大功率白光LED道路照明探讨
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荧光粉层厚（T
如果保留辐射中的约20%蓝光输出，用剩余的80%的蓝光激发黄光荧光粉，在 最佳情况下这80%的蓝光中约有20%以上的光子将为荧光粉吸收，其余80%下转移 为以560为中心波长的宽带黄光辐射， 这一过程平均产生16.1%的量子能量损失。 结 合前面的数据可以估计白光的总能效不会超过40%，换算为白光时白光的总光效最多 不过150。如果没有其他突破，这是当前白光可能达到最高光效，这一光效与当前最 高光效的光源如灯中的高压钠灯或陶瓷金卤灯相比还高一些。但是目前实际达到的光 效尚未与此一半。
提高发光效率的关键在于提高量子提取率，亦即尽可能减少光子的内部吸收，这 就是向超薄型发展的原因。目前最高光效的超薄型（厚度数十纳米）、其下导电膜采用
了高反光镜膜、并将输出窗内表面制成粗糙构造、以减少光子的内向反射，然而即使 如此目前报导的最高光效不过150。[3]
以上分析的是对单色光的进行的， 将单色光转化为白光还须再经过一次量子转换， 目前大都采用发射光谱的中心波长约470的蓝光来激发辐射光谱中心波长为560的宽 带黄光荧光粉，从而制成蓝黄光混合的白光，但是这将使的光效近一步降低。其光子 效率可以估算如下：
目前我国和发达国家的道路照明的主要光源仍然是高压钠灯、少数用金属卤化物 灯，前者光效为100~120，但显色指数仅为20或更低，后者的光效80~100，显色 指数80左右，考虑到电器配件的能耗，采用此类光源实际的系统光效在7590之间。 由于道路照明所用灯具的光反射率不高，通常均在60%以下。采用此类灯具时有约40%光直射地面， 其余60%的光则需经灯具反射后射向地面。 粗略估算去除各种损耗 后常规道路照明的总光利用率不超过76%，由此估计最终的光效约为6070。此外由 于灯具设计的不合理以与高压钠灯特殊的细长柱状发光体而造成光分布不均匀，为使 道路中线和二灯之间的暗区达到照明标准，设计时不得不采用更大功率、更高光通量 的光源以满足暗区的照度要求，从而更造成了电能的浪费。
川和道路照明
由于对白光的巨大投资和过分的宣传，至使这一领域的部分人员对白光寄以过高 期望，急于将白光推向常规功能照明，很多这一领域的人员并将之直接推广到道路照 明方面，数年来全国完成的道路照明和光伏道路照明样板工程不下数十处（作者考察过
多条采用作光源的道路照明工程）已经取得了足够多的经验和教训有待总结。 本人认为 这一试验应当暂时放缓，待条件成熟后再重新启动。
的矩形平面电路板上，板后为接线，然后整体安装在常规路灯灯具中。这种设计是极
不科学的，该方案选用的单只发光量不超过40，估以40论之，考虑到配套电器损耗
(10%)以与90%的光利用率，其实际系统光利用率不足32，120只 的总有效光通量 约4300。假如的光发射角为120°，按这一设计4300的光将以120°的发射角射向下 方。可以想象这样的设计将使地面光分布极不均匀，街心与灯杆之间完全黑暗。加以 这些设施中并未考虑对基片采取有效降温措施， 如此多的集中在如此小的空间，80多 瓦的功耗持续积累将使芯片温度过高，阻挡层压降下降，所发蓝光向长波方向漂移， 这必然造成其光效的严重下降。考察了北京郊区某光伏照明样板路(光源总功率为
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2007年日本材料科学研究所纳米陶瓷中心得到的结果是最高的[3]，他们采用中
心波长为450的蓝光和光子转换效率高、在450蓝光范围有强吸收峰、温度系数低
的三种荧光粉进行了试验，这三种荧光粉分别为：a: 2+、a：2+和25N8：2+。这些
大功率白光道路照明探讨
I概述
