Effizienz – Wer wagt eine Prognose?

Im Dezember 2017 veröffentlichten Paul Morgan Pattison et al. den Artikel „LED lighting efficacy: Status and directions“. Dieser Beitrag bezieht sich auf diese wissenschaftliche Arbeit. In diesem Beitrag werden auf der Grundlage von Analysen des U.S. Department of Energy Solid State Lighting Program unter anderem Prognosen für die zukünftige Effizienz-Entwicklung vorgestellt.

Zum Einstieg eine Grafik, die auf einen Blick die Effizienz-Erwartung abbildet:

Sie zeigt die Lichtausbeute kommerzieller pc-LED-Module (pc = Phosphor-converted; Erzeugung mit kurzwelligen blauen LED und Leuchtstoff), gemessen bei 25 °C und 35 A/cm² Eingangsstromdichte.  Lichtausbeute der Quelle (Luminous efficacies of source, LES): Blau = kaltweisse (5700 Kelvin); orange = warmweisse (3000 Kelvin). Kommerzielle Produkte des Jahres 2016 erreichten ∼160 lm/W für kaltes Weiss und ∼137 lm/W für warmes Weiss. Die ungefähren langfristigen potenziellen Wirkungsgrade der pc-LED-Weisslichttechnologie sind die Werte nach der Sättigung, die in den Jahren 2020-2025 eintreten wird.

Die langfristige potenzielle Effizienz der RYGB cm-LED-Bauweise (cm = color mixing, RGB) ist als gestrichelte graue Kurve dargestellt. Die cm-LED-Bauweise hat derzeit eine geringere Leistung als die derzeit dominierende pc-LED-Bauweise, aber sie hat das Potenzial, diese in den kommenden Jahren zu überholen.

Bei der pc-LED-Bauweise hat sich die Lichtausbeute innerhalb eines Jahrzehnts um mehr als den Faktor drei erhöht, von ