- 大功率LED的發光原理與效能
- 各色LED的效能比較
- 白光LED能否用在道路照明
- LED現階段的發展
- 改進白光產生機制
- 改進LED產品的穩定性
對LED的普遍的評價是高光效和長壽命，很多廠家宣稱其產品光效高達90lm/W或更高，但這些數據只是實驗室在測試初始階段LED仍處于冷態時所得最高數據。所謂5萬小時或10萬小時只是早期對小功率單色LED的估算結果。
從LED的發光機理可以估算其理論光效。如所周知LED是利用載流子復合而發光的，載流子復合時其勢能全部轉化為光能，單就這一過程而言其內量子效率為100%。但是載流子在介質中與晶格碰撞而損失的能量、復合時載流子所攜帶的動能、以及為克服外電路電阻而消耗的電能均不可能轉化為光能。考慮到各種附加能耗、載流子復合的實際內量子效率不會超過90%。
流子復合時產生的光子有50%的幾率為外向輻射，這50%的光子中一部分與晶格碰撞并為晶格吸收轉化為熱能。部分光子傳輸時在不同介質交界面處會反射回原介質并被吸收，此外作為輸出窗的外電極的金屬網膜或透明導電膜也將使部分光子反射并被吸收，這些過程都會降低LED的量子提取率，設這部分光子的量子提取率為80%。
載流子復合時產生的光子中有50%的幾率為內向輻射，這部分光子在到達兼作反射鏡的底層導電膜時將部分反射轉化為外向輸出光，然而此部分光子在向內或向外傳輸過程中將與晶格碰撞并被部分吸收，而在經過不同介質交界面時也將部分反射或折射回原介質最終被吸收。基底反射鏡的反射效率和上述過程的限制而使得內向輻射的光子轉化為輸出光的量子提取率不會超過40%。
根據以上分析可以估算出LED總的電光轉換效率約為54%，這是非常理想的情況下的估計結果。制造工藝中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均將造成其能量轉換效率的下降。與可見光轉換效率不足5%的白熾燈相比，甚至與當前轉換效率最高的高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈相比(電光轉換效率約為30%)也是非常高的，這正是LED有十分誘人前景的原因所在。
眾所周知，將1W能量全部轉化為555nm波長的黃光時產生的光通量可達683lm/W(683lm/W即光功當量)，若全部轉換為白光則約為360lm/W。如本文前面的估計，在十分理想情況下發555nm黃光的LED最高可能達到約300lm/W的最高光效，目前上述估計還遠未實現。目前所報導的LED的最高光效實際只達到這一理想值的一半，而實際上還不足其1/4，這也正是人們論為LED尚有巨大潛力可挖、對之寄以厚望的原因所在。
提高LED發光效率的關鍵在于提高量子提取率，亦即盡可能減少光子的內部吸收，這就是LED向超薄型發展的原因。目前最高光效的超薄型(厚度數十納米)GaN LED、其下導電膜采用了高反光鏡膜、并將輸出窗內表面制成粗糙構造、以減少光子的內向反射，然而即使如此目前報導的最高光效不過150lm/W。[3]
以上分析的是對單色光LED的進行的，將單色光轉化為白光還須再經過一次量子轉換，目前大都采用發射光譜的中心波長約470nm的藍光LED來激發輻射光譜中心波長為560nm的寬帶黃光熒光粉，從而制成藍黃光混合的白光LED，但是這將使LED的光效近一步降低。其光子效率可以估算如下：[page]
如果保留LED輻射中的約20%藍光輸出，用剩余的80%的藍光激發黃光熒光粉，在最佳情況下這80%的藍光中約有20%以上的光子將為熒光粉吸收，其余80%下轉移為以560nm為中心波長的寬帶黃光輻射，這一過程平均產生16.1%的量子能量損失。結合前面的數據可以估計白光LED的總能效不會超過40%，換算為白光時白光LED的總光效最多不過150lm/W。如果沒有其他突破，這是當前白光LED可能達到最高光效，這一光效與當前最高光效的光源如HID燈中的高壓鈉燈或陶瓷金鹵燈相比還高一些。但是目前實際達到的光效尚未及此一半。
我們曾對此進行了實驗研究，我們利用某公司生產的1W高亮度藍光LED，其光譜的中心輻射波長為470nm見Fig.3，去除外封裝后分別涂敷不同厚度的輻射的中心波長為560nm的黃光熒光粉涂層，經處理后測量其發射光譜。從二十余種不同厚度的樣品中選擇了四種典型情況，其結果見Fig
某著名跨國公司技術人員介紹他們的1W白光LED的初始光效達到了70lm/W，正常運轉時因p-n結溫度上升，光效降為50lm/W。
