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2023/12/30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。2023/12/30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).2023/12/30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,R9>0)的模拟光谱2023/12/302023/12/30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。2023/12/301973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。2023/12/30采用三窄带稀土荧光粉(Threenarrowbandsemission)的荧光灯的光谱2023/12/30

Haitz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。2023/12/30GreenGap2023/12/30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。2023/12/30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。2023/12/30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。2023/12/30

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)2023/12/30

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。2023/12/30

RGBcm-LED白光光谱（(3000K,85CRI,R9>0)白炽灯的光谱2023/12/30LED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。2023/12/30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，R9>0。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。2023/12/30

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。2023/12/30对RGBcm-LED（CCT3000K，CRI85，R9>0）光源估算的光效。2023/12/30对RGBAcm-LED（CCT3000K，CRI85，R9>0）光源估算的光效。2023/12/30

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。2023/12/30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%。2023/12/30

*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，R9>0）光源估算的光效2023/12/30

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，R9>0）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，从而来计算其光效。

对上述三种主要封装结构的冷白光LED（色温6200K，CRI70）也进行了类似的分析。对采用宽带荧光粉的pc-LED得到LER为325lm/W，目前的光效为143lm/W，目标光效为217lm/W；但是，R9不能得到正值。将绿粉和红粉的FWHM值都减小到30nm，LER上升至359lm/W，光效达到241lm/W(而且R9>0)。冷白光结构的最高光效之所以比暖白光低一点点，很可能是由于采用了简化模型的关系。在这些光谱中红光的量比较少,因而在pc-LED和混合型LED之间的差别相对较小。采用较窄的红光LED，转换效率稍有上升，从而使采用现在的数据时混合型LED的光效提升6-7%；但是如果采用目标的数据时，则光效的增加并不明显。然而,绿粉的FWHM的减小对于光效有很显著的影响。

对于冷白光cm-LED的分析，得到LER为360lm/W,现今的光效为120lm/W,目标光效178lm/W。如同对暖白光cm-LED的情况一样，绿色LED的PCE值低，严重限制了器件的光效。将绿色LED的PCE值提升到55%，以与红色LED相匹配，则光效可升高到222lm/W。将绿和红两种LED的PCE值都提升到65%，则光效将推升至250lm/W。对cm-LED、pc-LED和混合型LED加以比较，可以获得如下几个关键结论：

在短时期内，由于已有窄带红色LED，混合型的LED可提供的光效最高；然而由于红色LED高度的热敏性，会附带来一些实际的问题。

只要有效的窄带红粉和绿粉（FWHM小于50nm）能够开发出来，则pc-LED可与混合型的LED相比美。

只有当绿色LED和黄/琥珀色LED的PCE值提升到60-70%时，cm-LED光效的潜力才能发挥出来，超过pc-LED和混合型的LED。

在电流密度为35A/cm2和环境温度为250C的条件下工作时，最高预期的光效约为250lm/W。GeorgeCraford博士是LumiLeds的CTO,曾经获得2002年美国国家技术奖去年底在北京的CAS会议休息时，与他讨论白光LED的最高光效问题，他认为考虑到照明对于显色性的要求，最高的光效约为250lm/W。

在实际应用中,电流密度和工作温度常常可能偏离我们进行上述分析时所采用的值,这将对光效产生影响。降低工作电流以减小”电流下降”效应,可以使光效提高15-20%。典型的灯和灯具的工作温度总会高于250C,这会造成光输出的减少,光效也相应下降。现在许多光源常规测量是在850C下进行，这也就接近器件的工作温度，这时的光效将要比250C时降低10-13%。减小电流密度对内量子效率(IQE)的影响（即减小“电流下降”效应），对于改善光效和降低成本具有重要的意义。同样，减小LED封装的热敏性可以使LEDs的驱动电流更大，发出更多的光，而又不会牺牲光效。有关这些光效损失以及其他损失的的更详尽的分析在接下去的部分就会讨论。暖白光(3000K)

pc-LED封装光损失的各种因素和效率值

上页的表总结了在暖白光pc-LED封装中各种原因引起的效率损失。对于每一种损失因素又给出现今效率的估计,以及达到2020年目标时潜在的改善空间值(温度25°C,电流密度为35A/cm2)。封装损失包括蓝光LED固有的因素（例如，电效率，内量子效率，光取出效率），其他损失因素主要归咎于荧光粉（例如，转换效率，散射/吸收效率）。这里给出的LED封装效率是在25°C和35A/cm2的条件下得到;另外,分析是针对CCT3000KCRI85的情况进行的。不同的CCT/CRI组合的情况将导致稍稍不同的结果。