的开发迄今已有近30年历史，取得长足进展，白光的提出历十余年磨练，发展 迅速。在能源短缺、污染严重的时代应运而生、倍受重视。为缓解能源紧张、上世纪90年代中叶， 日本政府率先、 继则美国政府从财政上支持本国技术界和工业界推动固 态照明的开发。我国政府（以科技部为首、包括能源部、经贸委、信息产业部等，以与 各地方政府）也大力支持和资助的研发， 并成立了国家半导体产业联盟推进中国的固态 照明（中国称之为半导体照明）计划，并预期2010年白光的光效可提高到100，并可 用以大量替代光效约90的荧光灯广泛用于普通照明领域，[1] [2]。
我们曾对此进行了实验研究，我们利用某公司生产的1W高亮度蓝光，其光谱的 中心辐射波长为470见.3，去除外封装后分别涂敷不同厚度的辐射的中心波长为560的黄光荧光粉涂层，经处理后测量其发射光谱。从二十余种不同厚度的样品中选择了 四种典型情况，其结果见.4a与附表。最佳情况下(.4c)的光通输出为38(初始冷态约50)，显色指数为78。
如前所述，的发光是由n型半导体中的负载流子（电子）在外电势作用下克服阻挡 层电势进入p型半导体并为空穴俘获产生复合发光的。通常半导体的温度系数较大， 随温度上升其电阻率下降，阻挡层电势也将降底，与此同时其辐射的中心波长将向长 波方向漂移（红移）而使荧光粉的发光效率下降。
目前白光运转时最多20%的能量以光子形式辐射，其余80%的能量均转化为热
流子在介质中与晶格碰撞而损失的能量、复合时载流子所携带的动能、以与为克服外 电路电阻而消耗的电能均不可能转化为光能。考虑到各种附加能耗、载流子复合的实 际内量子效率不会超过90%
载流子复合时产生的光子有50%的几率为外向辐射，这50%的光子中一部分与 晶格碰撞并为晶格吸收转化为热能。部分光子传输时在不同介质交界面处会反射回原 介质并被吸收，此外作为输出窗的外电极的金属网膜或透明导电膜也将使部分光子反 射并被吸收，这些过程都会降低的量子提取率，设这部分光子的量子提取率为80%
载流子复合时产生的光子中有50%的几率为内向辐射，这部分光子在到达兼作反 射镜的底层导电膜时将部分反射转化为外向输出光，然而此部分光子在向内或向外传 输过程中将与晶格碰撞并被部分吸收，而在经过不同介质交界面时也将部分反射或折 射回原介质最终被吸收。基底反射镜的反射效率和上述过程的限制而使得内向辐射的 光子转化为输出光的量子提取率不会超过40%o
因所在
如所周知， 将1W能量全部转化为555波长的黄光时产生的光通量可达683（683即光功当量），若全部转换为白光则约为360。如本文前面的估计，在十分理想情况下 发555黄光的最高可能达到约300的最高光效， 目前上述估计还远未实现。 目前所报 导的的最高光效实际只达到这一理想值的一半，而实际上还不足其1/4，这也正是人 们论为尚有巨大潜力可挖、对之寄以厚望的原因所在。
能使芯片和荧光粉涂层加热。对于小功率，80%的输入功率的加热作用不会使芯片温 度上升太多，对的光效、寿命和运转状态影响不大。但是0.5W或更大功率的白光，
其功耗的80%以上集中发生在非常小的结区，必将使芯片和荧光粉涂层大幅升温，这
不仅影响光效，而且会造成快速光衰并使寿命缩短。
5万或10小时的长寿命判断是在发展初期对小功率单色估算的，对于大功率，特 别是白光，由于芯片和荧光粉长期在高温下烘烤，必将使寿命大幅下降。这就是设计 不良的照明工程在运转3~4个月后急剧的光衰使设计者不得不常常更换光源的原因。
某著名跨国公司技术人员介绍他们的1W白光的初始光效达到了70，正常运转时 因结温度上升，光效降为50。
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基于上述情况道路照明设计者认为利用的定向辐射性能进行道路照明设计、可以 大幅减少能量的浪费，他们认为白光比高压钠灯更节能。他们设计了若干利用大功率（1W、3W）白光的道路照明方案，并做成样板工程。但是这些样板工程大都并未经过 仔细测试和认证。其中一种照明设计方案是将120只1W白光矩阵式分布在200X250
