太阳能LED节能灯原理及荧光粉技术改善方案

        LED灯光的产生在照明领域具有里程碑式的意义。随着世界日益增加的能源消耗需求，石油、天然气、煤碳等当代世界主要能源资源的储存量正在逐步减少，按照现在的开采速度，石油和天然气分别只有40多年和60多年的可采储量。寻求新能源和再生能源的利用，开发节能高效的技术，受到了全球范围的普遍重视。太阳能光伏发电LED照明是新能源和节能技术的典型应用。太阳能光伏发电将大自然中的太阳能转换为电能，提供给LED光源。由于LED光源的低电压、节能和长效的特征，太阳能LED照明系统的应用，将能实现很高的能源利用效率、工作可靠性和实用价值。因此，对太阳能光伏发电照明系统控制技术的研究受到了各方面的重视。

        太阳能LED灯节能性的产生原理

        太阳能光伏发电LED照明系统组成高效节能的太阳能光伏发电LED照明系统包括太阳能电池组、DC-DC变换器、最大功率跟踪MPPT fMaximum power point tracking)控制、储存电能的蓄电池组和LED照明控制、LED光源等部分。

        太阳能光伏发电照明系统的工作原理是：在有太阳光的时间段，太阳能电池组将采集到的太阳能转化为电能;在控制系统的控制下，采用太阳能光伏电池最大功率跟踪(MPPT)方式，将电能储存到蓄电池组中;在LED照明系统需要电能供电时，向LED照明光源提供安全高效的电压电流。使LED照明系统节能高效地工作，为人们的工作和生活提供洁净环保的绿色照明。

         太阳能光伏发电太阳能光伏电池发电是利用太阳能的主要方式之一。

         太阳能光伏电池的发电原理是光生伏特效应，对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5 0.6 V,通过光照在界面层产生的电子一空穴对越多，形成的电流越大。界面层吸收的光能越多，同样形成的电流也越大。目前应用和研究的太阳能电池主要有硅太阳能电池、化合物半导体电池和染料敏化太阳能电池。硅太阳能电池是目前太阳能光伏电池的主流，在硅太阳能电池中以单晶硅太阳能电池的光电转换效率最高，实验室转换效率达24%以上，工业规模生产的单晶硅太阳能电池效率达到18%以上。薄膜太阳能电池近年来得到了很大的发展，多晶硅微晶硅薄膜太阳能电池等新型太阳能电池也已规模产业化，最高转换效率达到了16%以上。近年来，对CIS,CIGS薄膜太阳能电池、GaAs太阳能电池等化合物半导体太阳能电池的研究也取得了实用化的进展。染料敏化TiO 太阳能电池的研究也取得了引人注目的成果。

          由于太阳能电池的输出电压和电流之间存在着非线性和可变性。在特定的环境下就存在一个最大功率输出点，以及与最大功率点对应的电压和电流。当环境变化时，太阳能电池的输出特性曲线也随之变化，太阳能电池的输出电压和输出电流之间有着密切的联系。为了从太阳能电池获取尽可能多的电能，提出了太阳能电池的最大功率跟踪问题。最大功率点跟踪控制的常用方法有定电压跟踪法、扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制法、负载电流/电压最佳法等。整体LED工作电流的方法可以采用恒流驱动和恒压驱动。根据LED的伏安特性，在LED的正向导通区，微小的电压波动就会引起电流很大的变化，所以采用恒流驱动是优选方案。

        LED灯的发光原理及荧光粉改善技术

        LED的发光原理。LED是由Ⅲ一V族化合物，如GaAs(砷化镓)、GaAsP(磷化镓砷)、A1GaAs(砷化铝镓)等半导体制成，其核心是P-N结，因此它具有一般P-N结的伏一安特性，即正向导通、反向截止、击穿特性。当P型半导体和N型半导体结合时，由于交界面处存在的载流子浓度差。于是电子和空穴都会从高浓度区域向低浓度区域扩散。这样，P区一侧失去空穴剩下不能移动的负离子，N区一侧失去电子而留下不能移动的正离子。这些不能移动的带电粒子就是空间电荷。空间电荷集中在P区和N区交界面附近，形成了一很薄的空间电荷区，就是P-N结。当给P-N结1个正向电压时。便改变了P-N结的动态平衡。注入的少数载流子(少子)与多数载流子(多子)复合时，便将多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。如果给PN结加反向电压，少数载流子(少子)难以注入，故不发光。

        白光LED的主要实现方法。目前，氮化镓基LED获得白光主要有：蓝光LED+黄色荧光粉、三色LED合成白光、紫光LED+三色荧光粉3种办法。最为常见形成白光的技术途径是蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的荧光粉结合组成白光LED。LED辐射出峰值为470 nm左右的蓝光，而部分蓝光激发荧光粉发出峰值为570 nm左右的黄绿光。与另一部分的蓝光与激发荧光粉产生的黄绿光混合产生Y l O :Ce 白光。目前采用的荧光粉多为稀土激活的铝酸盐Y l O :Ce (YAG)，当有蓝光激发它时发出黄绿色光，所以称作黄绿色荧光粉。该方法发光，发光效率高，制备简单，工艺成熟。但色彩随角度而变。光一致性差，而且荧光粉与LED的寿命也不一致，随着时问的推移，显色指数和色温都会变化，影响了发光光源的发光质量。

