复旦大学-周太明教授--白光LED光源和灯具的技术现状及展望

白光LED光源和灯具的技术现状及展望----2014DOE文件解读复旦大学周太明•白光LED光源的光效•白光LED灯具的性能•白光LED的研发2020/4/26白光LED光源的光效光源的光效式中，Pʎ表示光源的光谱功率分布函数，V(ʎ)是明视觉条件下人眼的光谱光效率函数，Pin是光源的输入功率，Km=683lm/W。2020/4/26在上式中:PCE(PowerConversionEfficiency)--输入电功率转换成(可见)光功率的效率;LER(LuminousEfficacyofRadition)--当PCE=1时,光源的(理想)光效(lm/W).2020/4/26白光LED有三种主要的实现方法:(i)混色LED(cm-LED)；(RGB,RGBA)(ii)荧光粉转换LED(pc-LED)；(iii)混合型LED。混合型LED是将一种或多种单色LED和pc-LED组合而成。下页图是对白光(3000K,Ra85,R90)的模拟光谱2020/4/262020/4/26在视网膜上有两种感光细胞:锥状细胞和杆状细胞;锥状细胞又细分为三种,分别负责感受蓝光、绿光和红光。(a)眼睛截面图;(b)视网膜上有锥状和杆状感光细胞。2020/4/261973年的能源危机刺激了对光源的研究。随着色觉研究的进展,美国的桑顿和荷兰的凯丹等人研究发现:如果光源的可见辐射集中在蓝、绿和红三个狭窄的波长区域内,就能在具有高光效的同时具有很好的显色性能。这一研究结果具有很大的价值:它改变了原来人们以为只有发射连续光谱的光源才有良好的显色性这一不完整的看法。为开发同时具有高光效和良好显色性的光源奠定了理论基础。2020/4/26采用三窄带稀土荧光粉(Threenarrowbandsemission)的荧光灯的光谱2020/4/26Haitz博士等开始总是认为采用混色的方法来产生白光要比采用荧光粉的方法好。这是因为采用荧光粉的方法时，由于将蓝光转换成更长的波长时的Stokes位移，会产生20%～25%的能量损失。但是，由于所谓的GreenGap效应，目前LED芯片材料在绿光区域的外量子效率很低。而这一部分的光正好位于人眼视觉最为灵敏的区域，对于光源的辐射总光通量至为关键。另外，控制问题也较复杂。然而迄今为止事实证明他们错了：荧光粉转换型的白光LED灯持续占据着统治地位，被认为是比混光方式更好的产生白光LED灯的方法。2020/4/26GreenGap2020/4/26为何现在白光还是为pc-LED主？有以下几个原因：第一，在可见区效率的改进是不平衡的。自1999年到2010年间，在85℃时，激发荧光粉用的蓝光LED的效率提高了5倍，而红光、黄光和绿光LED的效率只提高了2～3倍。第二，大功率封装的发展速度比预想的更快，采用PC技术更有用，2010年时,采用单颗LED灯可以很容易地获得1klm的光。尤其是采用2×2mm2的芯片的冷白光PC-LED灯可以工作于10W，光效达100lm/W，产生1klm的光通量，寿命50000h。如果寿命只要3000h，该灯可以工作于25W，产生2klm的光。事实上，将4个3×3mm2的芯片紧贴着封装在一起，可以将输入功率增加到100W，产生6klm的光，而且寿命还可达到50000h。根据后面将要讨论的光效的改善，这一技术可以很容易地扩展到需要20klm和3000h的照明应用。2020/4/26第三，我们认识到白光LED灯颜色稳定是很重要的。人的视觉系统对于白光的色品正确与否是极其敏感的。对将4～6种单色LED进行混光所获得的白光LED灯，要想使其光色不随温度而变，就需要考虑这4～6种单色LED对温度不同的依赖关系。这样就要求有4～6个独立可控的反馈回路和驱动电路。激发用的蓝光LED和转换的荧光粉远不像红光和黄光LED那样对温度敏感。此外，蓝光LED和所用的荧光粉在100℃以上的高温下可以很好地工作。