高效LED照明将大幅减轻能源负担

与上述其它技术相比，LED可以提供更长的使用寿命和更高的效率，这就是为什么LED在楼宇、停车场、工厂、街道、运动场和其它大型场所得到迅速采用的原因。美国能源部(DoE)正在通过其时间跨越2000～2020年的固态照明(SSL)计划向这一增长领域投入大量资金。该计划包含核心技术研究、产品开发和商业化支持活动。

与其它传统光源相比，固态照明发光效率的增长极其迅猛，传统光源已经初步达到稳定水平，不再会出现额外的大幅增长预期(图1)。固态照明也有望大幅节省电能。据DoE表示，美国生产的22%的电力用于向光源供电。

目前，白光LED前端的发展进度高于最初的预期。据DoE表示，研究人员已将市场上供应的白光LED的效率提高到50～60lm/W左右。这几乎是白炽光源效率的四倍，从而进一步实现了全国性的节能。

根据美国政府的节能之星等级，高效固态照明在美国的广泛使用(在美国，高效固态照明已经展示出赚钱效应)将美国对电力的需求降低了10%以上。这可以转换成能源成本节省了170亿美元，二氧化碳的污染减少了2.02亿公吨(相当于禁止1500万辆汽车上路)。

虽然光源成本仍然很高，但我们看到光源成本已经从2004年的大约250美元/klm大幅下降到2006年的50美元/klm左右(根据发电厂对定量购买的估计)。相比之下，传统光源(白炽、荧光等)的成本约为1美元/klm。

日本Nichia公司的白光LED开发版的输出光已经达到150lm/W。目前，其商业版产品已经作好了投放市场的准备。Lumileds Lighting公司(Philips Lighting和Agilent Technologies的联营企业)的市场数据支持白光LED具有比其它传统光源相比的良好功效等级(图2)。

根据DoE的计划，固态照明的市场辐射能力和能源节省潜力将主要受集最初的光源价格、工作成本、维护和使用寿命于一体的经济因素的驱动(请参见“接受LED之前面临的主要挑战”)。

DoE期望截止2027年从LED灯和固定设备中节省348太瓦(TWh)以上的能源。它们将取代具有极高显色指数的白炽灯，特别是在商业区和住宅区中(图3)。对于室外和工业区，在同一年(2027)之前，具有低CRI和中等CRI指数的LED将分别显现出节能效应。

市政服务

地方政府已经注意到了LED在普通照明中所具备的巨大节能潜力。例如，Raleigh, N.C.将成为美国采用Cree公司提供的LED的首个“LED城市”。Raleigh将通过其生活实验优先部署LED照明，从而在接下来的14个月内服务于包括车库和停车场、街灯、建筑照明和重点照明、便携式照明和步行照明在内的众多应用(图4)。

“LED技术为城市基础设施以及这些设施所服务的市民带来了显而易见的好处，”Raleigh市长Charles Meeker表示，“市政当局投资LED的经济利益很明显。它们可以节能、降低环境污染并提高生活质量。”

Cree公司最新的LED灯暖白光XLamps可在驱动电流为700mA，光源相关色温为300K时产生124lm的输出。

Raleigh不是唯一采用固态照明的城市。两年以前，Ledtronics公司的LED灯开始用于圣佩德罗的洛杉矾港口数英里长的文森特桥(加利福尼亚第三长悬索桥)的照明(图5)。文森特桥由160盏灯照明，每盏灯中有360个LED。这些灯由4.5kW太阳电池板系统供电，从而进一步推进了绿色照明概念。

LED可节省能源

除了街道和停车场之外，汽车应用也有LED的利润空间。针对汽车应用的固态外用照明大幅降低了汽车和卡车的能源要求，通过省油还产生了重大的环保效应。

DoE估计，如果美国的每辆客车都使用全LED灯的话，每年仅客车的省油潜力就将达到14亿加仑。卡车的省油潜力是这个数字的两倍。加上可靠性和正常运行时间的提高，LED照明的价值主张变得越来越大。

市场研究公司Yole Développement预计，截止2009年，针对汽车应用的外用高亮度LED将占汽车总照明设备的60%，其它占40%，主要也是由固态光源组成。该报告认为Cree、Nichia、Osram、Philips Lumileds和Toyoda Gosei公司是这一领域的主要竞争公司。Lumileds公司的Luxeon LED将在Audi R8运动型轿车的远光束前照灯和近光束前照灯中找到用武之地，这款轿车还将使用Osram公司的TopLED高亮度LED用于其昼间行驶灯(daytime running lamp)。

LED的创新

研发工作不断地以工作时间更长、效率更高的白光LED为目标向前发展。但是这并非LED领域唯一的研究范围。伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)照明研究中心的工程师们已经证明，LED的封装内放置的磷材料距离硬模太近，从而导致光后向散射和大量光损失。他们正在计划分散光子捕捉(scattered photon extraction)技术，这种技术可使磷材料远离硬模，从而产生较少的热损耗以及更高的白光输出和效率(图6)。

芯片成型、更好的镜头材料、晶圆键合、表面粗加工和覆晶法等LED设计中的创新已经对LED亮度、效率水平以及更低的价格产生了相当大的影响。作为用于高亮度LED封装的材料选择方案，硅树脂已经脱颖而出，与过去一般用来密封较低亮度LED封装的环氧共聚物和环烯烃共聚物相比，这种材料可以提供更好的电气、机械和热性能。

OLED是黑马

OLED照明是DoE的SSL计划的一部分，它比白炽照明的效率高得多，将会在一两年内超过荧光光源的效率。但仍然必须跨越高亮度产品的使用寿命不够长以及资本成本较高等主要障碍。多数照明专家认为，在从现在开始的十年内，高亮度OLED不会拥有较大的市场辐射能力。然而，OLED的研发工作一直都在继续。

去年，Royal Philips Electronics和Novaled公司实现了高亮度OLED效率水平和使用寿命的突破。他们合作生产了一款在1000cd/m²的亮度水平下功效为32lm/W、色坐标为0.47/0.45、CRI指数为88的器件。该器件的使用寿命为20,000小时。

“这个成果第一次将超高功效和高工作稳定性结合起来，为OLED照明的光明未来铺平了道路，” Novaled公司首席技官Jan Blochwitz-Nimoth表示。

其它重大的OLED成果包括Universal Display公司的白光OLED。科学家们最近演示了在850尼特下外部量子效率为30%的OLED。在OSRAM Opto Semiconductors公司，最初的研发工作所生产的白光OLED的发光效率为25ml/W。甚至这些器件18lm/W的典型发光效率水平也超过了传统光源12lm/W的水平，其平均水平与卤素灯20～26lm/W的水平相当。

普林斯顿大学(Princeton University)和南加利福尼亚大学(University of Southern California)的研究人员已经发明了一种生产高亮度白光OLED的技术。他们期望这些OLED除了效率创新高之外，其使用寿命也将得到极大的提高，

此项研究是DoE资助的14年工作的一部分，其中还包含来自Universal Display的资助。研究人员们发现，他们可以采用蓝、绿、红染料代替OLED蓝色光源的荧光染料，从而在产生光时不会大量牺牲OLED出色的属性。

作者：Roger Allan