可以获得外量子效率达到20.7%的近红外钙钛矿发光二极管,GaN技术在大电流密度下也能实现高发光效率的特点

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由西北工业大学柔性电子研究院首席科学家、中国科学院院士黄维教授与南京工业大学先进材料研究院常务副院长王建浦教授所带领的团队利用低温溶液法,近日在钙钛矿发光层设计上提出了新思路,将近红外钙钛矿LED外量子效率提高到20.7%,再次刷新了世界纪录,其相关研究成果于10月11日发表在Nature杂志上。

GaN基板主要有两大作用

近年来,我国照明行业飞速发展,尤其体现在城市景观照明上。进入爆发期的景观照明为追求创新、追求更高的观赏性,亮化的形式更加多样化,如绚烂的灯光秀、媒体立面等。在南昌一江两岸、杭州G20亮化提升后,媒体立面愈演愈烈,厦门、青岛夜景提升更是在国际会议中惊艳全世界。与此同时,各大城市对媒体立面的追逐使得这一灯光表现形式陷入争议漩涡。

LED是一种能够将电能转化成光能的半导体电子元件,具有节能、环保、安全和高亮度等特点,在日常生活和生产中得到了广泛应用。近年来兴起的钙钛矿发光二极管兼具无机LED和有机发光二极管的优势,在低能耗、高亮度、大尺寸显示与照明领域具有广阔的应用前景。2016年该科研团队即提出钙钛矿维度调控创造钙钛矿发光二极管效率记录。

采用新基板而非蓝宝石基板的LED还有一项技术也备受关注,即使用GaN基板的GaN
on
GaN技术(图11)。GaN基板主要有两大效果。一是(3)通过为LED芯片加载大电流密度,大幅提高亮度。二是(4)确保高显色指数,实现眩光少、保护眼睛的光。

面对当下城市景观照明的争议,2018中国照明论坛专门组织了一场专家与企业家的现场交流环节。主持人中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院副院长赵建平一开始就抛出了一个话题“未来媒体立面是发展趋势吗?”,下面来看看专家是如何来回答的。

对于许多长期从事钙钛矿LED研究的科学家们来说,唯有平整、覆盖率高、无明显孔洞的钙钛矿薄膜才是实现高效率器件的基础。该科研团队此次在《自然》杂志上发表的题为“基于自发形成亚微米结构的钙钛矿发光二极管”的研究论文不仅打破这一观点,还报道了当前世界上最高的钙钛矿LED外量子效率。王建浦教授说,他们发现当钙钛矿晶粒像一个个麻将牌,互不相连且不规则地分布在衬底表面时,可以获得外量子效率达到20.7%的近红外钙钛矿发光二极管,与国际同行获得的13%外量子效率相比,提高了将近8个百分点,器件辐照度达到390
W sr-1 m-2,并且在100 mA
cm-2的电流密度下持续工作20个小时后效率才降低一半,性能远超目前热门的相近发光波段的OLED。

图11:GaN on GaN也开始实现产品化 Soraa公司采用GaN on
GaN技术的紫色LED的特性和产品,以及日本碍子的GaN基板及蓝色和绿色LED的试制示例。发挥了GaN
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GaN技术在大电流密度下也能实现高发光效率的特点。由Soraa公司提供,照片由各公司提供)

价值观和话语权之争

据黄维院士介绍,该团队还与与浙江大学田鹤教授、戴道锌教授团队合作,发现这种钙钛矿发光层是由分散的钙钛矿晶粒和嵌入在晶粒之间的低折射率有机绝缘层组成的,并且这种结构可以进一步使器件顶电极形成高低起伏的褶皱结构,从而有效提升器件的出光效率。这一成果对钙钛矿LED的发展与应用具有重要的理论意义和实践意义,为进一步推进钙钛矿LED的产业化发展提供了全新思路和途径。”

