高效的散熱系統(tǒng)的開發(fā)。
如所周知，除LED以外、所有光源的發(fā)光體均是在高溫下工作，幾千度的高溫是保證其高效發(fā)光的條件，但LED等半導(dǎo)體類的發(fā)光器件其發(fā)光中心的溫升則是極為有害的，如果這個問題不能解決，則LED光效的提高、功率的加大是有限的。
小功率白光LED(1W及以下產(chǎn)品)在廣泛的應(yīng)用中已顯示出了無比的優(yōu)越性，例如在小空間的局部照明、庭園燈、近距離小功率手電筒、臺燈以及應(yīng)急照明等方面有非常廣泛的發(fā)展余地。目前白光LED不需要、也沒有條件和中大功率常規(guī)照明光源爭奪道路照明市場。
與室內(nèi)照明不同，開闊空間的道路照明四周沒有反光物體存在，因此道路照明要求的光通量更大，這正是目前道路照明大多采用250W、400W高光通量高壓鈉燈的原因，這種燈的光通量在28000lm至48000lm范圍，若以1W、3W的 白光LED取代，則LED的需要量太大、成本很高、設(shè)計難度也大，并且效果難以理想。近數(shù)年來LED在道路照明方面已取得大量經(jīng)驗教訓(xùn)，加以目前白光LED的光效不高、壽命不長，本人認(rèn)為用LED作道路照明試驗應(yīng)當(dāng)暫緩，待研發(fā)成功更高效率、更大功率的白光LED和廉價高效的冷卻系統(tǒng)后再行推進。
道路照明消耗作巨大能源、也有很大潛力可挖，其改造勢在必行，最近飛利浦公司和復(fù)旦大學(xué)合作，對此進行了十分有益的研究[5]，他們的結(jié)論是陶瓷金屬鹵化物燈是高壓鈉燈的非常好的換代產(chǎn)品。
