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基于量子点的固态照明与电场可调色度
摘要
固态照明目前基于蓝色发光二极管与通过磷光体的波长下转换结合。 用量子点替代磷光体具有许多潜在的优点，包括窄带和尺寸可调的发射光谱。 在这里，我们指出了另一个优点：通过改变量子点吸收或发射波长和使用电场的振荡器强度执行固态照明的色度的实时调谐的能力。 我们讨论这种固态灯的可能架构，以及可以针对给定吸收或发射波长和振荡器强度变化的范围获得的色度范围。
关键词
色度控制，色温，发光二极管，液晶，量子点，量子产量，智能照明，固态照明，斯塔克效应，波长下变频。
- 引言
在1999年他们的发明[1]中，其中蓝色或紫色二极管与一个或多个波长下变频磷光体结合的磷光体，转换发光二极管（PC-LED）已经成为标准结构[ 2]，[3]。 然而，对于“智能”固态照明的未来发展[4]，对于PC-LED架构困难的特征，例如实时可调色度将是有望的。 可调谐色度将使光能够适应于其被使用的环境，即使该环境在一天的过程中改变。 可以适应人类偏好，例如对于在各种环境（住宅，商业，工业，户外，汽车）中根据使用和时间具有不同色温的白光，可以预期提高人类生产力，舒适度和健康水平。
然而，利用当前技术实现实时可调色度，引入了光和电的复杂性以及成本。 复杂性和成本源于需要对横向放置的独立电驱动的单色红色，绿色和蓝色（RGB）或红色，黄色，绿色和蓝色（RYGB）光源进行光学颜色混合。 确实是这样，无论单个光源是单色LED [6]，[7]激光器[8]还是在没有高效的绿色，黄色和/或（浅）红色LED的情况下（对于所谓的“绿色间隙 “;参见例如[9]），单色PC-LED [10] - [12]或PC-LED加红色LED的组合[13]。
最近，量子点（QDs）已经出现[14] - [18]作为基于波长下转换的固态照明中的磷光体的可能替代物。 量子点带来了许多优点（当然，某些类型的量子点也可能有缺点，如：热和光不稳定，超过磷光体，这代表了广泛采用的挑战，例如[19]，[20]， 包括：对于可以更好地优化可实现的发光效率和显色质量的包络的光谱的窄线宽发射[21] - [23]; 宽带吸收，其使得能够选择蓝色LED波长以优化白光光谱而不是磷光体的吸收; 波长和发射波长容易定量通过量子尺寸效应[24] - [26]。
在本文中，我们指出量子点的另一个优势：潜在的改变，使用电场，其吸收或发射波长和振荡器强度的能力。 改变的吸收或发射波长和振荡器强度意味着所得白光的改变的色度。 如果两个或更多个QD层堆叠在蓝色LED的顶部上并且分别电偏置，则可以在用于固态照明的当前标准PC-LED架构内实现实时可调谐色彩，而不需要横向放置的光源的光学颜色混合。
为了探讨这种方法的可行性，我们在本文中分析了基于QD的具有潜在电场可调色度的理想化的固态灯，如图1所示。 该系统包括由分散在某些矩阵中的由QD组成的红色和绿色波长下转换层覆盖的蓝色LED。 一些蓝色LED灯通过QD泄漏，而一些被吸收并再发射为红色和绿色光。 蓝色，绿色和红色光的组合产生白光，其特性（色温，辐射的发光效率，显色质量）取决于波长（lambda;B，lambda;G和lambda;R）和蓝，绿，红光的光谱宽度（∆lambda;B,∆lambda;G和∆lambda;R），以及对红色-蓝色（PR/PB）和绿色-蓝色（PG/PB）功率比
图1.具有电场可调色度可能性的理想化LED灯。 该灯由一个蓝色的LED组成，其表面粗糙，底面金属化，并且倒装芯片安装在热和机械基座上（图形由Jon Wierer提供）。 LED涂覆有嵌入在电介质（绝缘）基质中并且夹在透明导电氧化物（TCO）触点之间的红色和绿色波长下转换材料。 透明导电氧化物接触使得电压和（和相关电场）能够施加到波长下降材料。
对于这种理想化的灯，我们计算在第二节中对于发射波长的给定变化范围可以获得的色度，并且在第三部分中，对于吸收或发射振荡器强度的给定变化范围，计算获得的色度。 注意，在实践中，发射波长的变化，以及吸收或发射振荡器强度的变化可能同时发生。 然而，为了理解这种变化的独立影响，我们在本文中仅计算每个变化的影响与其他变化无关。
我们还讨论了利用这些各种变化的一些优点和缺点，包括：色度调节时显色性质和发光效率如何变化; 以及实现色度调节的期望范围的实际可能性。 然而，我们只讨论这些实际的可能性，因为这些可能性将很大程度上取决于量子自身及其环境的细节。
- 通过波长调谐的色彩调谐
我们开始使用波长移位来调谐色度。 为了具体性，我们假设初始中性白色色温为4400K的白光。我们选择初始波长（lambda;B=460nm，lambda;G=536nm，lambda;R=613nm），其使辐射的光效率（LER）最大化，以获得相当高的显色质量， 容易从商业蓝色LED和商业绿色和红色QD获得。 我们还选择在蓝色LED和绿色和红色QD中容易实现的光谱（FWHM）宽度（∆lambda;B=20nm,∆lambda;G=40nm,∆lambda;R=30nm），其中绿色光谱宽度略大于红色QD，以改善显色质量。
通过这些选择，我们计算：红色-蓝色和绿色-蓝色功率比是PR/PB=1.70和PG/PB=1.69（对于这些和所有其他白光计算，我们使用基于[27]的白光模拟器）; 辐射（LER）的白光发光效率为352 lm / W; 假定100％有效的蓝色LED和仅通过斯托克斯位移限制的功率下降转换效率的光源（MaxLES）的白光最大发光效率为295 lm / W; 和白光标准显色指数（CRI）和颜色质量标度（CQS [28]）都相对较高88。
在通常的配置中，白光的色温和波长在制造期间将通过波长下转换材料的量和几何形状来固定。 然而，在这里，在极端情况下红色-蓝色（PR/PB）和绿色-蓝色（PG/PB）的功率比保持稳定，我们试图通过调节下变换的绿色和红色光的波长来调整颜色温度。 如上所述，这是一个理想化的极端情况，这是有趣的是分析它是否是实际可实现的。 然而，我们注意到，如果QD中的辐射重建比非辐射重建快得多，则其是潜在可实现的，使得量子产率接近一致并且相对独立于发射振荡器强度的变化（其可能伴随着变化） 在施加电场的发射波长。
必要的波长偏移以及由此产生的发光效率和显色质量的变化示于图2中。 如图2（a）所示，随着色温从4400K增加，绿光的波长必须偏移到更短的波长，并且红光必须偏移到更长的波长。 相反，当色温从4400K降低时，绿光的波长必须移动到较长的波长，并且红光的波长移动到较短的波长。
原因如下： 一方面，较高色温的白光在蓝色中必须包含相对更多的流明，而在绿色和红色中必须包含相对较少的流明。 由于红 - 蓝和绿 - 蓝功率比保持固定，减少相对红色和绿色流明含量的唯一方法是降低辐射的红色和绿色发光效率，这意味着将它们的 波长“向外”远离LER最大的555nm波长。 另一方面，较低颜色的温度白光必须在蓝色中包含相对较少的流明，而在绿色和红色中相对较多。 由于红色到蓝色和绿色到蓝色的功率比保持稳定，增加相对红色和绿色流明含量的唯一方法是增加红色和绿色光辐射的功效，这意味着移动他们的波 - 长度“向内”朝向LER最大的555nm波长。
这些波长从555nm向外或向内朝向555nm的一个结果如图 2（b）所示。 随着色温从4400K增加或降低，随着组分红色和绿色LER的减少或增加（分别地），整体白光LER和光源的最大可实现光效（最大值）也(分别地）减少或增加 。
图2 （a）实现在（4400K）附近的各种色温所需的波长，在该波长处选择初始波长以获得最大LER。蓝色LED波长是固定的，红色到蓝色也是如此和绿对蓝功率比。注意，由于斯塔克位移总是红移，为了实现这里示出的波长位移的符号，绿色QD层将需要其零电场波长固定在期望的色温范围的高端，而红色QD层将需要其零电场波长固定在期望的色温范围的低端。 （b）复合白光的辐射发光效率（LER）的伴随变化，以及源（MaxLES）的最大发光效率，假设100％有效的蓝色LED和功率下降转换效率仅受斯托克斯位移限制。 （c）随着色温变化，由颜色质量标度（CQS）和标准显色指数（CRI）测量的显色性质的伴随变化。
这些波长漂移的另一个结果如图2(c)所示。 随着色温从4400K增加或降低，波长偏移远离那些为了相当高的显色质量而使辐射的亮度效果最大化的波长，显色质量降低。 在低色温侧，CRI和CQS的降低是相似的，但是在高色温侧，CQS的降低稍微不显着。 原因是，在显色质量上红光偏移到更深的红色的影响有些补偿了绿光偏移到浅绿色的影响，并且对于CQS的补偿比对于CRI的补偿更好 由于CQS对深红色成分的更大权重。