[page]2007年日本材料科學研究所納米陶瓷中心得到的結果是最高的[3]，他們采用中心波長為450nm的InGaN藍光LED和光子轉換效率高、在450nm藍光范圍 有強吸收峰、溫度系數低的三種熒光粉進行了試驗，這三種熒光粉分別為：α-sialon: Yb2+、α-sialon: Eu2+和Sr2Si5 N8: Eu2+。這些熒光粉的特點是發光效率的熱衰減較小，在
以InGaN藍光LED和1號熒光粉制成的白光LED的發射光譜示如Fig.6，其光效為55lm/W，色溫4500K。這是本人所知道白光LED的最高光效報導(據測試國內1W白光LED的光通量大多在40lm以下)。采用2號和3號混合熒光粉試制的白光LED的發射光譜示如Fig.7，其顯色指數提高到82，色溫4200K，但光效確降低到20lm/W。
如前所述，LED的發光是由n型半導體中的負載流子(電子)在外電勢作用下克服阻擋層電勢進入p型半導體并為空穴俘獲產生復合發光的。通常半導體的溫度系數較大，隨溫度上升其電阻率下降，阻擋層電勢也將降底，與此同時其輻射的中心波長將向長波方向漂移(紅移)而使熒光粉的發光效率下降。
目前白光LED運轉時最多20%的能量以光子形式輻射，其余80%的能量均轉化為熱能使芯片和熒光粉涂層加熱。對于小功率LED， 80%的輸入功率的加熱作用不會使芯片溫度上升太多，對LED的光效、壽命和運轉狀態影響不大。但是0.5W或更大功率的白光LED，其功耗的80%以上集中發生在非常小的p-n結區，必將使芯片和熒光粉涂層大幅升溫，這不僅影響光效，而且會造成快速光衰并使壽命縮短。
5萬或10小時的長壽命判斷是在LED發展初期對小功率單色LED估算的，對于大功率LED，特別是白光LED，由于芯片和熒光粉長期在高溫下烘烤，必將使壽命大幅下降。這就是設計不良的LED照明工程在運轉3~4個月后急劇的光衰使設計者不得不常常更換光源的原因。[page]
LED和道路照明
由于對白光LED的巨大投資和過分的宣傳，至使這一領域的部分人員對白光LED寄以過高期望，急于將白光LED推向常規功能照明，很多這一領域的人員并將之直接推廣到道路照明方面，數年來全國完成的LED道路照明和LED光伏道路照明樣板工程不下數十處(作者考察過多條采用LED作光源的道路照明工程)已經取得了足夠多的經驗和教訓有待總結。本人認為這一試驗應當暫時放緩，待條件成熟后再重新啟動。
目前我國和發達國家的道路照明的主要光源仍然是高壓鈉燈、少數用金屬鹵化物燈，前者光效為100~120lm/W，但顯色指數僅為20或更低，后者的光效80~100lm/W，顯色指數80左右，考慮到電器配件的能耗，采用此類光源實際的系統光效在75lm/W~90lm/W之間。由于道路照明所用燈具的光反射率不高，通常均在60%以下。采用此類燈具時有約40%光直射地面，其余60%的光則需經燈具反射后射向地面。粗略估算去除各種損耗后常規道路照明的總光利用率不超過76%，由此估計最終的光效約為60lm/W~70lm/W。此外由于燈具設計的不合理以及高壓鈉燈特殊的細長柱狀發光體而造成光分布不均勻，為使道路中線和二燈之間的暗區達到照明標準，設計時不得不采用更大功率、更高光通量的光源以滿足暗區的照度要求，從而更造成了電能的浪費。
基于上述情況LED道路照明設計者認為利用LED的定向輻射性能進行道路照明設計、可以大幅減少能量的浪費，他們認為白光LED比高壓鈉燈更節能。他們設計了若干利用大功率(1W、3W)白光LED的道路照明方案，并做成樣板工程。但是這些樣板工程大都并未經過仔細測試和認證。其中一種照明設計方案是將120只1W白光LED矩陣式分布在200×
LED道路照明試驗必須在專家指導下、經過嚴格認證和設計后才能施行。
廣東某些專門從事LED道路照明工程的企業從中接取了教訓，他們采取的措施是使1W LED工作在0.5~0.6W狀態，或是將3W LED設計為1W使用，這樣雖然成本很高、光效很低，照明效果不佳，但基本解決了光衰和壽命問題。
某跨國公司鑒于中國的白光LED很熱、專門為中國研發出了一種用于道路照明的白光LED，他們將1W LED前端的封裝材料設計為特定的凸透鏡結構，據稱采用此種LED不需二次、三次光學設計就可得到均勻的道路照明，使用方便。該公司宣稱此種LED的冷態光效為70lm/W，正常使用時則為50lm/W。
