製造商朝DOE LED功效目標邁進穩步前進

　　美國能源部(DOE)正處於鼓勵發展固態照明(SSL)的權威部門。雖然製造商在其產品的功效方面取得了巨大的進步，但DOE還是熱衷於推動LED製造商更加努力地實現LED技術的全部潛力。

　　白光熒光體轉換髮光二極體-使用皇家藍光LED與釔鋁石榴石(YAG)磷光體-和彩色混合LED -單獨的紅、綠、藍(RGB)器件，其光混合為199，理論最大效率為266 LM/W。Y(一旦考慮到固有的包裝低效率)。

　　能源部已將這些數字作為其目標，鼓勵製造商加倍努力，但主要挑戰仍在逼近。本文總結了當今LED的表現，展望了在DOE的野心得到滿足之前需要澄清的障礙。

　　DOE設定目標

　　2005美國能源政策法案指導DOE“支援基於白光發光二極體的先進固態照明技術的研究、開發、示範和商業應用活動”，為了支援這一目標，DOE定期釋出其MUL。TI年計劃。2012年4月，該計劃是一個綜合性的檔案，集中於核心技術研究和產品開發，這是該部門努力將SSL技術從實驗室引導到市場的一個重要部分。

　　該計劃包括DOE的效能預測，詳細說明目標從2011開始(表1)。兩個領先的白光LED技術包括：藍色藍光LED與YAG磷光體轉換和RGB彩色混合LED(見TechnZanges文章)更白、更亮的LED和“通過新增而不是減色來產生白光”。

　　米制2011、2013、2015、2020球

　　冷白

　　(混色)135 164、190、235、266

　　冷白

　　(熒光粉)135 157、173、192、199

　　暖白

　　(混色)97 129、162、224、266

　　暖白

　　(熒光粉)98 126、150、185、199

　　注意：冷白色包裝的投影假定CCT=474-7040K和CRI=70-80，而暖白色包裝的投影假定CCT=2580-710K和CRI=80-90。所有功效預測假設包被測量在25°C，驅動電流密度為35 A/cm。

　　表1：LED封裝的DOE效能預測。

　　根據科學文獻，基於現代材料的發光二極體的理論最大功效-給出了完美的電轉換到光-介於350和450 LM/W之間。從這個出發點，DOE計算實際效能極限為26。6用於LGB器件的LM/W，用於磷光體轉換LED的199 LM/W。

　　該部門已經假設RGB LED的物理極限會因封裝效率低下而得到緩和，導致實際轉換效率為67%。類似地，磷光體轉換LED的潛力主要是由斯托克斯從LED中的藍色光子轉換成有助於白光光譜的黃色和紅色光子所造成的損失而回火的。磷光體轉換損耗負責競爭技術的最大潛力之間的近33%的差異。

　　作為照明裝置中的進一步光學損耗的結果，產生266 LM/W的LED將轉化為產生200 LM/W的照明器。當達到這樣的水平時，SSL將遠遠超過熒光(100 LM/W)、緊湊型熒光(75 LM/W)、高強度放電(HID，115 LM/)的功效。W)和白熾光源(15 LM/W)，所有這些通常被認為是成熟的技術，很少有機會進一步提高效能。

　　製造商迎接挑戰

　　影響LED效率低下的因素很多。然而，在基本術語中，這些可以被分為三個領域：第一例項中的光子的產生(考慮到在磷光體轉換LED的情況下藍色LED和磷光體的功效和在RGB LED的情況下的單個有色LED的功效)，提取TH。從LED中提取光子，並從LED封裝中提取光子(考慮到從LED本身逸出的光子只在LED封裝中的其他地方被吸收)。一個有著重大影響的最終因素是“效率下降”現象(見TealStand文章)標識LED效率下降的原因“”，這就意味著當更高的電流使LED燃燒更加明亮時，它的功效就消失了。這種現象比其他顏色更能影響LED的一些顏色。

　　在過去二十年中，數百億美元的科研經費和一些公司的一些非常聰明的科學家和工程師，如CREE、歐司朗、飛利浦LUMIDES和漢城半導體公司，都取得了顯著的LED功效。(見TeaStand的文章“材料和製造的改進提高LED效率”)圖1示出了自從2005以來磷光體轉換和RGB LED的效率的改進。(注意到“酷”和“暖”之間有一個區別，因為溫暖的裝置需要更多的紅色含量到它們的輸出光譜，從定製的熒光體或紅色的LED中產生紅色光子——本質上比向藍色的光子產生效率低[COO ]。光譜結束。

