照明用白光LED的主要技术路线的分析

白光LED种类:照明用白光LED的主要技术路线有: ①蓝光LED+荧光粉型; ②RGB LED 型; ③紫外光LED +荧光粉型

1、蓝光-LED芯片 + 黄绿荧光粉型包括多色荧光粉衍生等型

黄绿荧光粉层吸收一部分LED芯片的蓝光产生光致发光,另一部分来自LED芯片的蓝光透射出荧光粉层后与荧光粉发出的黄绿光在空间各点汇合,红绿蓝三色光混合组成白光;这种方式中,外量子效率之一的荧光粉光致发光转换效率的最高理论值将不超过75%;而芯片出光的提取率最高也只能达到70%左右,所以,理论上蓝光型白光LED光效最高将不超过340 Lm/W,前几年CREE达到303Lm/W,如果测试结果准确的话是值得庆贺的。

2、红绿蓝三基色组合RGB LED 型包括RGBW- LED型等

R-LED(红)+ G-LED(绿)+ B- LED(蓝)三个发光二极管组合在一起,所发出的红绿蓝三基色光在空间直接混合组成白光。要想用这种方式产生高光效白光,首先各色LED特别是绿色LED必须是高效光源,这从“等能白光”中绿光约占69%可见。而目前,蓝光和红光LED的光效已经做到很高了,内量子效率分别超过90%和95%,但是绿光LED的内量子效率却远远落后。这种以GaN为主的LED绿光效率不高的现象被称为“绿光缺口”。其主要原因是绿光LED还没找到专属自己的外延材料,现有磷砷氮化物系列材料在黄绿色谱范围里效率都很低,而采用红光或蓝光的外延材料制作绿光LED,在较低的电流密度条件下,因为没有荧光粉转换损耗,绿光LED要比蓝光+荧光粉型绿光的光效更高,据报道在 1mA电流条件下其发光效率达到291Lm/W。但在较大电流下Droop效应导致的绿光的光效下降很显著,当电流密度增加,光效下降很快,在350mA电流下,光效是108Lm/W,在1A条件下,光效下降到66Lm/W。

对于III族磷化物而言,发射光到绿色波段成为了材料系统的基础障碍。改变AlInGaP的成分让它发绿光,而不是红光、橙色或者黄色—造成载波限制不充分,是由于材料系统相对低的能隙,排除有效的辐射复合。

相比之下,III族氮化物要达到高效难度更大,但困难并不是无法逾越的。用这个系统,将光延伸到绿光波段,会造成效率降低的两个因素是:外部量子效率和电效率的下降。外部量子效率下降来源于尽管绿光带隙更低,但绿光LED采用GaN的高正向电压,使得电源转换率下降。第二个缺点是绿光LED随注入电流密度增大而下降,被droop效应所困。Droop效应也出现在蓝光 LED中,但在绿色LED中影响更甚,导致常规的工作电流效率更低。然而,造成droop效应原因猜测很多,不仅仅只有俄歇复合这一种一其中包括了错位、载体溢出或者电子泄漏。后者是由高压内部电场增强的。

因此,提高绿光LED光效的途径:一方面研究现有外延材料条件下如何减小Droop效应来提升光效;第二方面,用蓝光LED加绿色荧光粉的光致发光转换发出绿光,该方法可以得到高光效绿光,理论上来说可达到高于目前的白光光效,它属于非自发绿光,其光谱展宽所导致的色纯度下降,对于显示来说是不利的,但对于普通照明来说没有问题,该方式获得的绿光光效有大于340 Lm/W的可能性,但组合白光后仍然不会超过340 Lm/W;第三,继续研究寻找专属自己的外延材料,只有这样才有一线希望通过获得比340 Lm/w高较多的绿光后,再由红绿蓝三个三基色LED组合后的白光才可能高于蓝光芯片型白光LED的光效极限340 Lm/W。

3、紫外光LED芯片 + 三基色荧光粉发光

上述两种白光LED的主要固有缺陷是光度和色度空间分布不均匀。而紫外光是人眼无法感知看到的,因此,紫外光出射芯片后被封装层的三基色荧光粉吸收,由荧光粉的光致发光转换成白光,再向空间发射。这是它的最大优点,就像传统荧光灯一样,它不存在空间颜色不均匀。但紫外光芯片型白光LED的理论光效不可能高于蓝光芯片型白光的理论值,更不可能高于RGB型白光的理论值。但是只有通过研发适合紫外光激发的高效三基色荧光粉才有可能得到接近甚至比上述两种白光LED现阶段光效更高的紫外光型白光LED,越靠近蓝光的紫外光型LED其可能性越大,中波和短波紫外线型的白光LED就不可能了。

李自力,教授级高级工程师,广东省市场监管局缺陷产品管理中心主持日常工作副主任(广东质检院电器部副部长)。2018年获《中国标准创新贡献三等奖》,牵头制定了11项照明国家标准,作为国际IEC智能照明标准专家组成员参与国际IEC标准制定,参加国家重点研发计划和“863”科研项目评审,并参与全国CCC照明指定实验室核查。

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