浙江某公司設計了用于道路照明的集成式白光LED，他們將多個藍光LED芯片組裝在同一基板上，用一只專門設計的較大凸透鏡作輸出窗、在輸出窗內壁涂敷熒光粉，使所有LED芯片共同激發同一熒光粉涂層。這種組合式LED的發光特征被改造得與常規球形光源相近，使用較為方便，但這種結構LED的基板散熱問題仍然存在。
需要注意的是將多個LED集中在一起進行道路照明設計時、除足夠的光通量和合理的光學設計以保證合理的光分布外、更為重要的是散熱問題。如前所述，目前LED的能耗中約80%以上轉化為熱量，而半導體器件是不耐高溫的，如果不能將所產生的熱量即時導走則必將引起嚴重后果。
用LED進行的道路照明條件目前尚未成熟，這既有待于LED光效的提高和功率的加大，更有待于有效的LED散熱方案和措施的解決，當然更合理的光學設計也是非常重要的。[page]
美國能源部對商用LED產品有效性的評估(CALiPER)
在LED光效和壽命指標方面，目前存在較大的意見分歧，其中一個重要原因是沒有統一的標準和測試方法，例如照明行業向來以穩定運轉時的光通量輸出和光效作為其產品參數指標，而LED業者則普遍以初始(冷態)的最大光通和光效為標準，在顯色指數的測量方法和標準上亦存在不少差異，壽命標準和測量方法也是不同的，相關數據相差甚遠，評價也大相徑庭。
這一問題不僅我國，在國外也是同樣嚴重的，美國能源部早已發現，他們從2006年12月到2008年9月共進行了7輪市場產品調查，僅在2008年就連續分別在1月、5月和9月進行了三次抽查，并于9月份公布了“商用LED產品有效性的評估和報告”CALiPER(Commercially Available LED Product Evaluation & Reporting)，他們公布的數據和結論是負面的，在所檢測的24類產品中只有二類(下射筒燈)數據與產品說明書吻合，除少數LED光效達62lm/W外，平均只有32lm/W，低的不足10lm/W，遠遠不能達到能源之星的標準。對于宣傳上的混亂和數據的夸大作了十分嚴厲而否定的結論，其中包括光效、色溫、顏色質量、光分布以及照明系統的功率因數。特別是光效，他們發現宣傳上往往夸大2~3倍以上，而一般用戶對此并不了解。美國能源部的一個結論是必須建立統一的標準來規范產品質量和指標，在我國上述問題更為突出而重要。
結論
LED是一種優良的有前途的光源，其特定的發光機理賦予它一系列特征和特點。由于它的發光體小、介質密度大、發光非常集中、亮度很高。即使功率很小、光通量不大的LED也能給人眼以清晰、明亮、無誤的光信號，用于指示、顯示時具有無與論比的優越性，所以在顯示領域其應用已極為廣泛，無所不在。小功率單色LED還在裝飾照明和藝術照明方面顯示了特有功能和魅力，2008年北京奧運更充分發揮了LED的此種功能。
白光LED是LED家族中的杰出成員，具有很多特征與特點。開發白光LED的重要目的之一是用于替代常規電光源如白熾燈、熒光燈、高強度放電燈等，然而看來其發展不如預期神速。目前市場上的白光LED的實際光效約為40lm/W，最高不超過50lm/W，對用于功能照明，這些參數尚待提高。為推廣白光LED更為重要的是廉價、高效的散熱系統的開發。
如所周知，除LED以外、所有光源的發光體均是在高溫下工作，幾千度的高溫是保證其高效發光的條件，但LED等半導體類的發光器件其發光中心的溫升則是極為有害的，如果這個問題不能解決，則LED光效的提高、功率的加大是有限的。
小功率白光LED(1W及以下產品)在廣泛的應用中已顯示出了無比的優越性，例如在小空間的局部照明、庭園燈、近距離小功率手電筒、臺燈以及應急照明等方面有非常廣泛的發展余地。目前白光LED不需要、也沒有條件和中大功率常規照明光源爭奪道路照明市場。
與室內照明不同，開闊空間的道路照明四周沒有反光物體存在，因此道路照明要求的光通量更大，這正是目前道路照明大多采用250W、400W高光通量高壓鈉燈的原因，這種燈的光通量在28000lm至48000lm范圍，若以1W、3W的 白光LED取代，則LED的需要量太大、成本很高、設計難度也大，并且效果難以理想。近數年來LED在道路照明方面已取得大量經驗教訓，加以目前白光LED的光效不高、壽命不長，本人認為用LED作道路照明試驗應當暫緩，待研發成功更高效率、更大功率的白光LED和廉價高效的冷卻系統后再行推進。
道路照明消耗作巨大能源、也有很大潛力可挖，其改造勢在必行，最近飛利浦公司和復旦大學合作，對此進行了十分有益的研究[5]，他們的結論是陶瓷金屬鹵化物燈是高壓鈉燈的非常好的換代產品。
