在过去的几年里，基于led的照明已经无处不在，照亮我们的家，汽车和街道，背光我们的手机和电视。但是为什么这些光源比老式的灯泡更有效率，为什么这种效率很重要?
我们为什么需要led ?
老式的钨丝灯非常浪费。在这些灯泡中，只有大约5%的电能转化为光，其余的都以热量的形式散失了。紧凑型荧光灯稍好一些，将大约五分之一的电能转化为光，但led的效率仍然更高。根据剑桥大学的科林·汉弗莱斯的说法，“我们今天使用的led的效率约为35%。但在实验室里，我们有75%的发光效率的led，这些led将在未来几年内进入市场。”
照明行业在全球能源消耗中所占的比重比我们许多人意识到的要大。照明约占我们所有用电量的20%，因此，更高效的光源的潜在节能和碳排放减少是巨大的。
科林说:“随着LED照明下降到10%，未来将下降到5%。”“目前，我们节省了发电站10%的电力和碳排放。在未来，我们将在发电站的碳排放中节省15%的led。这是大量的二氧化碳。”
高质量的led寿命也更长，应该可以持续几十年。这对于像路灯这样的东西尤其有价值，因为更换光源比在客厅更换灯泡造成的干扰要大得多。
看一个LED灯泡的内部
今天货架上的LED灯泡看起来很像老式灯泡，但里面有更多的东西。同样来自剑桥大学的蕾切尔·奥利弗(Rachel Oliver)切开了其中一个灯泡，揭示了里面发生的事情。
切片内部的LED灯泡看到荧光粉帽(左)和LED本身(右)。 |
在这些灯泡的底部，有一块金属块作为散热器。led不会产生太多的热量，但对它们有害，所以需要散热片来去除它。这也意味着更高效的led制造成本更低，因为需要更小的散热器!在外层的光漫射帽下面，有一个看起来像小乒乓球的东西，上面覆盖着一种叫做荧光粉的化学物质(稍后会详细介绍)。最后，在这下面，在灯泡的核心，是小的LED芯片本身——这个灯泡有六个。
用于照明的led是由一种叫做氮化镓的材料制成的。它不存在于自然界中，因此LED制造商通过在大型晶体生长系统中共同反应气体来制造薄层氮化镓。瑞秋带我参观了其中一个生长系统，看看它们是如何工作的。
这些层生长在晶体的薄片或晶片上，通常是蓝宝石或硅。每块晶圆都可以被切割并加工成成千上万个独立的LED芯片。这些气体通过一种叫做淋浴头(很像我们家里的大型淋浴头)的管子，使它们靠近水面，而事先不会发生反应。晶圆片被加热到1000摄氏度左右，气体在表面发生反应，一层一层地形成材料。镓来自一种叫做三甲基镓的化学物质，氮来自氨，它们反应形成氮化镓和甲烷。通过加入其他气体来创造稍微不同的层，LED的结构就像一个分层的蛋糕一样慢慢地建立起来。
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瑞秋给我看晶体生长反应堆。 |
“氮化镓层是我们为LED生长的基础，它们通常约为4微米(4 /千分之一毫米)厚，”雷切尔解释说。“实际的发光层(发光的地方)要薄得多，大约只有百万分之一毫米，非常非常薄的发光层。”
它们是如何发光的?
老式的钨丝灯是通过通电加热电线，直到发出白热的光来发光的。只有一小部分能量以可见光的形式释放出来，所以这些灯泡的效率非常低——光是加热的副产品。
另一方面，led以更直接的方式产生光，并且更多的能量被转换成光。
led是由半导体材料制成的。在原子中，电子在某些允许的能级上围绕原子核运行。当原子聚集在一起形成半导体时，这些能级都混合在一起，电子现在可以位于某些允许的能量带中，中间有禁止的能隙。你可以把这想象成上楼——你只能把脚放在台阶上。同样地，电子只能在这些能带上。
为了理解led是如何发光的，我们需要看看它们的构成层。通过在层中加入其他成分(称为掺杂)，可以改变其性质。在LED的一侧，添加了少量硅，这将多余的负电子提供给更高的能带。在另一边，添加了一种不同的成分，通常是镁，它从较低的能带中吸收电子。这在电子原来的位置留下了带正电的间隙，称为空穴。
当LED连接到电源时，电子和空穴被推到一起并结合在一起发出光。 |
当LED连接到电源时，负电子和正空穴相互推动。当电子和空穴相遇时，电子落入空穴，就像斯诺克球落入口袋一样，失去能量。这些额外的能量以光的形式发出。
雷切尔提到的非常薄的发光层有助于电子和空穴更有效地相遇。在LED中心的这些层(每层大约10个原子厚!)中，一些镓被换成了铟。这些层的能隙更小，所以电子和空穴被困在这些非常薄的层中，更有可能相遇并结合形成光。
瑞秋解释说:“这就像如果你和我需要见面喝杯咖啡，如果我对你说‘太好了，我们明天在剑桥见面’，我们可能会找到彼此，但可能性不大。如果我对你说‘我们在材料科学系的公共休息室见面喝杯咖啡吧’，很有可能我们真的能找到对方。”
这些led发出的光是蓝色的，但我们想要漂亮的白光。LED灯泡使用一种叫做荧光粉的化学物质，这种物质在我们灯泡的黄色乒乓球形状的盖子上，可以将一些蓝光转化为黄光。蓝色和黄色的混合会产生白光，选择稍微不同的荧光粉可以产生较暖或较冷的白光。
另一种制造白光的方法是将红、绿、蓝三种led混合在一起，通过混合这些led发出的光，直接从led发出你想要的任何色度的光。然而，绿色led的效率仍然比蓝色或红色低得多，因为它们必须在较低的温度下生长。这导致晶体质量较差，干扰电子和空穴结合产生光。
这是LED研究的一个正在进行的领域，以及使它们在更多的电力通过时表现更好，并且通常提高效率并降低成本。但是现在已经有一些颜色可调的LED灯了。事实上，美国宇航局最近将LED灯送入轨道，以帮助国际空间站(ISS)上的宇航员睡得更好。在国际空间站上，太阳每90分钟升起和落下一次，这可能会严重破坏睡眠周期。这些LED灯可以在他们睡觉前从正常照明调到更红的光，甚至可以调到更蓝的“警报”设置，以帮助他们集中注意力完成重要的任务。
led的效率越来越高，价格越来越便宜，在呈现漂亮的白光方面也越来越好。考虑到它们可以提供巨大的能源节约，以及由此产生的碳排放的减少，它们看起来将变得越来越普遍:对于led来说，未来确实是光明的。
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