在这样的形势下我国的大量企业、投资者、研究人员和技术人员纷纷介入，大规 模投资开拓的研发和生产，迄今估计总共已投入人民币数十亿元，在不到十年的时间 中取得了突出的成绩，形成了规模庞大的产业链。
全世界对特别是白光如此的重视有其内在原因，当前巨量的能源消耗和由此引起 的能源短缺、价格上涨、特别所造成环境已使得能源节约成为一项十分迫切的任务。 各国消耗的能源中很大一部分用于照明。我国以与发达国家照明用电约占发电总量的12~13%，这是一项十分可观的能源损耗。而目前全世界使用的光源仍以效率不高的 白炽灯类光源为主，从中挖潜是大有可为的。
领域集中了众多优秀人才，取得了辉煌成绩，一些研究部门宣布他们研发的在某 些条件下达到了120甚至150的光效。因而大部分企业也纷纷宣称自己的产品的光效 已达到70、90或更高，由于的光辐射是定向的，其光利用率比辐射输出各向均匀的 普通光源仅靠灯具的定向反射采光的效率要高，因此认定是当前最佳功能照明光源， 并大力向各个照明领域推广， 数年前已有人宣称2010年将会大量取代紧凑型荧光灯、 大规模进入家庭照明、并断言白光是当前最好的道路照明光源。
n的光效
对的普遍的评价是高光效和长寿命，很多厂家宣称其产品光效高达90或更高， 但这些数据只是某些实验室在测试初始阶段当仍处于冷态时测得的最高数据。所谓5
万小时或10万小时寿命只是早期对小功率单色的估算结果。
从的发光机理可以估算其理论光效。如所周知是利用载流子复合而发光的，载流 子复合时其势能全部转化为光能，单就这一过程而言其内量子效率为100%。但是载
荧光粉的特点是发光效率的热衰减较小，在150C时仍保持初始值的85%o这三种荧
光粉的发射光谱示如.5o
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这是本人所知道白光的最高光效报导（据测试国内1W白光的光通量大多在40以下）。 采用2号和3号混合荧光粉试制的白光的发射光谱示如.7,其显色指数提高到82，色 温4200K，但光效确降低到20o
105W)灯下照度只有3.5，据云此前二个半月、该工程刚完工时灯下照度为7。而 灯下直径15米以外的地方则根本没有任何照明效果。在江苏、浙江、山东、广东不 乏此类工程样板，例如广东顺德某处和深圳某处的道路照明示范街不仅灯光昏暗，而 且每隔3~5个月必需更换光源。
道路照明试验必须在专家指导下、经过严格认证和设计后才能施行。 广东某些专门从事道路照明工程的企业从中接取了教训，他们采取的措施是使1W工作在0.5~0.6W状态，或是将3W设计为1W使用，这样虽然成本很高、光 效很低，照明效果不佳，但基本解决了光衰和寿命问题。
毋庸置疑的是经过20多年的发展，在显示领域已取得了完全成功、并已成为无 与论比、不可替代的显示器件。在装饰照明方面也充分显示其特色、取得半壁江山，2008奥运会开幕式上的出色表现更震撼世界。但是不能不正视的事实是在功能照明 方面白光仍然存在较大的局限性。中国已经是世界上最大的的生产基地和消费市场， 的应用领域广阔，但由于目前的技术水平和实际性能的限制，将此种器件用于功能照 明并非用其所长的。所谓大功率，目前市场上能找到最大功率器件也不过3W，即使 是研发中的10W器件能大规模生产，但对于常规照明特别是道路照明中使用的数百 瓦的光源而言其单粒功率失之过小。采用白光设计一项照明工程其用量必定很大，无 论是设计难度或是成本都将是得不偿失的。
根据以上分析可以估算出总的电光转换效率约为54%，这是非常理想的情况下的
估计结果。制造工艺中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均将造成其能量转换效率的下 降。与可见光转换效率不足5%的白炽灯相比，甚至与当前转换效率最高的高压钠灯、 陶瓷金卤灯相比（电光转换效率约为30%）也是非常高的，这正是有十分诱人前景的原
