制造商在DOE LED效能方面面临了哪些技术挑战

美国能源部（DOE）是鼓励开发固态照明（SSL）的当局的先锋。虽然制造商在其产品的功效方面取得了巨大进步，但DOE热衷于推动LED制造商更难以实现LED技术的全部潜力。

白光磷光体转换LED - 使用皇家蓝色LED与钇铝石榴石（YAG）荧光粉和彩色混合LED相结合 - 将光混合的红色，绿色和蓝色（RGB）设备分开 - 理论最大效率为199和266 lm/W， （一旦固有的包装效率被考虑在内）。美国能源部已将这些数字作为目标，并鼓励制造商加倍努力，但主要挑战迫在眉睫。本文总结了当今LED的性能，并展望了在美国能源部的雄心壮志得到满足之前需要解决的障碍。

DOE设定目标

2005年美国能源政策法案指示能源部“支持研究”与基于白光发光二极管的先进固态照明技术相关的，开发，演示和商业应用活动。“为了支持这一目标，DOE定期发布其多年计划计划。¹最后发布于2012年4月，该计划是一份全面的文件，侧重于核心技术研究和产品开发，这是该部门将SSL技术从实验室引导到市场的重要部分。该计划包括DOE对功效的预测，详细说明2011年以后的目标（表格1）。两种主要的白光LED技术包括预测：皇家蓝LED结合YAG-磷光体转换和RGB颜色混合LED（参见TechZone文章“更白，更亮LED”和“通过添加创建白光 - 不减去 - 颜色“分别。”

公制2011 2013 2015 2020目标酷白

（混色）135 164 190 235 266 Cool White

（磷光体）135 157 173 192 199暖白色（颜色混合）97 129 162 224 266暖白色（荧光粉）98 126 150 185 199

注：冷白色包装的投影假设CCT = 4746-7040K且CRI = 70-80，而暖白色封装的预测假定CCT = 2580-3710K且CRI = 80-90。所有功效预测均假设封装在25°C下测量，驱动电流密度为35 A/cm²。

表1：LED封装的DOE功效预测。

根据科学文献，基于现代材料的LED的理论最大功效 - 电力与光的完美转换 - 介于350和450流明/瓦之间。从这个起点开始，DOE已计算出RGB设备的实际功效限制为266 lm/W，荧光转换LED的实际功效限制为199 lm/W.

该部门已假设RGB LED的物理限制将由包装效率低下导致实际转换效率达到67％。类似地，磷光体转换LED的可能性主要受到斯托克斯将蓝色光子从LED转换成有助于白光光谱的黄色和红色光子所引起的损失。磷光体转换损失导致竞争技术的最大潜力之间差异接近33％。由于照明灯具的进一步光学损耗，产生266流明/瓦的LED将转化为生产的灯具200流明/瓦。达到这样的水平后，SSL将远远超过荧光（100 lm/W），紧凑型荧光灯（75 lm/W），高强度放电（HID，115 lm/W）和白炽光源（15 lm/W）的功效），所有这些通常被认为是成熟的技术，几乎没有进一步提高性能的机会。

制造商迎接挑战

有许多因素导致LED效率低下。然而，从基本的角度来看，这些可以分为三个方面：第一种情况下的光子产生（在磷光体转换LED的情况下考虑蓝色LED和磷光体的功效以及各个彩色LED的功效） RGB LED的情况下，从LED中提取光子，并从LED封装中提取这些光子（考虑到从LED本身逃逸的光子只被吸收到LED封装中的其他地方）。造成重大影响的最后一个因素是一种被称为“效率下垂”的现象（参见TechZone文章“确定LED效率下降的原因”），该文章规定，虽然更高的电流会使LED燃烧更亮，但其效能会逐渐消失。这种现象比其他颜色更能影响LED的某些颜色。

Cree，OSRAM，Philips Lumileds和首尔半导体等公司的数亿美元研究资金和一些非常聪明的科学家和工程师已经取得了显着的LED效能。二十年。 （参见TechZone文章“材料和制造改进提高LED效率”。）图1显示了自2005年以来磷光体转换和RGB LED功效的改进。（请注意，“酷”和“暖”之间存在差异，因为温暖的器件需要更多的红色内容到他们的输出光谱，红色光子的产生 - 来自定制的荧光粉或红色LED - 本质上比光子产生到光谱的蓝色［较冷］端的效率低。）

图1：自2005年以来的LED功效增益。（实际数据和预测）

今天工程师可以购买功率超过100流明/瓦的相对便宜的设备。例如，在流行的“1W”封装中检测来自不同制造商的产品（正向电压为3 V，正向电流为350 mA）表明Cree的XLamp XB-D产生116 lm/W，OSRAM的OSLON SSL 150白色产生136流明/瓦。飞利浦Lumileds销售的LUXEON REBEL White产量为118流明/瓦，而首尔半导体公司则推出Acrich白光LED，产量为103流明/瓦。 （请注意，此处列出的设备不一定是直接等效设备，仅供参考。所有列出的制造商都提供各种LED，提供不同的功效，工程师应查看数据表中的完整规格。）

递减收益

图图1显示，直到最近，磷光体转换和RGB LED的功效增益已经达到颈部和颈部。然而，在2013年之后，情况开始出现分歧。两种技术的预测表明，随着器件接近199和266 lm/W的理论极限，效率增益放缓，但磷光体转换LED的增益更快地延迟。

事实证明，磷光体的限制因素 - 转换LED是荧光粉本身。密集开发已经看到，在蓝色LED激发下YAG磷光体的量子效率（来自磷光体的总输出光子能量与来自LED的输入光子能量的量度）上升至大约健康的80％。尽管其性能良好，YAG荧光粉并不完美，“温度淬火”等效果最终会影响功效。

磷光体制造商正在努力应对生产新材料的挑战，这些新材料有望形成具有更高转换效率的商用荧光粉，同时支持宽色彩相关温度（CCT）范围和良好的显色指数（CRI）。最有希望的候选物是氮化物和氮氧化物材料，它们用另一种稀有元素金属铕（Eu）取代目前商业级中使用的铈的电致发光性质。然而，即使使用这些新材料，磷光体转换最终也会达到天然屏障，从而为整个设备的功效设置上限（参见TechZone文章“磷光体开发解决了暖白光LED的低功效”）。

通过去除磷光体从这个等式中，RGB LED消除了这一障碍，然后仅受电致发光的量子力学定律的约束，这决定了350和450 lm/W的上限（图2）。

图2：RGB LED具有更高的功效，因为它们消除了荧光屏障。但是，将RGB LED推到那一点并不容易。今天的主要障碍是绿色LED的功效。虽然蓝色和红色设备稳步改善，但绿色LED已经停滞不前。绿色LED的外部量子效率（EQE）约为25％，而蓝色和红色设备的峰值功率转换效率分别超过81％和70％。问题归结为改变成分的事实由于材料系统的相对低的带隙，半导体使其在光谱的绿色部分中发射导致差的载流子限制。换句话说，电子泄漏而不是与空穴辐射重新组合以释放光子。更糟糕的是，绿色LED的效率下降比其他颜色更高。

飞利浦Lumileds利用Rebel ES系列的石灰绿LED开发的一项临时措施是将皇家蓝LED与石灰荧光粉结合使用。根据数据表，这种蓝色LED/绿色荧光粉组合的功效高达190 lm/W（2.75 V，350 mA）。由于荧光转换LED的制造更简单，更便宜，因此它们很多比RGB LED更广泛使用。然而，后者接近商业化，除了承诺更大的功效外，它们还具有色彩可调性等优点 - 允许消费者设定白光的“温度”以适应他们的心情（参见TechZone文章“Lime-Green LED鼓励”）颜色可调照明“）。

未来对LED有很大希望，并且具有竞争环境和DOE等组织的支持;制造商将克服目前正在放缓进步的严峻技术挑战。凭借远远优于其他光源和价格下降的最终功效，到2020年，SSL看起来将成为家庭，商业和工业应用的主要照明技术。