对于暖白光cm-LED上表给出了与前面相类似的分析。这里是采用三种单色LED（红绿蓝）的情况。虽然此一分析类似于pc-LED的情况，但是由于缺少这种类型的商业产品，从而使得这一现状分析只是对我们现在所能做到的事情的一个估计。

如上表所示，高效绿色LED的缺少使得现今cm-LED的性能受到严重的限制。cm-LED并不会遭受Stokes损失，从理论上来说它应该具有比pc-LED更高的光效；然而此一收益又会为混色光学的需求抵消掉一些。另外对于采用混色的灯具，还需要考虑光色稳定性的问题，这样就会增加驱动电路的复杂程度和成本。如同早先讨论过的一样，要获得不同色温和显色性还有如混合型LED的其他选择。实际上，采用混合型方式的高光效暖白光LED灯具自2009年就已上市，但是混合型LED也存在光色稳定性的同一问题。

采用窄线宽光源的混色途径将期望会产生最高可能的光效。现今绿色和琥珀色LED的低效率严重抑制了cm-LED的性能,要实现250lm/W的最终目标就要求这两种单色光源的PCE值有重大的改善。然而,采用现今的材料、系统和设计,要达此目的或许是不可能的。结果,创新的工作就成为要优先考虑的问题。原则上来说,只要能够开发出带宽足够窄的荧光粉，采用pc-LED或混合型LED的方式也能够实现250lm/W的最终目标。因此，开发高效且稳定的窄带下转换材料也是另一个要优先考虑的问题。白光LED灯具的性能

LED灯具的性能首先依赖于LED光源本身的性能。将LED光源与其他元件集成为灯具时,会带来一些附加的效率损失,这是由驱动电路、光学设计和热管理造成的。LED灯具与现在传统灯具光效的比较

上页图给出LED灯具与现在传统灯具光效的比较。如图所示,LED产品在几年内有望超过绝大多数传统灯具,在这个十年内达到大于200lm/W的光效。下页表比较了一些现有的SSL灯具产品与传统照明技术的性能。SSL灯具从形状因子、光效、光色质量、寿命和色温等指标来细分,包含了很广大范围,具体需要采用那些指标值要根据应用场合产品的质量和在灯具中采用的技术方法而定。LED光源和灯具的性能覆盖了很宽的范围，光效从10lm/W到大于100lm/W,CCT从2700K到6500K，CRI从60到大于90。这些变化使得我们在比较产品、说明其性能和选择产品时，增加了复杂性和难度。上页表的附注：1.BasedonPhilips’LPrizewinningA19lamp.2.BasedonLightingFactsdatabaseforCreeLRP38-10L-30Klamp.3.BasedonLightingFactsdatabaseforHubbellLightingPrescoliteLB6LEDA10L35KWH.4.BasedonLightingFactsdatabaseforCreeCS24-40LHE-30Kluminaire.5.BasedonLightingFactsdatabaseforCreeCS18-80LHE-35Kluminaire.6.BasedonAcuityBrandsluminaires.7.Includesballastlosses.上表中给出了各项因素对暖白光LED灯具光效的影响解析。上述这些图表应该看成是SSL性能最一般的情况。

在给定的工作电流下LED光源的光效代表了LED灯具光效的上限。在灯具中，光效因为光学效率、驱动电路效率以及热管理效率的因素而被降低，就如同在上图中所示。整体效率特别与热管理的关系较大。由于LED光源并不辐射热，所以必须通过灯具自身来散热；这与普通光源的灯具情况不同。热造成的损失是指当LED工作于更高的工作温度时效率的下降。在LED灯具中,LED封装的工作电流和环境温度决定了LED封装的的实际工作温度和它的热效率。改善热管理或者减小工作电流就能降低LED的工作温度,提高LED的光效。灯具开发者注意到:在灯具的热通道上减少些热界面可以改善灯具的热管理,从而改善其热效率。他们不是先将LED光源安装在线路板上,然后再装到热沉上;而是只要可能的话,就将LED光源直接安装到热沉上,从而减少了热界面。具体的光学设计取决于灯具中的光学系统。根据照明产品的应用场合,要求的光型分布和需要的照明产品的形状因子,透镜、光学混合腔、远程荧光粉以及漫射器等均可应用。