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如果保留辐射中的约20%蓝光输出，用剩余的80%的蓝光激发黄光荧光粉，在 最佳情况下这80%的蓝光中约有20%以上的光子将为荧光粉吸收，其余80%下转移 为以560为中心波长的宽带黄光辐射， 这一过程平均产生16.1%的量子能量损失。 结 合前面的数据可以估计白光的总能效不会超过40%，换算为白光时白光的总光效最多 不过150。如果没有其他突破，这是当前白光可能达到最高光效，这一光效与当前最 高光效的光源如灯中的高压钠灯或陶瓷金卤灯相比还高一些。但是目前实际达到的光 效尚未与此一半。
提高发光效率的关键在于提高量子提取率，亦即尽可能减少光子的内部吸收，这 就是向超薄型发展的原因。目前最高光效的超薄型（厚度数十纳米）、其下导电膜采用
了高反光镜膜、并将输出窗内表面制成粗糙构造、以减少光子的内向反射，然而即使 如此目前报导的最高光效不过150。[3]
以上分析的是对单色光的进行的， 将单色光转化为白光还须再经过一次量子转换， 目前大都采用发射光谱的中心波长约470的蓝光来激发辐射光谱中心波长为560的宽 带黄光荧光粉，从而制成蓝黄光混合的白光，但是这将使的光效近一步降低。其光子 效率可以估算如下：
目前我国和发达国家的道路照明的主要光源仍然是高压钠灯、少数用金属卤化物 灯，前者光效为100~120，但显色指数仅为20或更低，后者的光效80~100，显色 指数80左右，考虑到电器配件的能耗，采用此类光源实际的系统光效在7590之间。 由于道路照明所用灯具的光反射率不高，通常均在60%以下。采用此类灯具时有约40%光直射地面， 其余60%的光则需经灯具反射后射向地面。 粗略估算去除各种损耗 后常规道路照明的总光利用率不超过76%，由此估计最终的光效约为6070。此外由 于灯具设计的不合理以与高压钠灯特殊的细长柱状发光体而造成光分布不均匀，为使 道路中线和二灯之间的暗区达到照明标准，设计时不得不采用更大功率、更高光通量 的光源以满足暗区的照度要求，从而更造成了电能的浪费。
川和道路照明
由于对白光的巨大投资和过分的宣传，至使这一领域的部分人员对白光寄以过高 期望，急于将白光推向常规功能照明，很多这一领域的人员并将之直接推广到道路照 明方面，数年来全国完成的道路照明和光伏道路照明样板工程不下数十处（作者考察过
多条采用作光源的道路照明工程）已经取得了足够多的经验和教训有待总结。 本人认为 这一试验应当暂时放缓，待条件成熟后再重新启动。
的矩形平面电路板上，板后为接线，然后整体安装在常规路灯灯具中。这种设计是极
不科学的，该方案选用的单只发光量不超过40，估以40论之，考虑到配套电器损耗
(10%)以与90%的光利用率，其实际系统光利用率不足32，120只 的总有效光通量 约4300。假如的光发射角为120°，按这一设计4300的光将以120°的发射角射向下 方。可以想象这样的设计将使地面光分布极不均匀，街心与灯杆之间完全黑暗。加以 这些设施中并未考虑对基片采取有效降温措施， 如此多的集中在如此小的空间，80多 瓦的功耗持续积累将使芯片温度过高，阻挡层压降下降，所发蓝光向长波方向漂移， 这必然造成其光效的严重下降。考察了北京郊区某光伏照明样板路(光源总功率为
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心波长为450的蓝光和光子转换效率高、在450蓝光范围有强吸收峰、温度系数低
的三种荧光粉进行了试验，这三种荧光粉分别为：a: 2+、a：2+和25N8：2+。这些
大功率白光道路照明探讨
I概述
