美国固态照明研究与发展计划综述南平

美国固态照明研究与发展计划综述

美国固态照明研究与发展计划综述 2011年12月03日 来源： 一、概述 固态照明（Solid-State Lighting，SSL）技术已成为全球性的新技术热点之一，引起世界发达国家的高度关注。如今，照明产品每年在美国的销售额大约是130亿美元，其中大约24.5亿美元是灯的销售额，剩下的部分包括固定设备、元件以及相关设计和维护费用。固态照明中的高亮度LED被认为是最接近普通照明解决方案的技术，其全球业务量达37亿美元，自1995年以来的年增长率超过46％。在高亮度LED的这些收入中，大约有7％（或2.71亿美元）是照明应用的收入。 美国能源部(DOE)支持的固态照明研究与开发为保持美国在这项技术的全球领先地位提供了机遇，同时使美国能够拥有自主知识产权，并且为美国提供高技术附加值的就业机会以及高的经济增长率。固态照明研发投资能够帮助解决美国未来的能源供应，保持产品技术、体制和服务的领先地位。 美国能源部的首要任务是提升国家、经济和能源的安全性，促进科学技术创新。固态照明项目的投资主要针对公私合作的研究、开发和试验活动。政府目前的任务是将投资集中用于早期研发阶段，高风险、竞争前阶段（pre-competitive）的研究。当前固态照明计划大多数都是应用技术的研究和开发，国家和公众可能从中获取重大利益，但如果由私人研发机构单独负责，则这些机构将会承担高风险和长周期的研发活动。由于固态照明研究活动的进展情况是通过阶段性研发来验证技术目标，这样政府的部分开销将会减少。政府的角色是为私人机构提供固态照明新技术，以成功实现建筑物一体化，同时决定如何更好地使技术商业化。 这份2008－2013财年的固态照明多年项目计划只是相对灵活的文件，可根据新的分析进展和优先研究领域进行调整和更新。 二、研究课题与经费来源 固态照明项目的研究分为四个课题，分别是：无机固态照明核心技术研究、无机固态照明产品开发、有机固态照明核心技术研究和有机固态照明产品开发。每个课题又分为若干个子课题，每个子课题中包含若干个项目。 图1是2003－2006财年美国国会对固态照明项目的经费支持和2007财年的经费申请。项目经费从2003财年的300万美元增加到2005财年的1270万美元。2006财年（开始于2005年10月）的经费为1300万美元，美国国会为固态照明的研发额外增加了500万美元。2007财年的经费申请为1930万美元。

目前美国能源部固态照明项目中共有60多个子项目(不含已完成的项目)，其中既有长期项目又有短期项目，参与机构包括各种规模的企业和大学等。2006年共有64个在研项目，36个为LED的项目，28个为OLED的项目。近3年政府和企业对项目的投资累计超过9180万美元（包括LED和OLED项目），如图2。其中美国能源部为7190万美元，其余的1990万美元为其它承担项目的机构所投入的资金。 美国能源部支持大型企业、中小型企业、学术机构和国家实验室参与固态照明研发项目。图3是各类项目参与伙伴获取的经费情况。其中大型企业获取的经费2790万美元，占项目总经费的31％；中小企业为2690万美元，占项目总经费的29％；学术机构和国家实验室获取的经费分别为1970万美元和1730万美元，各占项目总经费的21％和19％。 表1和表2分别是固态照明核心技术和产品开发的各个子课题的项目数和经费分配情况（截至2006年11月）。

三、技术研究与发展计划 1．目前的技术状况和需改进的领域 在这项计划中，性能的改善将可能在不明显降低效率的情况下，制造色温（CCT）较低的和显色指数（CRI）较高的光源。实现计划目标需要更有效率的发光体（特别是在绿光的光谱范围）。表3指出了LED和OLED光源目前各组成部分的效率和可最终达到的目标。其中，LED光源假定色温4100K（与冷白荧光灯相当），显色指数至少为80；OLED光源假定色温2700-4100K，显色指数为80，亮度为1000cd/m2。 （1）LED光源 典型的白光LED光源按其白光的实现途径大致可分为混色LED光源和磷转换LED光源。 对于混色LED光源，其总效率由驱动器效率、LED器件效率、灯具与光学元件效率三部分组成，其中LED器件效率包括：电光转换效率、外量子效率（由内量子效率和光子提取效率组成）、热效率和混色效率。光源中LED器件相关参数目前有很大的改善空间，例如，当前不同颜色片芯的外量子效率范围为14～42%，最终的目标要达到81%。然而，当二极管本身效率更高时，为了使光源总效率达到最高，就有必要重点关注其它部分的效率。

