大功率白光LED道路照明探讨

　　Ⅱ LED的光效

　　对LED的普遍的评价是高光效和长寿命，很多厂家宣称其产品光效高达90lm/W或更高，但这些数据只是某些实验室在测试初始阶段当LED仍处于冷态时测得的最高数据。所谓5万小时或10万小时寿命只是早期对小功率单色LED的估算结果。

　　从LED的发光机理可以估算其理论光效。如所周知LED是利用载流子复合而发光的，载流子复合时其势能全部转化为光能，单就这一过程而言其内量子效率为100%。但是载流子在介质中与晶格碰撞而损失的能量、复合时载流子所携带的动能、以及为克服外电路电阻而消耗的电能均不可能转化为光能。考虑到各种附加能耗、载流子复合的实际内量子效率不会超过90%。

　　载流子复合时产生的光子有50%的几率为外向辐射，这50%的光子中一部分与晶格碰撞并为晶格吸收转化为热能。部分光子传输时在不同介质交界面处会反射回原介质并被吸收，此外作为输出窗的外电极的金属网膜或透明导电膜也将使部分光子反射并被吸收，这些过程都会降低LED的量子提取率，设这部分光子的量子提取率为80%。
　
　　载流子复合时产生的光子中有50%的几率为内向辐射，这部分光子在到达兼作反射镜的底层导电膜时将部分反射转化为外向输出光，然而此部分光子在向内或向外传输过程中将与晶格碰撞并被部分吸收，而在经过不同介质交界面时也将部分反射或折射回原介质最终被吸收。基底反射镜的反射效率和上述过程的限制而使得内向辐射的光子转化为输出光的量子提取率不会超过40%。

　　根据以上分析可以估算出LED总的电光转换效率约为54%，这是非常理想的情况下的估计结果。制造工艺中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均将造成其能量转换效率的下降。与可见光转换效率不足5%的白炽灯相比，甚至与当前转换效率最高的高压钠灯、陶瓷金卤灯相比(电光转换效率约为30%)也是非常高的，这正是LED有十分诱人前景的原因所在。

　　如所周知，将1W能量全部转化为555nm波长的黄光时产生的光通量可达683lm/W(683lm/W即光功当量)，若全部转换为白光则约为360lm/W。如本文前面的估计，在十分理想情况下发555nm黄光的LED最高可能达到约300lm/W的最高光效，目前上述估计还远未实现。目前所报导的LED的最高光效实际只达到这一理想值的一半，而实际上还不足其1/4，这也正是人们论为LED尚有巨大潜力可挖、对之寄以厚望的原因所在。

　　提高LED发光效率的关键在于提高量子提取率，亦即尽可能减少光子的内部吸收，这就是LED向超薄型发展的原因。目前最高光效的超薄型(厚度数十纳米)GaN LED、其下导电膜采用了高反光镜膜、并将输出窗内表面制成粗糙构造、以减少光子的内向反射，然而即使如此目前报导的最高光效不过150lm/W。[3]

　　以上分析的是对单色光LED的进行的，将单色光转化为白光还须再经过一次量子转换，目前大都采用发射光谱的中心波长约470nm的蓝光LED来激发辐射光谱中心波长为560nm的宽带黄光荧光粉，从而制成蓝黄光混合的白光LED，但是这将使LED的光效近一步降低。其光子效率可以估算如下：

　　如果保留LED辐射中的约20%蓝光输出，用剩余的80%的蓝光激发黄光荧光粉，在最佳情况下这80%的蓝光中约有20%以上的光子将为荧光粉吸收，其余80%下转移为以560nm为中心波长的宽带黄光辐射，这一过程平均产生16.1%的量子能量损失。结合前面的数据可以估计白光LED的总能效不会超过40%，换算为白光时白光LED的总光效最多不过150lm/W。如果没有其他突破，这是当前白光LED可能达到最高光效，这一光效与当前最高光效的光源如HID灯中的高压钠灯或陶瓷金卤灯相比还高一些。但是目前实际达到的光效尚未及此一半。

　　我们曾对此进行了实验研究，我们利用某公司生产的1W高亮度蓝光LED，其光谱的中心辐射波长为470nm见Fig.3，去除外封装后分别涂敷不同厚度的辐射的中心波长为560nm的黄光荧光粉涂层，经处理后测量其发射光谱。从二十余种不同厚度的样品中选择了四种典型情况，其结果见Fig.4 a,b,c,d及附表。最佳情况下(Fig.4 c)的光通输出为38lm(初始冷态约50lm)，显色指数为78。

　　某著名跨国公司技术人员介绍他们的1W白光LED的初始光效达到了70lm/W，正常运转时因p-n结温度上升，光效降为50lm/W。

　　5万或10小时的长寿命判断是在LED发展初期对小功率单色LED估算的，对于大功率LED，特别是白光LED，由于芯片和荧光粉长期在高温下烘烤，必将使寿命大幅下降。这就是设计不良的LED照明工程在运转3~4个月后急剧的光衰使设计者不得不常常更换光源的原因。