之所以能利用GaN on
GaN技术大幅提高亮度,是因为GaN基板与GaN晶体的晶格常数基本一致,GaN晶体中的线缺陷非常少。这种情况下,即使提高电流密度,发光效率的降幅也很小。

常志刚

开发GaN基板的日本碍子已开始生产线缺陷密度为106个/cm2的4英寸(100mm)晶圆。这一密度还不到在蓝宝石基板上采用GaN时的1/100。据日本碍子研究开发本部晶圆项目部长吉野隆史介绍,在实验室已经实现105个/cm2。预计在不久的将来可实现104个/cm2注3)。

中央美术学院建筑学院副院长

注3)不过,并不是说线缺陷密度越低,就越能维持发光效率。即使线缺陷减少,还有点缺陷,因此将线缺陷密度降到1107个/cm2以下并没有多大意义(名古屋大学的天野)。

无论是杭州还是上合峰会,在景观照明上实际都以媒体立面或媒体建筑为主,那么媒体立面作为一种智慧化照明或智慧化城市,肯定是一种发展趋势,但现在确实存在问题,它所引起的争议,也值得深思。

2mm见方芯片实现大光通量

在媒体立面、媒体建筑出现之前,照明在整个城市建造中一直处在一个末端的、配合的角色,它的形象效果也不会跟建筑师或是规划师、景观设计师去争夺风头。但媒体立面、媒体建筑出现之后,它达到甚至是超过了原来建筑的风头和影响力之后,争论就一定必然存在。

采用GaN on
GaN技术量产LED的少数厂商之一美国Soraa公司*公布了10A/mm2这一数据,也就是说,即使以普通LED几十倍的电流密度驱动,外部量子效率也在约55%以上(图11)。

建筑师和照明设计师之间的争论是好事,这里面存在价值观和话语权的问题。建筑的设计,是对于城市、场所和整个人文环境的思考,是一个非常深厚的,有两千年历史的城市学科。到了今天,当照明设计师和建筑师,或是景观设计师、城市建设者一起去讨论城市面貌建设的问题时,照明设计师拥有了话语权,那么要怎么去说话,需要照明设计师自己去思考,不能仅仅从照明产品技术的角度去谈问题,而是要从其他价值观去谈问题。只有价值观占据了领先,才有话语权。

*Soraa=采用GaN on
GaN技术从事LED芯片、LED封装和LED照明器具业务的厂商。由美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)的三名教授于2008年创建。这三名创始人中有一人是原来在日亚化学工业工作的中村修二。

把照明工程实践作为一个科技成果

这相当于能在约2mm见方的LED芯片上实现西铁城电子利用发光部直径为38.2mm的大型COB实现的2万3549lm的光通量注4)。此时的发光效率推测高达160lm/W以上。不过,如何散热是个问题。

郝洛西

注4)这是根据外部量子效率推测的、实现白色发光时的发光效率。因为Soraa的LED为紫色LED,无法直接定义有效发光效率。

同济大学建筑与城市规划学院教授

日本碍子也与名古屋大学共同试制了采用该公司GaN晶圆的蓝色LED,电流密度约为2A/mm2时,内部量子效率高达约90%。绿色LED也高达60%。

如今国内已经有了很多照明工程实践,那么照明界也应该去思考,怎么为世界照明的发展去献计献策,融入自己的成果。当我们把照明工程实践作为一个科技成果时,自然而然地会比较理性地去审视自己的所作所为。我们也不要把别人不能做的或中国普遍的、特别的现象作为一种理由去忽视问题。设计师要有自己的想法,要融入中国的文化,关注中国的民生民气,是中国照明工程应该走的方向。