        采用红、绿、蓝三原色LED芯片或三原色LED管混合实现白光。前者为三芯片型，后者为3个发光管组装型。红、绿、蓝LED封装在1个管内，光效可达20 lm/W,发光效率较高，显色性较好。不过，这种合成白光方法的不足之处就是LED的驱动电路较为复杂。三芯片型三原色混合成本较高，而且由于红绿蓝3种LED的光衰特性不一致，随着使用时间的增加，三色的混合比例会变化。显色指数也会相应变化紫外光或紫光LED激发三原色荧光粉，产生白光。采用这种方法更容易获得颜色一致的白光，因为颜色仅仅由荧光粉的配比决定，此外，还可以获得很高的显色指数。但其最大的难点在于如何获得高转换效率的三色荧光粉，特别是高效红色荧光粉。而且防止紫外线泄露也是很重要的。

        添加红色荧光粉对大功率白光LED 光效和显色指数的影响

　　白光LED是最具吸引力的21世纪绿色照明光源，日亚发明的制作白光LED的方法即是使用蓝光LED激发黄色荧光粉，这种制备方法非常普及，已被用于工业化量产。其发光效率高低主要取决于材料(晶片、荧光粉、胶水)的优劣和生产制程的过程控制。

　　有研究机构对传统制备工艺进行了改良，并做了大量的大功率白光LED实验，用蓝光LED激发黄色荧光粉、红色荧光粉、及添加适当比例红色荧光粉的黄色荧光粉混合物，分别产生白光，从而探讨黄色荧光粉和红色荧光粉的放射光谱，以及相应LED的特性。最终证明激发添加适当比例红色荧光粉的黄色荧光粉混合物的白光LED，其发光效率比激发黄色荧光粉的白光LED要低，但是显色指数（CRI）要高。

         可用于TV背光与普通照明的新型红绿荧光粉技术

　　黄色、绿色硅酸盐荧光粉在455nm以下激发效率较高；橙色硅酸盐和红色氮化物荧光粉在整个蓝光波段有较高的激发效率；YAG荧光粉在以460nm为中心波长的光谱范围内激发效率较高。

　　电视背光对LED光源的要求主要包括以下几个方面：中等功率，冷白光，高显色性，良好的热稳定性，长期工作可靠性。针对上述要求电视背光可采用的荧光粉包括：

　　1、绿色荧光粉，包括硅酸盐荧光粉、β-SiAlON、铝酸盐绿色荧光粉、YAG等，性能各有优劣。其中硅酸盐绿色荧光粉激发效率高，但热稳定性能差且易吸潮；β-SiAlON热稳定性能优良，但激发效率不高且价格昂贵；铝酸盐绿色荧光粉激发效率高、热稳定性能优良、长期工作可靠性好。

　　2、红色荧光粉主要采用氮化物红色荧光粉，热稳定性能优良，激发效率得到进一步提升，但价格相对较高。

　　普通照明对LED光源的要求主要包括以下几个方面：高功率，暖白光，高显色性，良好的热稳定性，长期工作可靠性。针对上述要求普通照明可采用的荧光粉包括：

　　1、YAG荧光粉是最佳的黄色荧光粉，热稳定性能好，寿命长，但缺少绿光段导致显色指数较低。

　　2、硅酸盐荧光粉可以提供混合绿色、黄色、橙色荧光粉以提高显色指数，但硅酸盐荧光粉的缺点在于热稳定性能差且易吸潮。

　　3、铝酸盐绿色荧光粉热稳定性能好，寿命长，黄绿波段转换效率高，可以实现高显色指数。

　　4、氮化物红色荧光粉与黄色、绿色荧光粉混合可以实现高显色性暖白光，热稳定性能好，寿命长。

　　铝酸盐绿色荧光粉峰值波长515nm-540nm，典型颗粒度10-17um，与硅酸盐绿色荧光粉和β-SiAlON相比，波谱更宽；与YAG荧光粉相比热稳定性能更佳。

　　氮化物红色荧光粉CaAlSi(NA)3: Eu2+，波长范围620nm-670nm，630nm系列红色荧光粉可用于实现显色指数80的暖白光LED，650nm系列红色荧光粉可用于实现显色指数90的暖白光LED及高NTSC电视背光源。

　　将Beta-SiAlON绿色荧光粉、硅酸盐绿色荧光粉、新型铝酸盐绿光荧光粉，分别与氮化物红色荧光粉R650组合用于液晶电视背光源，并对其温度特性进行对比。结果显示，铝酸盐绿光荧光粉与氮化物红光荧光粉R630组合可实现用于普通照明的暖白光LED。YAG、OG450、硅酸盐黄光荧光粉等荧光粉可实现用于普通照明的冷白光LED。

         伴随着我国经济的高速发展和人口规模的迅速膨胀，致使能源的消耗量不断增大，城市的发展紧跟着“高能耗”，能源的供需矛盾日益突出，能源短缺将严重阻碍城市未来的发展。半导体照明光源是一个具有巨大市场发展潜力的产业。随着技术的进步。半导体照明光源的应用领域将迅速扩大。在未来的5-10年，它将成为照明产业的主力军。它将改变人们对照明的认识。发展个性化照明理念，无疑是照明领域的一次革命。同时。我们必须科学分析、冷静面对半导体照明带来的历史机遇，制订科学的发展规划，使得半导体照明得到健康的发展。