制造商朝DOE LED功效目标迈进稳步前进
美国能源部(DOE)正处于鼓励发展固态照明(SSL)的权威部门。虽然制造商在其产品的功效方面取得了巨大的进步，但DOE还是热衷于推动LED制造商更加努力地实现LED技术的全部潜力。
白光荧光体转换发光二极管-使用皇家蓝光LED与钇铝石榴石(YAG)磷光体-和彩色混合LED -单独的红、绿、蓝(RGB)器件，其光混合为199，理论最大效率为266 LM/W。Y(一旦考虑到固有的包装低效率)。
能源部已将这些数字作为其目标，鼓励制造商加倍努力，但主要挑战仍在逼近。本文总结了当今LED的表现，展望了在DOE的野心得到满足之前需要澄清的障碍。
DOE设定目标
2005美国能源政策法案指导DOE“支持基于白光发光二极管的先进固态照明技术的研究、开发、示范和商业应用活动”，为了支持这一目标，DOE定期发布其MUL。TI年计划。2012年4月，该计划是一个综合性的文件，集中于核心技术研究和产品开发，这是该部门努力将SSL技术从实验室引导到市场的一个重要部分。
该计划包括DOE的效能预测，详细说明目标从2011开始(表1)。两个领先的白光LED技术包括：蓝色蓝光LED与YAG磷光体转换和RGB彩色混合LED(见TechnZanges文章)更白、更亮的LED和“通过添加而不是减色来产生白光”。
米制2011、2013、2015、2020球
冷白
(混色)135 164、190、235、266
冷白
(荧光粉)135 157、173、192、199
暖白
(混色)97 129、162、224、266
暖白
(荧光粉)98 126、150、185、199
注意：冷白色包装的投影假定CCT=474-7040K和CRI=70-80，而暖白色包装的投影假定CCT=2580-710K和CRI=80-90。所有功效预测假设包被测量在25°C，驱动电流密度为35 A/cm。
表1：LED封装的DOE效能预测。
根据科学文献，基于现代材料的发光二极管的理论最大功效-给出了完美的电转换到光-介于350和450 LM/W之间。从这个出发点，DOE计算实际效能极限为26。6用于LGB器件的LM/W，用于磷光体转换LED的199 LM/W。
该部门已经假设RGB LED的物理极限会因封装效率低下而得到缓和，导致实际转换效率为67%。类似地，磷光体转换LED的潜力主要是由斯托克斯从LED中的蓝色光子转换成有助于白光光谱的黄色和红色光子所造成的损失而回火的。磷光体转换损耗负责竞争技术的最大潜力之间的近33%的差异。
作为照明装置中的进一步光学损耗的结果，产生266 LM/W的LED将转化为产生200 LM/W的照明器。当达到这样的水平时，SSL将远远超过荧光(100 LM/W)、紧凑型荧光(75 LM/W)、高强度放电(HID，115 LM/)的功效。W)和白炽光源(15 LM/W)，所有这些通常被认为是成熟的技术，很少有机会进一步提高性能。
制造商迎接挑战
影响LED效率低下的因素很多。然而，在基本术语中，这些可以被分为三个领域：第一实例中的光子的产生(考虑到在磷光体转换LED的情况下蓝色LED和磷光体的功效和在RGB LED的情况下的单个有色LED的功效)，提取TH。从LED中提取光子，并从LED封装中提取光子(考虑到从LED本身逸出的光子只在LED封装中的其他地方被吸收)。一个有着重大影响的最终因素是“效率下降”现象(见TealStand文章)标识LED效率下降的原因“”，这就意味着当更高的电流使LED燃烧更加明亮时，它的功效就消失了。这种现象比其他颜色更能影响LED的一些颜色。