这些特性使得我们可以设计出这样的PC-LED白光灯，即使对大范围高容量的应用，在允许的温度范围内光色和光输出能维持稳定。Haitz博士等半导体物理学家对这些照明要求的理解不够，因此造成失察。第四，传统照明技术并不需要协调色调，因而对于这些性能没有强烈的迫切要求。固态照明的供应商依然在为光通量、价格和光的质量等要求而奋斗；使用者通常则是关注于“最适当的、足够好的白光”的解决方案。2020/4/26第五，覆盖绿-红波长范围的优质荧光粉已经开发成功，它们的内量子效率极高，而且具有很好的热和环境稳定性。这些荧光粉中的某些粉价格还是不便宜的。然而，与荧光灯和紧凑型荧光灯相比，PC-LED所用的粉量是非常少的。因此如果考虑到其他技术的费用的话，荧光粉在SSL灯的全部成本中所占的比例或许可以忽略不计。现今PC-LED已经普遍使用，而混色白光LED则被用于要求实时色品调节的特殊市场。而且在今后的一段时间也会是如此。不过我们必须强调，对更长远将来的情形目前尚不清楚。现今的混色白光LED的缺点之一是反馈回路复杂且价格高；然而如果色品数字控制成为灯一个重要性能要求的话，采用混色的方式反倒有优势了。此外，尽管现在反馈回路的实现代价太高，但是将来或许并非如此。由于$/lm持续下降，当降到某一程度时与运转费用相比灯的价格已经不重要了。那时照明业界将希望灯能增加一些新的性能，从而由灯的身上获得更多的利润。色品控制可能就是一个这样的性能。2020/4/26下面我们将要重点研究当白光LED光源的输入电功率全部转变为光功率时，也就是PCE(PowerConvertionEfficiency)=1时，它的光效值，即LER(LuminousEfficacyofRadition)2020/4/26光源的LER(LuminousEfficacyofRadition)的值取决于光源在可见光区的光谱功率分布。下面以RGB和RGBA的cm-LED为例加以说明。2020/4/26RGBcm-LED白光光谱（(3000K,85CRI,R90)白炽灯的光谱2020/4/26LED光源最大的理想光效是当其输入电能全部转换成(可见)光辐射时的光效(LER)--辐射的光效(luminousefficacyofradiation)。美国NIST(NationalInstituteofStandardsandTechnology)的YoshiOhno和WendyDavis已经研究出具有良好显色性且具有最大的理想光效LERmax的LED光源的最佳发射光谱,得到LERmax为350to450lm/Woptical。而某一具体光源实际可能获得的理想光效记为LER。2020/4/26采用NIST的模型(7.5版本)估算一系列CCT/CRI组合的LED的光效。在上图中给出了窄带单色RGBcm-LED的典型模拟光谱。为比较起见，图中还加入了白炽灯的光谱。对图中cm-LED的光谱，我们根据对色温和显色指数的要求，已经对峰值波长、它的光谱宽度和强度进行了优化以便获得最大的LERmax。在这里，我们选择要模拟的条件是：色温为3000K的暖百光，显色指数CRI为85，R90。如果放宽对CRI和R9的要求，则可以获得更大的LERmax，但是光的质量就会下降。2020/4/26对理论上最佳的性能情况，一旦最佳光谱和相应的LER已经确定，我们就可以计算出LED理论上的最大光效。对由几个单色光混色而得的光源，可以将光谱中每一单色光峰值对于LER的贡献与那个单色光的功率转换效率(powerconversionefficiencyPCE）相乘得到其光效。分析中所采用的PCE的值是假定工作于电流密度为35A/cm2和环境温度为250C的条件下获得的。2020/4/26对RGBcm-LED（CCT3000K，CRI85，R90）光源估算的光效。2020/4/26对RGBAcm-LED（CCT3000K，CRI85，R90）光源估算的光效。2020/4/26上面两个表给出了对cm-LED的分析结果。