的开发迄今已有近30年历史，取得长足进展，白光的提出历十余年磨练，发展 迅速。在能源短缺、污染严重的时代应运而生、倍受重视。为缓解能源紧张、上世纪90年代中叶， 日本政府率先、 继则美国政府从财政上支持本国技术界和工业界推动固 态照明的开发。我国政府（以科技部为首、包括能源部、经贸委、信息产业部等，以与 各地方政府）也大力支持和资助的研发， 并成立了国家半导体产业联盟推进中国的固态 照明（中国称之为半导体照明）计划，并预期2010年白光的光效可提高到100，并可 用以大量替代光效约90的荧光灯广泛用于普通照明领域，[1] [2]。
我们曾对此进行了实验研究，我们利用某公司生产的1W高亮度蓝光，其光谱的 中心辐射波长为470见.3，去除外封装后分别涂敷不同厚度的辐射的中心波长为560的黄光荧光粉涂层，经处理后测量其发射光谱。从二十余种不同厚度的样品中选择了 四种典型情况，其结果见.4a与附表。最佳情况下(.4c)的光通输出为38(初始冷态约50)，显色指数为78。
如前所述，的发光是由n型半导体中的负载流子（电子）在外电势作用下克服阻挡 层电势进入p型半导体并为空穴俘获产生复合发光的。通常半导体的温度系数较大， 随温度上升其电阻率下降，阻挡层电势也将降底，与此同时其辐射的中心波长将向长 波方向漂移（红移）而使荧光粉的发光效率下降。
目前白光运转时最多20%的能量以光子形式辐射，其余80%的能量均转化为热
流子在介质中与晶格碰撞而损失的能量、复合时载流子所携带的动能、以与为克服外 电路电阻而消耗的电能均不可能转化为光能。考虑到各种附加能耗、载流子复合的实 际内量子效率不会超过90%
载流子复合时产生的光子有50%的几率为外向辐射，这50%的光子中一部分与 晶格碰撞并为晶格吸收转化为热能。部分光子传输时在不同介质交界面处会反射回原 介质并被吸收，此外作为输出窗的外电极的金属网膜或透明导电膜也将使部分光子反 射并被吸收，这些过程都会降低的量子提取率，设这部分光子的量子提取率为80%
载流子复合时产生的光子中有50%的几率为内向辐射，这部分光子在到达兼作反 射镜的底层导电膜时将部分反射转化为外向输出光，然而此部分光子在向内或向外传 输过程中将与晶格碰撞并被部分吸收，而在经过不同介质交界面时也将部分反射或折 射回原介质最终被吸收。基底反射镜的反射效率和上述过程的限制而使得内向辐射的 光子转化为输出光的量子提取率不会超过40%o
因所在
如所周知， 将1W能量全部转化为555波长的黄光时产生的光通量可达683（683即光功当量），若全部转换为白光则约为360。如本文前面的估计，在十分理想情况下 发555黄光的最高可能达到约300的最高光效， 目前上述估计还远未实现。 目前所报 导的的最高光效实际只达到这一理想值的一半，而实际上还不足其1/4，这也正是人 们论为尚有巨大潜力可挖、对之寄以厚望的原因所在。
能使芯片和荧光粉涂层加热。对于小功率，80%的输入功率的加热作用不会使芯片温 度上升太多，对的光效、寿命和运转状态影响不大。但是0.5W或更大功率的白光，
其功耗的80%以上集中发生在非常小的结区，必将使芯片和荧光粉涂层大幅升温，这
不仅影响光效，而且会造成快速光衰并使寿命缩短。
5万或10小时的长寿命判断是在发展初期对小功率单色估算的，对于大功率，特 别是白光，由于芯片和荧光粉长期在高温下烘烤，必将使寿命大幅下降。这就是设计 不良的照明工程在运转3~4个月后急剧的光衰使设计者不得不常常更换光源的原因。
某著名跨国公司技术人员介绍他们的1W白光的初始光效达到了70，正常运转时 因结温度上升，光效降为50。
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基于上述情况道路照明设计者认为利用的定向辐射性能进行道路照明设计、可以 大幅减少能量的浪费，他们认为白光比高压钠灯更节能。他们设计了若干利用大功率（1W、3W）白光的道路照明方案，并做成样板工程。但是这些样板工程大都并未经过 仔细测试和认证。其中一种照明设计方案是将120只1W白光矩阵式分布在200X250