该用途存在的课题也是实现超高亮度时的散热问题。由于发光面积较小,热量会集中在这个面积上。

照明行业必须要做到可持续发展,让企业利润、研发力度、国际竞争力都有所提高,这是照明业界所追求的方向。

强调光线比白色还白

不能只偏向媒体立面这一个方向

最近,GaN on
GaN技术受到关注的不是单纯的高亮度,而是白色LED要求的(4)的要素,即在高亮度下显色指数也很高、容易制作眩光少的LED。

李铁楠

这是因为,GaN on GaN技术适合制作用于实现高显色指数白色的紫色LED。利用GaN
on
GaN技术比利用蓝宝石基板更容易制作减少了GaN晶体中In用量的紫色LED。Soraa公司的LED也是紫色LED。

中国照明学会照明设计师工作委员会主任

紫色LED的发光中心波长约为410nm,光的能量比蓝色光稍高。与荧光灯使用的荧光材料组合,可制作显色指数与荧光灯一样高的照明器具。例如,Soraa公司的高顶天花板用高亮度LED灯的显色指数(CRI)为95,相对于深红色的显色指数指标R9也是95,都非常高。关于白色,Soraa公司CTO
Mike Krames强调称,与以往的白色LED相比,白色更白了。

国内的城市照明,无论是照明方法还是照明效果,目前还处于初级阶段。媒体立面的方式也很多,但这种照明的手法和效果只是满足了特定的场所和政治事件的需求。

受现有LED降价影响

城市照明也好、景观照明也好,还会有很多其他的需求和其他的场所,它可能更丰富,所以不能只偏向媒体立面这一个方向,对景观照明的研究、设计,还需要进行科学性的论证和全面的考虑。

GaN on GaN技术在(3)和(4)两种用途存在的共同课题是成本竞争力低。与GaN on
Si技术的高成本竞争力正好相反。因为GaN基板价格非常高,目前无望大幅降价。不过,GaN基板的价格与科锐公司采用的SiC基板没差太多。最大的问题在于,在即将实用化之际,与其竞争的现有白色LED迅速降价。

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研发GaN on
GaN技术的日本厂商很多。例如松下、三菱化学、住友电气工业等。但实现量产的例子很少。还有的厂商对GaN
on GaN技术表示怀疑,新技术需要具备现有LED所没有的高附加值,但GaN on
GaN技术能提供这种附加值吗(日本碍子)。

照明工程是可延展的

抑制LED芯片的直接光

戴宝林

在大幅提高LED性能的技术中,作为(4)提高显色指数,降低眩光的方法,可以选择新开发荧光材料。小糸制作所、名古屋大学和东京工业大学通过自主开发黄色发光体,为(4)的实现做出了贡献(图12)。

北京豪尔赛照明技术有限公司董事长

图12:通过紫色LED和新荧光材料大幅减少眩光
小糸制作所等开发的新荧光材料Cl_MS以及将其用于紫色LED时的发光特点。以往的LED存在的眩光和颜色不均的课题大幅改善。~由小糸制作所提供)

从前年G20峰会到现在,媒体立面兴起不过两年时间,争论是发展的一个必然过程。其实现在只是1.0时代的开始,以后仍会有媒体立面,可能它的形式会有所变化,但一个新鲜的事物不可能两年时间就消失。

小糸制作所开发的是含钙(Ca)等的Cl_MS荧光材料。芯片采用紫色LED,组合Cl_MS荧光材料与荧光灯使用的蓝色荧光材料制作而成。

很多专家也说,整个夜景照明前途还是比较好的,只是大家都审慎地来看待。

眩光与原来的白色LED的构成密切相关。与芯片的蓝色发光和黄色荧光材料的发光中,蓝色光直接进入眼睛有关系。而且蓝色光难以从LED封装的周围透出来,因此封装的周围会变成黄色,造成颜色不均。

如果问这几年照明行业好不好,我认为,用什么好的形容词来回答都不过分。过去照明行业应住建部要求制定了一个城市及道路照明施工资质标准,这个名称到现在已经狭隘了,因为现在不仅仅是城市照明、道路照明了,还有文旅照明、乡土照明、人文照明等等,照明工程是可延展的,可持续发展的。从整个行业来讲,无论是媒体立面还是其他照明,我依然是持十分乐观的态度。

此次用两种荧光材料将紫色LED发出的光一次全部吸收,仅荧光材料发的光会透到外面。这样就基本消除了眩光和颜色不均现象。现在已经开发出LED灯泡、直管型LED灯以及NHK的电视剧拍摄用照明器具等。小糸制作所研究所主管大长久芳称,听说拍摄现场对不刺眼的光评价很高。

合适的才是最好的

沈永健

深圳市千百辉照明工程有限公司董事长

不管是媒体立面也好,其他照明手法也好,合适的才是最好的。任何项目都有缺陷,但因为有了缺陷,才有美。媒体立面不是不能用,城市需不需要媒体立面,要相信设计师、相信城市管理者有这种智慧和能力去选择他认为最好的、最合适的。

媒体立面走入到后期的时候,可能会存三个问题。第一,审美疲劳问题,这是表现形式上的;第二,是产品上的缺陷问题,这些都是不可回避的;最后还有运营费用的问题。但是,做传统的照明就没有这些问题吗?可以肯定地说,也有这些问题。

适时、适地、适度

梁峥

中国城市规划设计研究院城市照明规划设计研究中心主任

一个经济学家说过,“过度渲染繁华往往会动摇繁华的根基。”在媒体立面,或者说在这次深圳的规划中,我们始终强调三个“适”言:适时,适地,适度。

实际上深圳在整个城市照明建设当中是走慢了、滞后了。2012年,我们便研究了深圳适不适合做媒体立面。有些想法,如果当时实现了,就是先进的、引领的东西;但如果是在实施的过程中慢了,或是没有完全按照规划去实施,那么得到的结果就不一样了。

在规划时,我也提出深圳很多地方不适合做媒体立面。在现在的规划里,有两个地方有媒体立面,一个是比较集中的秀场,任何一个城市都需要一个秀场;还有一个是后海中心区。我觉得还是遵守了当时规划里提的适时、适地、适度地做。

我认为,照明业界如今应该更加去关注照明的基础是什么。比如照明的科研、教育、规划、设计,这四个方面其实是所有实施工程最核心问题,但这方面的发展现在是相对滞后于整个行业的发展。

现在大家关注更多的是几十个亿的工程,但是在做这些工程的时候我们是否有严格地按照从设计到实施都有充分考虑吗?追求时间上的效率,这可能也是时代的一个特征,但对于已有的一些研究成果,应该在应用中得以实践。

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只有中国才能给出这样的精彩

窦林平

中国照明学会秘书长

我国城市景观照明目前处在初级阶段,只有在发展中加以改善、改变,最终才能形成一个让社会、让城市、让所有老百姓、让设计师都满意的好项目。

其实,中国拥有许多大体量的照明项目,在国外根本是不存在的,许多国外的设计师也会羡慕中国的设计师可以参与这么大体量的项目。每年国内也有不少项目拿到一些国外的奖项,也正是因为国外这些评委认为在国际上的大城市之中,只有中国才能给出这样的精彩,给设计师、工程公司、给照明产业提供这样的发展和表现的机会。

中照网评

不管是否喜欢,媒体立面已经成为了当前城市景观照明中的一种新现象,特别是在国内的一线城市中,媒体立面已经成为影响城市夜景观的重要因素。从引起的争议来看,媒体立面不必“一棍子打死”,既然媒体立面已存在,那么需要思考的是如何做好的媒体立面。

媒体立面并非适用于每个建筑和场所,判断媒体立面是否适合一座城市、一个场所是首要,融入文化特征、与城市环境相符、展现艺术性是重点;同时,媒体立面与建筑的关系密不可分,好的媒体立面应该和建筑设计理念合二为一,成为建筑的一部分。在规划、设计的过程中也许还要与城市管理者、投资者进行“博弈”。无论如何,因地适宜,扬长避短,提升内涵总是没错的。

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