Ⅰ 概述
LED的开发迄今已有近30年历史,取得长足进展,白光LED的提出历十余年磨练,发展迅速。在能源短缺、污染严重的时代LED应运而生、倍受重视。为缓解能源紧张、上世纪90年代中叶,日本政府率先、继则美国政府从财政上支持本国技术界和工业界推动固态照明的开发。我国政府(以科技部为首、包括能源部、经贸委、信息产业部等,以及各地方政府)也大力支持和资助LED的研发,并成立了国家半导体产业联盟推进中国的固态照明(中国称之为半导体照明)计划,并预期2010年白光LED的光效可提高到100 lm/W,并可用以大量替代光效约90 lm/W的荧光灯广泛用于普通照明领域,[1] [2]。
在这样的形势下我国的大量企业、投资者、研究人员和技术人员纷纷介入,大规模投资开拓LED的研发和生产,迄今估计总共已投入人民币数十亿元,在不到十年的时间中取得了突出的成绩,形成了规模庞大的产业链。
中国照明网技术论文·LED照明全世界对LED特别是白光LED如此的重视有其内在原因,当前巨量的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨、特别所造成环境已使得能源节约成为一项十分迫切的任务。各国消耗的能源中很大一部分用于照明。我国以及发达国家照明用电约占发电总量的12~13%,这是一项十分可观的能源损耗。而目前全世界使用的光源仍以效率不高的白炽灯类光源为主,从中挖潜是大有可为的。
中国照明网技术论文·LED照明LED领域集中了众多优秀人才,取得了辉煌成绩,一些研究部门宣布他们研发的LED在某些条件下达到了120lm/W甚至150lm/W的光效。因而大部分企业也纷纷宣称自己的产品的光效已达到70lm/W、90lm/W或更高,由于LED的光辐射是定向的,其光利用率比辐射输出各向均匀的普通光源仅靠灯具的定向反射采光的效率要高,因此认定LED是当前最佳功能照明光源,并大力向各个照明领域推广,数年前已有人宣称2010年LED将会大量取代紧凑型荧光灯、大规模进入家庭照明、并断言白光LED是当前最好的道路照明光源。
中国照明网技术论文·LED照明毋庸置疑的是经过20多年的发展,LED在显示领域已取得了完全成功、并已成为无与论比、不可替代的显示器件。在装饰照明方面也充分显示其特色、取得半壁江山,2008奥运会开幕式上LED的出色表现更震撼世界。但是不能不正视的事实是在功能照明方面白光LED仍然存在较大的局限性。中国已经是世界上最大的LED的生产基地和消费市场,LED的应用领域广阔,但由于目前的技术水平和实际性能的限制,将此种器件用于功能照明并非用其所长的。所谓大功率LED,目前市场上能找到最大功率器件也不过3W,即使是研发中的10W器件能大规模生产,但对于常规照明特别是道路照明中使用的数百瓦的光源而言其单粒功率失之过小。采用白光LED设计一项照明工程其用量必定很大,无论是设计难度或是成本都将是得不偿失的。
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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%。
中国照明网技术论文·LED照明 中国照明网技术论文·LED照明 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。
中国照明网技术论文·LED照明众所周知,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。
中国照明网技术论文·LED照明提高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]
中国照明网技术论文·LED照明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:
中国照明网技术论文·LED照明如果保留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。
中国照明网技术论文·LED照明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。
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中照网网友 在2021-1-11 9:45:39发表
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中照网网友 在2018-6-6 17:54:50发表
shiyong
中照网网友 在2016-12-29 17:53:27发表
伟然科技照明
中照网网友 在2016-6-2 11:44:56发表
这个确实是事实,可是国家一边为了照顾经济发展,一边又没有投入资金对企业进行辅导,确实让企业也茫然。是无奈还是放任,这需…
中照网网友 在2016-5-19 11:36:38发表
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