照明用白光LED主要技术路线分析

1. 蓝色LED芯片+黄绿色荧光粉型(含多色荧光粉衍生型)

 黄绿色荧光粉层吸收了部分蓝光一部分蓝光透过LED芯片产生光致发光,另一部分来自LED芯片的蓝光透过荧光粉层出来与空间各点荧光粉发出的黄绿光融合,红绿蓝三色混合形成白光;这样,荧光粉光致发光转换效率也就是外量子效率之一的最高理论值不会超过75%;而从芯片中最高的光提取率也只能达到70%左右,所以理论上蓝白光LED的最高发光效率不会超过340Lm/W,而CREE在前几年就达到了303Lm/W,如果测试结果准确的话,是值得庆祝的。

 

2. 红色、绿色和蓝色的组合RGB LED类型包括RGBW-LED类型等。

 将R-LED(红色)+G-LED(绿色)+B-LED(蓝色)三个发光二极管组合在一起,红绿蓝三基色直接在空间混合,形成白光。要以此方式产生高效率的白光,首先各种颜色的LED,特别是绿色LED,必须是高效率的光源,从绿光约占69%的“等能白光”就可以看出这一点。目前,蓝光和红光LED的发光效率已经很高,内量子效率分别超过90%和95%,但绿光LED的内量子效率却远远落后。这种GaN基LED绿光效率低的现象被称为“绿光缺口”。其主要原因是绿光LED还没有找到自己的外延材料,现有的磷砷氮化物系列材料在黄绿色光谱范围内效率较低,需要采用红色或蓝色外延材料来制作绿光LED。在较低电流密度条件下,由于没有荧光粉转换损失,绿光LED比蓝光+荧光粉类型的绿光具有更高的发光效率。据报道,在1mA电流条件下,其发光效率达到291Lm/W。然而,在更大的电流下,Droop效应导致的绿光光效下降较为显著,当电流密度增加时,光效下降较快,在350mA电流下,光效为108Lm/W,在1A条件下,光效降至66Lm/W。

对于III族磷化氢,绿光发射已成为该材料体系的根本障碍。改变AlInGaP的成分,使其发射绿光而不是红光、橙光或黄光——导致载流子限制不足,这是由于该材料体系的能隙相对较低,从而阻碍了有效的辐射复合。

因此,提高绿色LED光效的途径:一方面,研究如何在现有外延材料条件下,降低Droop效应,从而提高光效;第二,利用蓝光LED与绿色荧光粉的光致发光转换,发出绿光,此方法可以得到高光效绿光,理论上可以达到比现在的白光更高的光效,属于非自发绿光,照明上没有问题,通过此方法得到的绿光效果有可能大于340 Lm/W,但合成白光之后仍然不会超过340 Lm/W;第三,继续研究,找到自己的外延材料,只有这样,在得到远高于340 Lm/w的绿光之后,红绿蓝三基色LED合成的白光才有可能高于蓝芯片白光LED 340 Lm/W的光效极限。

 

3. 紫外线LED芯片+三基色荧光粉发光 

上述两类白光LED的主要固有缺陷是光度和色度空间分布不均匀。紫外光是人眼无法感知的,因此紫外光出芯片后,会被封装层的三基色荧光粉吸收,通过荧光粉的光致发光转换成白光,然后发射到空间中。这是它最大的优点,就像传统的荧光灯一样,没有空间颜色不均匀性。然而,紫外芯片型白光LED的理论发光效率不可能高于蓝光芯片型白光的理论值,更不可能超过RGB型白光的理论值。但只有通过开发适用于紫外光激发的高效三基色荧光粉,才有可能在现阶段获得接近甚至高于上述两种白光LED的紫外白光LED。越接近蓝光紫外光LED,可能性就越大,而中波、短波紫外型的白光LED则是不可能的。


发布时间:2021年8月24日