从表3可以看出，现在的混色LED光源驱动器的效率为75%，比磷转换LED光源低一些，因为混色LED需要产生不同的颜色，它的驱动器效率最终的目标是超过85%。对于灯具与光学元件效率同样有相当大的提高空间。目前，混色LED光源将电能转换为白色可见光的总效率大约为9%，如果各部分的效率实现最终目标，这种LED器件的效率将达到59%，光源的总效率将达到45%。 混色LED器件的电发光效能（lm/We）可由插座效率（Wo/We）与光辐射效能（lm/Wo）相乘而计算出来。对于混色LED来说，光辐射效能大约为360 lm/Wo（准确值随具体设计器件的显色指数和色温的不同而变化），因此混色LED器件的目标电发光效能将接近212 lm/We（360×59%）。在没有取得重大研究突破时，它的总发光效能大约是160 lm/We。这些额外的效能损失是由灯具和驱动器引起的。电光能量转换效率可以改善，而且如果可以利用最佳波长，光辐射效能也能提高到400lm/Wo（显色指数为80）。 对于磷转换LED光源，其总效率与混色LED光源相比，由磷转换效率和散射效率取代了混色效率。表3表明当前产品的驱动器效率为85%，而它最终的目标是超过90%。相比而言，其它效率有更大的改善空间。例如，LED片芯的光子提取效率目前仅为70%，而最终的目标是90%。 改善空间最大的是LED片芯的内量子效率和光子提取效率，以及灯具与光学元件效率。目前，磷转换LED光源将电能转换为白色可见光的总效率大约为11%。如果各部分的效率实现最终目标，这种LED器件的效率将达到50%，光源的总效率将达到41%。 磷转换LED光源实际发光效能目标为147 lm/We，改善磷光体的发光效率和温度性能可以提高发光效能。 （2）OLED光源 对于OLED光源，其总效率由驱动器效率、OLED器件效率、灯具与光学元件效率三部分组成，其中OLED效率包括：电极效率、外量子效率（由内量子效率和光子提取效率组成）、电光转换效率和基板散射效率。 当前OLED主要应用于显示器上，平板玻璃实际上没有散射损失。为实现低成本制造必须采用柔性聚合物基板，但这样减少了器件的效率。电极效率的目标是98%，但这只是乐观情况。电极的设计虽然会降低导电损耗，但也会阻碍或削弱器件的发光效率，从而降低器件的总效率。在相对小的面板可以基本忽略电极对发光效率的影响，但是随着平板尺寸的增加这就会成为一个问题。因此，这些问题对发光效率的影响非常小是因为它们是在实验室器件中实现的，这种水平在商业产品中却很难实现。 OLED的外量子效率对于绿光来说比较高，但对于蓝光和红光较低，这也降低了白光的性能。外量子效率的目标是达到80%，不久前OLED的效率不超过25%，三种情况的量子效率都提升才能提高总效率。光辐射效能（lm/Wo）主要与波长和效率有关，而功率则与其它机械损耗有关。 OLED的灯具效率也比传统灯具高，由于OLED是面发光，这在一定程度上减小了眩光，如果OLED光源的亮度小于800cd/m2，几乎可以消除眩光，使光在发光面上均匀分布。 OLED效率改善的关键还是发现合适的材料以产生白光。要实现低正向电压还有些困难，主要因为电极的影响，也有阻抗的原因。然而，只有效率的提高还不足以达到商用照明产品的水平，薄膜也必须以低成本大量生产，这更显示出降低基板和电极损耗以及材料选择的重要性。 2．研发重点 为了实现表3所示的技术目标，需要在许多研究领域进行改进。最初的课题结构和研发重点是由2005年2月圣地亚哥工作会议上制定的。这些研发重点已在2006年3月版的研究与发展计划中进行了一次更新，由于技术的不断进步，对于关键问题的理解已在这一版的计划中进行了修订。美国能源部接受了许多帮助以及公众对当前课题的评论。下一代照明行业联盟（NGLIA）技术委员会在美国能源部固态照明计划工作会议上为与会者提出了最初的修订草案。 四、项目管理计划 1.