在某些应用中设计得很好的灯具,因光学设计造成的效率损失小于10%;新的途径甚至损失得更少。例如,在某些街灯的设计中,已经将特别的透镜功能集成到LED封装的一次光学包中,因而不再需要二次光学设计,这样在附加的界面上就减少了由于光学设计造成的损失。LED灯具驱动电路的效率是指将交流市电转换成适合于LED工作的低压直流电的效率。调光工作时,电源的效率可能并非是始终如一的。不同的照明应用和产品光输出的范围很广,在各种各样的电路结构中要求不同数量的LED光源。各种灯具结构的范围使得我们很难只采用单一的标准电源结构或模组。在新的LED封装中,封装时自身已经加入了某些电源功能。交流LED封装被设计成能直接工作在交流市电下工作。高压LED由于升高了封装体的工作电压,减少了驱动电路的效率损失--这可能与驱动电流的减小有关。灯具设计者可以采用这些技术改善灯具中电源的效率,降低成本。

灯具的有效效率还受到光利用效率的影响,所谓利用效率是指灯具所发出的光有多少能够达到需要照明的目标,产生合适的照明。例如,与其替代的传统照明产品相比,新的LED街灯可以使用少得多的光输出而达到同样合宜的照度水平。这是通过改善光分布减少过度照明,以及改善照度的均匀度来实现的。对于任何一种照明应用而言,采用较少的光而达到合理的照度水平都表示照明利用系数的提高。LED光源能够提供全新的形状因子和光分布,使利用效率有很大的提高。对于LED光源要使光的利用最大化,还需要使光、电和热的效率最大化。光的利用的另一个重要方面是光的控制,它能在不影响照明应用质量的前提下使光源的功耗最小。LED的天性就是可控--可以调光,而且是瞬时响应--这使得它们可以与全范围的照明控制相协调。除去一般概念上的节能外,SSL还提供新的光源形状因子、光分布的各种可能、光色的可选择、安装的可选择以及控制的各种选择。关于SSL性能的的一个主要的优点是它不仅能改善能效,匹配现存的传统照明技术性能,而且还能增添很重要的价值,包括光色质量、与照明控制的集成以及能够增强照明应用和建筑设计的形状因子。LED灯具增加的这些性能将能帮助说服消费者接受SSL产品的价格,信奉这一照明技术的整个潜力（包括节能）。白光LED的研发

LED光源和灯具的里程碑反映了在开发低成本高性能SSL的过程中界限清楚的各个阶段。第一阶段是开发光效足够高的LED光源以满足照明市场的需要，此一阶段在两年前已经完成。第二阶段还在进行之中，是要进一步改善光效并降低成本以实现最好可能的节能。第三阶段则是从已有的光效达到或超过130lm/W光源进而转向开发高效的灯具。第四阶段，通过制造的研发创新将LED照明的成本大幅度降低到可以实现全面的竞争，目前正在进行之中。

优先要进行的研究工作研究中采用的LED波长以及色温和显色指数的范围芯片材料的研究至今，绿色芯片的光效低还是一个大问题，影响了cm-LED开发。还有，在电流密度增加时效率下降机制也没有搞清楚。通过采用最新水平的外延材料和器件结构的实验研究,并结合理论分析,弄清蓝光芯片在大电流时时效率下降的物理机制。通过试验和理论工作,寻找到能够减少电流效率下降以及所有光色的热敏感性的方法.开发出高效的红、绿和琥珀色LED，它们可以使光谱效率最佳化，且在较大的色温范围内保持高的光色质量；另外在工作温度变化时换能维持光色和效率的稳定。下转换材料的研发

更高的LER也要求开发高效的窄带下转换材料（例如荧光粉），在光谱的红色和琥珀色区域特别重要。因为要想做成高光效的暖白色光源，在光谱的长波区域需要很尖锐的截止，使光谱不要延续到红外）。荧光粉是现今高效LED产品的一个关键部件，但是它还可能有一些实质性的改善空间。主要的问题是关于光谱效率和颜色变化。通过窄化红粉的发射带，可以改善光谱效率。而采用新材料配方则可以使其光色更加稳定，不易随点燃时间变化，保重长期工作。鼓励开发非稀土金属和无毒害的下转换材料。光质量的研究对于原来描述亮度感觉,颜色识别和颜色偏爱等的参数加以改进。应用人的视觉响应或视觉科学研究，评估各种光谱功率分布对于上述参数的影响，包括由线光谱光源和宽带光谱光源构成的白光光谱，以及采用紫外和蓝光激发的荧光粉转换白光光源的光谱等等。