　　2005以來LED效果圖

　　圖1：LED功效自2005以來增長。(實際資料和預測)

　　今天，工程師可以購買相對便宜的裝置，其功效超過100 LM/W。例如，在流行的“1W”封裝中檢查來自不同製造商的產品(在正向電壓為3 V，正向電流為350毫安)，表明CIEE的XLab-XB-D與O產生116 LM/W。SRAM的OSLon SSL 150白色生產136 LM/W飛利浦LUMILDS出售Luxeon反叛白色，產生118 LM/W，漢城半導體提供了豐富的白色LED，其輸出了103 LM/W(注意這裡列出的裝置不一定是直接等效的，只是示例。所有制造商列出了廣泛的LED提供不同的效率，工程師應該檢查資料表的全部規格。

　　報酬遞減

　　圖1顯示，直到最近，磷光體轉換和RGB LED的功效增益已經跑了脖子和脖子。然而，在2013之後，事情開始發生分歧。對於這兩種技術的預測表明，當器件接近199和266 LM/W理論極限時，效率增益減慢，但是磷光體轉換LED的增益更快地脫落。

　　結果表明，磷光體轉換LED的限制因素是熒光粉本身。在藍色LED激勵下，密集的發展已經看到了量子效率(從磷光體輸出的光子能量與來自LED的輸入光子能量相比的量度)，上升到大約80%的健康。YAG磷光體雖然效能優良，但並不理想，“溫度猝滅”等效應最終會影響療效。

　　磷光體制造商正加緊迎接挑戰，以生產新的材料，有望形成具有更高轉換效率的商業熒光粉，同時支援寬的顏色相關溫度(CCT)範圍和良好的顯色指數(CRI)。其中最有希望的候選物是氮化物和氧氮化物材料，它們取代了在當前商業級中使用的鈰的電致發光性質，而另一種稀有元素是金屬銪(Eu)。然而，即使有了這些新材料，磷光體的轉換最終也會達到一個天然屏障，對整個器件的功效提出上限(見TealStand文章)熒光粉的開發解決了暖白色LED的低功效。

　　通過從該方程中除去熒光體，RGB LED消除該勢壘，然後僅受電致發光的量子力學定律的約束，該量子力學定律決定了350和450 LM/W上限(圖2)。

　　RGB LED影象

　　圖2：RGB LED承諾更高的功效，因為它們消除了磷光體屏障。

　　然而，推動RGB LED到這一點將是不容易的。今天的關鍵障礙是綠色LED的功效。儘管藍色和紅色裝置穩步改進，但綠色LED卻停滯不前。綠色LED的外部量子效率(EQE)約為25%，與藍色和紅色器件相比，它們誇耀峰值功率轉換效率分別超過81%和70%。

　　問題歸結為一個事實，即改變半導體的組成，使其發射在綠色部分的光譜導致差的載流子限制，由於相對低的帶隙的材料系統。換句話說，電子洩漏而不是輻射地與空穴重新組合以釋放光子。更糟糕的是，綠色LED比其他顏色的效率更差。

　　一個臨時措施，由飛利浦LUMILDS利用其灰綠色LED從叛逆ES家庭，是結合皇家藍色LED與石灰磷。根據資料表，這種藍色LED /綠色熒光粉組合能夠達到高達190 Lm/W(2.75 V，350毫安)的功效。

　　由於磷光體轉換LED更簡單和更便宜的製造，它們比RGB LED更廣泛地可用。然而，後者已經接近商業化，並且除了有更大的功效之外，他們還擁有色彩調諧性的優點——允許消費者設定白光的“溫度”以適應他們的情緒(見技術區文章)，石灰綠色LED鼓勵顏色Tunabl。E照明“。

　　未來對於LED和競爭環境以及來自DOE等組織的支援具有很大的希望;製造商將克服目前正在放緩的技術難題。SSL最終將優於其他光源和價格下降，最終成為國內、商業和工業應用2020的主要照明技術。