在这样的形势下我国的大量企业、投资者、研究人员和技术人员纷纷介入，大规 模投资开拓的研发和生产，迄今估计总共已投入人民币数十亿元，在不到十年的时间 中取得了突出的成绩，形成了规模庞大的产业链。
全世界对特别是白光如此的重视有其内在原因，当前巨量的能源消耗和由此引起 的能源短缺、价格上涨、特别所造成环境已使得能源节约成为一项十分迫切的任务。 各国消耗的能源中很大一部分用于照明。我国以与发达国家照明用电约占发电总量的12~13%，这是一项十分可观的能源损耗。而目前全世界使用的光源仍以效率不高的 白炽灯类光源为主，从中挖潜是大有可为的。
领域集中了众多优秀人才，取得了辉煌成绩，一些研究部门宣布他们研发的在某 些条件下达到了120甚至150的光效。因而大部分企业也纷纷宣称自己的产品的光效 已达到70、90或更高，由于的光辐射是定向的，其光利用率比辐射输出各向均匀的 普通光源仅靠灯具的定向反射采光的效率要高，因此认定是当前最佳功能照明光源， 并大力向各个照明领域推广， 数年前已有人宣称2010年将会大量取代紧凑型荧光灯、 大规模进入家庭照明、并断言白光是当前最好的道路照明光源。
n的光效
对的普遍的评价是高光效和长寿命，很多厂家宣称其产品光效高达90或更高， 但这些数据只是某些实验室在测试初始阶段当仍处于冷态时测得的最高数据。所谓5
万小时或10万小时寿命只是早期对小功率单色的估算结果。
从的发光机理可以估算其理论光效。如所周知是利用载流子复合而发光的，载流 子复合时其势能全部转化为光能，单就这一过程而言其内量子效率为100%。但是载
荧光粉的特点是发光效率的热衰减较小，在150C时仍保持初始值的85%o这三种荧
光粉的发射光谱示如.5o
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这是本人所知道白光的最高光效报导（据测试国内1W白光的光通量大多在40以下）。 采用2号和3号混合荧光粉试制的白光的发射光谱示如.7,其显色指数提高到82，色 温4200K，但光效确降低到20o
105W)灯下照度只有3.5，据云此前二个半月、该工程刚完工时灯下照度为7。而 灯下直径15米以外的地方则根本没有任何照明效果。在江苏、浙江、山东、广东不 乏此类工程样板，例如广东顺德某处和深圳某处的道路照明示范街不仅灯光昏暗，而 且每隔3~5个月必需更换光源。
道路照明试验必须在专家指导下、经过严格认证和设计后才能施行。 广东某些专门从事道路照明工程的企业从中接取了教训，他们采取的措施是使1W工作在0.5~0.6W状态，或是将3W设计为1W使用，这样虽然成本很高、光 效很低，照明效果不佳，但基本解决了光衰和寿命问题。
毋庸置疑的是经过20多年的发展，在显示领域已取得了完全成功、并已成为无 与论比、不可替代的显示器件。在装饰照明方面也充分显示其特色、取得半壁江山，2008奥运会开幕式上的出色表现更震撼世界。但是不能不正视的事实是在功能照明 方面白光仍然存在较大的局限性。中国已经是世界上最大的的生产基地和消费市场， 的应用领域广阔，但由于目前的技术水平和实际性能的限制，将此种器件用于功能照 明并非用其所长的。所谓大功率，目前市场上能找到最大功率器件也不过3W，即使 是研发中的10W器件能大规模生产，但对于常规照明特别是道路照明中使用的数百 瓦的光源而言其单粒功率失之过小。采用白光设计一项照明工程其用量必定很大，无 论是设计难度或是成本都将是得不偿失的。
根据以上分析可以估算出总的电光转换效率约为54%，这是非常理想的情况下的
估计结果。制造工艺中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均将造成其能量转换效率的下 降。与可见光转换效率不足5%的白炽灯相比，甚至与当前转换效率最高的高压钠灯、 陶瓷金卤灯相比（电光转换效率约为30%）也是非常高的，这正是有十分诱人前景的原