对于三色RGB和四色RGBA的光谱计算得到的LER值都约为400lm/W。在两种情况下，我们假设每种单色LED光谱的半峰全宽度FWHM（fullwidthathalf-maximum）都取中等值20nm。为了计算光源的光效，我们要知道每种单色LED光源的PCE数值。在表中，我们提供了两套数据：一是现今的典型值，另一是2020年的目标值。采用这些数据可计算得到：RGB现今的光效为133lm/W，RGBA为85lm/W；而采用2020年的目标数据,它们则分别增加到191and153lm/W。2020/4/26上面的这些计算的数据没有考虑颜色混合时的附加损失。RGBA组合的光效之所以较低，是由于琥珀色LED光源的PCE数值低。将琥珀色LED光源和绿色LED光源的PCE的值都增加到与红色LED光源的目标值一样，即55%时，将会使这两种结构的LED光源的光效提升至230lm/W。如果要想使光源的光效达到250lm/W的目标，则红、绿和琥珀色LED光源的PCE数值都要达到60%。2020/4/26*考虑了Stokes损失和荧光粉的量子效率以及蓝光LED的PCE对pc-LED（CCT3000K，CRI85，R90）光源估算的光效2020/4/26上表给出了对pc-LED分析的结果。在pc-LED的情况中,宽带荧光粉发射光谱的长波方向上有相当的量是在红外区域,造成光效的下降。此外Stokes效应也要产生不可避免的损失。为了探索窄带红色荧光粉的好处,以及评估其他的优化荧光粉的影响,我们采用NIST的三色LED模型,假定绿粉的FWHM为100nm,红粉的FWHM为110nm,对pc-LED的光谱进行料模拟。对CCT3000K和CRI85的情况,我们得到最大的LER为316lm/W,得到现今的光效为123lm/W。基于宽带荧光粉的目标光效为189lm/W;然而考虑到在预期的荧光粉FWHM值的减小,这个目标光效要做调整。例如当红粉的FWHM值减小到50nm时,LER值增加到361lm/W,光效达到223lm/W。而将绿粉和红粉的FWHM值都减小到50nm时,LER升至375lm/W,光效达到232lm/W。如果进一步将荧光粉的FWHM减小到我们的目标值30nm,则LER达到395lm/W,光效为247lm/W。作为一个实际上很相近的例子是LuxeonTX的光谱,其色温为3000K,CRI85。它是采用稍微狭窄的绿光荧光粉,其LER约为320lm/W,光效124lm/W。该光效值与报道的在35A/cm2电流密度下工作得到的光效122lm/W非常好地符合。对混合型LED（CCT3000K，CRI85，R90）光源预测的光效*考虑了Stokes损失和荧光粉的量子效率以及蓝光LED的PCE由于缺少可用的窄带红粉，迫使人们想到开发混合型的方法，采用FWHM窄约20nm的红色LED替代红色荧光粉。在上页表中给出了对混合型LED的分析。在这一情况下，LER大约为368lm/W,光效为165lm/W左右。根据器件性能的目标值,尽管还是依靠宽带的绿粉,但光效估计可升到231lm/W。如将绿粉的FWHM降低到我们的目标值30nm,则光效上升至244lm/W。此一分析清楚显示了窄带绿粉和红色LED发射光谱所能提供的好处,由于已有窄带的红色光源(是指红光LED),因而在短期内采用混合型的方法还是一个可行的替代方案。尽管红色LED能够有明显的好处，但是基于通常的AlGaInP的红色LED与基于GaN的蓝色LEDs的热性能有很大差异，因此需要控制系统，增加了复杂性。对于荧光粉转换的光源，需要将荧光光谱包络的每一点与下转换量子效率及Stokes损失相乘，然后积分。为简化起见，我们选择采用单一的更重要的转换效率来代表转换效率，以及基于发射光谱峰值的单一的Stokes损失值。由于荧光粉发射是相当宽的，而且是不对称的，尤其是绿色荧光粉，因而此一假定是不够精确的。然而对于我们的分析而言，它还是能够给出一个合理的估计。对混合型的LED光源，我们将这两种方法结合起来使用，从