白光LED发光效率的理论极限

白光LED發光效率的理論極限

光通平台21/Aug/2012

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半導體照明光源流明效率有多大的發展空間？它的理論極限是多少？

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白光LED電光轉換過程注入電子-電洞 Electron-Hole pair injected

藍光光子 Blue Photon

白光光子 White Photon

電子-電洞對注入:白光LED的工作電壓為3. 5 V,一對電子-電洞對注入和複合過程，能量消耗相當於一個電子從負極流到正極，電壓降為3. 5 V;即電子-電洞對注入和複合過程能量消耗為 3. 5 eV。

光通量 Luminous Flux

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每瓦白光LED的輻射功率可以產生 298.7 lm的光通量將左圖產生白光所需的功率值，調整到1W;然後計算此時的光通量值Φ

白光LED的發光光譜其色座標為x= 0. 325, y= 0. 332顯色指數為81. 5色溫為5 914 K藍光發射的峰值波長為465 nm。

白光LED光功率為1 W對應的流明效率為298.7lm/W。

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每瓦白光LED的電功率可以產生 197.8 lm的光通量假設藍光晶片的外部量子效率(External quantum efficiency)和螢光粉量子效率均為1,在理想情況下，注入一個電子-電洞，可以產生一個藍光光子，因此可以說,注入的電子-電洞,數量亦等於白光光子數量則白光光子數=藍光光子數=注入的電子-電洞對數

Nw= Nb= Neh= 2. 7×1018假設白光LED的工作電壓為3. 5 V,工作電流為eNeh。由此,可以計算出產生1 W白光輻射光功率消耗的電功率We:

We= 3. 5×2. 7×1018×1. 6×10 -19= 1. 51W 1.51W (電功率) 1W (光功率) 298. 7 lm (輻射光通量)

可以得出每1 W電功率產生的光通量為197. 8 lm。也就是說在上頁圖所示的白光LED的發光光譜和白光LED工作電壓為3. 5V的條件下，該白光LED光發射的流明效率的理論極限為197. 8 lm/W。

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相關公式和計算式每瓦白光辐射光功率發射的流明效率 Lm/W

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相關公式和計算式白光光子數=藍光光子數=注入的電子-電洞對數=N

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藍光功率和效率的計算假設各種轉換過程中沒有光子損耗，藍光轉換為白光的量子轉換效率為100%,對即量子轉換效率為100%,對藍光光譜進行調整，使其白光流明效率為100 lm/w計算調整後的藍光功率，得到理想情況下的藍光光功率Wb為：

白光LED的發光光譜其色座標為x= 0. 325, y= 0. 332顯色指數為81. 5色溫為5 914 K藍光發射的峰值波長為465 nm。

藍光的光功率效率為：從以上計算結果可以看出，在量子轉換效率為 100%的理想情況下，藍光晶片至少要達到 0.382w或者說至少要達到38.2%的轉換效率才能實現流明效率為1001m/w的白光。

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人眼視覺效率(luminous efficiency)曲線 ---人眼視覺函數光源所發出的能量，是以電

磁波的形式存在，此種能量稱為「輻射能 (radiant energy)」,單位為焦耳 (J),而光源每秒所發出的全部輻射能，則稱為「輻射通量(radiant flux)」,單位為瓦特(W),ψe。輻射通量相同(能量相同)的不同波長的色光，對人眼而言，其所能引起的亮暗度感覺並不一樣，也就是說，它們具有不同的「發光效率」,視覺效率(視感度)較高者，人眼也會覺得較亮。

光譜光視效率

人眼的敏感度會隨著不同波長的可見光譜而有不同的反應，對波長 555nm(綠光)視感度最高，對過長或過短的波長敏感度會逐漸減少。

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光通量(Luminous flux)人眼所能感覺到的輻射能量，它等於單位時間內某一波段的輻射能量和該波段的光視效能V(λ(視感度)之乘積的總和。 )由於人眼對不同波長光的光視效能不同，所以不同波長光的輻射功率相等時，其光通量並不相等。例如，當波長為 555nm的綠光與波長為650nm的紅光輻射功率相等時，前者的光通量為後者的10倍。光通量之簡單定義為，由一光源所發射並被人眼感知之所有輻射能量總和。光通量(流明)單一色光ψ= 683 x視感度x輻射通量(瓦特)

多種波長組合ψ=

683

V(λ)ψ e (λ ) dλ

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參考文獻1.白光LED極限流明效率的計算 2.白光半導體LED發光效率的計算

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