美国能源部固态照明发展战略措施 固态照明项目计划描绘了美国能源部与固态照明企业以及研究机构的长期关系，并将固态照明技术较好地从实验室引向市场。美国能源部固态照明的研究活动包括：基础能源科学、核心技术研究、产品开发、商业化支持、标准开发以及固态照明产业合作。 （1）基础研究以提高基本认识。基础能源科学计划包含的项目侧重于研究美国能源部任务所需的基本科学问题。这些项目针对物理、化学、材料科学的基本原理，包括电子和光学工艺知识，用它们来开发新的合成技术和新型材料。 （2）核心技术研究以填补知识空白。核心技术研究主要由学术机构、国家实验室和科研院所负责，这些技术包括许多科学研究，以努力寻找更多与主题相关的综合知识和认识。这些项目能够填补技术空白，提供准确的知识和数据，并使我们的知识库更加丰富。它们侧重于技术开发的应用研究，特别强调满足性能和成本的技术目标。 （3）产品开发以利用知识收益。产品开发主要是由公司负责，他们系统地利用基础或应用研究知识，开发或改进商用原材料、器件或光源。技术活动针对市场应用所关注的产品价格、质量和性能参数。项目活动的范围从产品概念模型到测试模型和现场准备原型（field-ready prototype）的开发。 （4）商业化支持活动以促进市场发展。为了保证对核心技术研究和产品开发的投资促使固态照明技术实现商业化，美国能源部也制定了联邦政府商业化支持战略。通过与固态照明产业伙伴、其它行业和能源组织合作，美国能源部策划了一系列活动，这些活动包括：为固态照明技术和产品起草“能源之星”标准；基于固态照明技术的照明设备和光源设计竞赛；协调效率提升与区域能效计划；发展技术采购计划，鼓励制造商生产高质量节能的产品投放市场，并联系客户购买；消费者与商家知情计划（awareness program）；为照明设计专家和学生提供信息资源。 （5）固态照明产业合作以提高制造和商业化水平。美国能源部与下一代照明行业联盟的合作是对固态照明项目的有力支持。他们于2005年签署的协议备忘录中详细记录了通过利用下一代照明行业联盟所拥有的技术，来提高制造和商业化水平的战略。 固态照明的产业合作伙伴将提供资金投入，以形成核心技术的研究重点，并加快实现固态照明技术，主要合作有：固态照明项目成果交流；鼓励发展技术度量、法规和标准；推动固态照明技术向普通的照明应用发展；支持美国能源部主动发展市场导向计划。 （6）标准开发以进行有意义的产品比较。为新产品开发国家标准和等级体系使消费者能够对不同厂商生产的产品进行比较，因为所有的公司都必须测试他们的产品，并以相同标准来评定等级。目前虽然没有已确定的固态照明产品的等级和标准，但是美国能源部已开始与美国电气制造协会（NEMA）、下一代照明行业联盟以及其它企业和研究机构一起开发必要的度量、法规和标准。 2．质量控制与评估计划 固态照明研究与发展计划采用了质量控制和评估计划（QC&E），以单独判定各个项目的技术水平。性能是项目选择的标准，而性能评价是用来重构计划、重估目标和重新平衡整体计划的。 实施这个质量控制和评估计划有三个目的：（1）调整个别合同中规定的性能、成本效益和时间限；（2）改进照明研究与发展计划中的项目；（3）通过招标过程引进高质量的研究员以保证未来研究的质量。 质量控制和评估计划围绕年度计划周期的四个关键阶段制定。在每个阶段都要讨论目标、问题、质量保证工具和度量标准，以及时间表。这四个阶段分别是：（1）确立固态照明研究与发展计划的方向；（2）遴选固态照明研究与发展项目的开发过程；（3）同时进行监测和评价；（4）项目完成后的评价和审查。 这四个分离的阶段相继开始并贯穿整个财年，它们相互之间有直接的影响，但是会有反馈机制存在，例如一个项目的最终结果和建议会导致整个计划方向或未来项目遴选的微小调整。(end)

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