不管使用哪种测量，显色质量随着将红色和绿色分量优化的色温调整而降低，并且正是这种下降限制了色温调谐范围。显色质量足够的色温范围当然可以通过选择初始波长被优化的色温来改变，但是该范围必然受到限制。对于我们选择的初始波长优化的色温（4400 K）：如果我们想要一个70或更高的CQS，那么色温调谐范围限制在4050-5450 K， 1400 K;但是如果我们想要80或更高的CQS，则色温调谐范围限制在4150-4900K，范围仅为750K。这些调谐范围当然取决于色温的初始选择，并且将更加全面地研究这些范围，特别是对于住宅照明将感兴趣的较低的色温的初始选择。
最后，要了解是否有物理机制能够实现合理的色温调谐范围，请考虑必要的波长漂移的幅度。 如果我们想要色温调谐范围为4050-5450K（因此保持CQS为70或更高），则绿色和红色波长调谐范围将需要 19nm=544-525nm和18nm=606-624nm。如果我们想要色温调谐范围为4150-4900 K（因此维持aCQS是80或更高），然后是绿色和红色波长调谐范围需要是11nm=541-530nm和11nm=609-620nm。
因此，必要的波长漂移相对较大，它们是否实际可实现并不明显。应用程序的静电场到半导体异质结构导致受限电子和空穴的电平移动（斯塔克位移），这又导致发射光谱的偏移当辐射复合发生在[32] - [34]。 这些光谱对于一些几何形状和/或维度，位移可能很大。然而，在球形量子点的情况下，典型的斯塔克位移发射波长，对于合理的电场，都在上数量级为几nm [29]，因此不可能自己显著地以移动所得白光的色度坐标。
但是，注意，可以获得稍大的斯塔克位移与非球形颗粒（量子棒）。 此外，对于球形和非球形几何，斯塔克位移可能伴随着振荡器强度的降低和可能量子产率[30]，[31]（如第三部分所述）可以与这些减少结合使用以调节色度坐标。
- 通过功率比调谐的色度调节
现在我们转向使用功率比偏移来调节色度。为了具体，我们再次选择波长（lambda;B=460nm，lambda;G=536nm，lambda;R=614nm）使辐射的发光效率最大化显色性（对于这些和所有其他白光计算，我们使用基于[27]的白光模拟器）并且其可容易地从商业蓝色LED获得和来自商业绿色和红色量子点。 波长为
与第二部分略有不同，因为，正如所讨论的后来，我们在这里优化稍微暖和（2700 K而不是4400 K）的色温。 与第二节一样，虽然，我们选择光谱（FWHM）宽度（∆lambda;B=20nm,∆lambda;G=40nm,∆lambda;R=30nm）在蓝色LED和绿色和红色量子点，略宽光谱宽度为绿色比红色QD提高颜色渲染质量。
不同于第二部分，当我们改变红色和绿色波长但保持红 - 蓝（PR/PB）和绿 - 蓝（PG/PB）功率比固定，在本节我们保持红色和绿色波长固定并允许红色-蓝色（PR/PB）和绿色-蓝色（PG/PB）功率比改变以便改变复合白光的色温。
图3 （a）来自在文中讨论的波长和光谱宽度处发射1klm的灯的假设光谱功率分布，对于两个极端色温：2700K（实线）和6500K（虚线）。 （b）从2700K调节色温所需的红 - 蓝和绿 - 蓝功率比到6500K。（c）通过颜色质量标度（CQS）和标准显色指数（CRI）测量的显色性质相对高且恒定对于所有的色温，给定我们选择的波长和光谱宽度。
图3（a）示出与两个极端色温相关联的光谱功率分布：2700K和6500K。注意，这两个极端跨越色温范围用于几乎所有今天的一般照明应用中，并且3000K-5000K的更适中的范围可能足以满足许多应用。
图3（b）更系统地示出了红-蓝色(PR/PB）和产生所需的绿色-蓝色（PG/PB）功率比宽的色温范围。 随着色温的增加，功率从红色和绿色变为蓝色所需的红 - 蓝功率比下降得比绿色到蓝色的功率比从红色到绿色。 注意，要实现全满2700 K到6500 K色温调谐范围，功率比偏移相对较大：从5.9到0.9，或因数为6.4，
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