在过去二十年中，数百亿美元的科研经费和一些公司的一些非常聪明的科学家和工程师，如CREE、欧司朗、飞利浦LUMIDES和汉城半导体公司，都取得了显著的LED功效。(见TeaStand的文章“材料和制造的改进提高LED效率”)图1示出了自从2005以来磷光体转换和RGB LED的效率的改进。(注意到“酷”和“暖”之间有一个区别，因为温暖的装置需要更多的红色含量到它们的输出光谱，从定制的荧光体或红色的LED中产生红色光子——本质上比向蓝色的光子产生效率低[COO ]。光谱结束。
2005以来LED效果图
图1：LED功效自2005以来增长。(实际数据和预测)
今天，工程师可以购买相对便宜的设备，其功效超过100 LM/W。例如，在流行的“1W”封装中检查来自不同制造商的产品(在正向电压为3 V，正向电流为350毫安)，表明CIEE的XLab-XB-D与O产生116 LM/W。SRAM的OSLon SSL 150白色生产136 LM/W飞利浦LUMILDS出售Luxeon反叛白色，产生118 LM/W，汉城半导体提供了丰富的白色LED，其输出了103 LM/W(注意这里列出的设备不一定是直接等效的，只是示例。所有制造商列出了广泛的LED提供不同的效率，工程师应该检查数据表的全部规格。
报酬递减
图1显示，直到最近，磷光体转换和RGB LED的功效增益已经跑了脖子和脖子。然而，在2013之后，事情开始发生分歧。对于这两种技术的预测表明，当器件接近199和266 LM/W理论极限时，效率增益减慢，但是磷光体转换LED的增益更快地脱落。
结果表明，磷光体转换LED的限制因素是荧光粉本身。在蓝色LED激励下，密集的发展已经看到了量子效率(从磷光体输出的光子能量与来自LED的输入光子能量相比的量度)，上升到大约80%的健康。YAG磷光体虽然性能优良，但并不理想，“温度猝灭”等效应最终会影响疗效。
磷光体制造商正加紧迎接挑战，以生产新的材料，有望形成具有更高转换效率的商业荧光粉，同时支持宽的颜色相关温度(CCT)范围和良好的显色指数(CRI)。其中最有希望的候选物是氮化物和氧氮化物材料，它们取代了在当前商业级中使用的铈的电致发光性质，而另一种稀有元素是金属铕(Eu)。然而，即使有了这些新材料，磷光体的转换最终也会达到一个天然屏障，对整个器件的功效提出上限(见TealStand文章)荧光粉的开发解决了暖白色LED的低功效。
通过从该方程中除去荧光体，RGB LED消除该势垒，然后仅受电致发光的量子力学定律的约束，该量子力学定律决定了350和450 LM/W上限(图2)。
RGB LED图像
图2：RGB LED承诺更高的功效，因为它们消除了磷光体屏障。
然而，推动RGB LED到这一点将是不容易的。今天的关键障碍是绿色LED的功效。尽管蓝色和红色设备稳步改进，但绿色LED却停滞不前。绿色LED的外部量子效率(EQE)约为25%，与蓝色和红色器件相比，它们夸耀峰值功率转换效率分别超过81%和70%。
问题归结为一个事实，即改变半导体的组成，使其发射在绿色部分的光谱导致差的载流子限制，由于相对低的带隙的材料系统。换句话说，电子泄漏而不是辐射地与空穴重新组合以释放光子。更糟糕的是，绿色LED比其他颜色的效率更差。
一个临时措施，由飞利浦LUMILDS利用其灰绿色LED从叛逆ES家庭，是结合皇家蓝色LED与石灰磷。根据数据表，这种蓝色LED /绿色荧光粉组合能够达到高达190 Lm/W(2.75 V，350毫安)的功效。
由于磷光体转换LED更简单和更便宜的制造，它们比RGB LED更广泛地可用。然而，后者已经接近商业化，并且除了有更大的功效之外，他们还拥有色彩调谐性的优点——允许消费者设定白光的“温度”以适应他们的情绪(见技术区文章)，石灰绿色LED鼓励颜色Tunabl。E照明“。
未来对于LED和竞争环境以及来自DOE等组织的支持具有很大的希望;制造商将克服目前正在放缓的技术难题。SSL最终将优于其他光源和价格下降，最终成为国内、商业和工业应用2020的主要照明技术。