用于节能LED和CFL的新型非稀土金属荧光粉

二十一世纪以来,能源危机不断渗透到社会的各行各业,节能的主题也在不断被强化。照明行业的一重要节能成就即是紧凑型荧光灯(CFL)和发光二极管(LED)的诞生。CFL和LED相比于传统白炽灯照明具有明显的节能优势(可分别节能76% 和84%)。近年来,LED照明行业得益于各国政府对白炽灯的禁售或者禁用以及LED照明产品价格的不断下降因而发展快速,仅在2015年全球LED照明市场规模就达到570亿美元,同比增长28.5%。中国作为全球第二大LED照明市场,2015年销售规模达到54亿美元,同比增长40%,是全球增速最快的市场之一,预计未来几年LED照明行业规模将持续加速增长。

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荧光粉是CFL和LED照明应用中重要组成部件,可将CFL灯管和LED芯片产生的紫外光或蓝光转换成可见光或白光。目前广泛应用的黄光荧光粉(YAG:Ce3+)就是在LED封装过程中用以涂覆在蓝光LED芯片上产生白光。然而,在YAG荧光粉的照明应用中有一些显著问题需要解决。首先,通过该方法获得的白光通常具有较低的显色指数(CRI)和较高的色温(CCT),因此由于太“冷”而不适合室内照明。研究表明,通过使用基于单组分或多组分的白光荧光粉可以实现高质量的白光。单组分系统是具有发射平衡覆盖整个可见光区域的单相白光荧光粉,而多组分系统是包含两种或更多种单色荧光粉的混合物,后者可实现高发光效率和可调谐光质量,故而多组分系统更有吸引力。其次,目前市售CFL和LED的荧光粉材料中普遍含有稀土金属元素,不仅导致产品成本较高和存在潜在资源供应问题,而且大量使用稀土金属对环境具有长远的不利影响。因此,开发高性能,低成本以及非稀土金属节能环保型荧光粉越来越重要。

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来自美国罗格斯大学(Rutgers University)的李静教授研究团队设计和合成了一系列高性能无机-有机杂化荧光粉,该类材料由便宜易得、无毒环保的碘化亚铜 (CuI) 与有机小分子 (例如吡啶) 通过Cu-N键连接形成一维链状、二维网状或三维框架结构。该研究团队采用自下而上(bottom-up)的溶液合成法,通过仔细筛选,设计和合成有机配体,连接组装具有高量子产率的Cu4I4立方簇或Cu2I2二聚体,形成稳定的杂化结构。这些荧光材料经紫外光或蓝光激发可发射出多频率颜色的光覆盖整个可见光区,并具有极高的发光内部量子效率 (IQY) 和微调性能。通过混合蓝色(IQY>90%)和黄色(IQY>90%)荧光粉获得的双组分白色荧光粉系统实现了高达82%的内部量子产率和低至2534K的色温(CCT)的“暖”色白光。这一荧光粉系统的优点使得它们成为可被应用于节能照明器件中替代稀土金属荧光粉的出色候选者,具有广阔市场应用前景。相关论文发表在 Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201603444)上。第一作者为方洋。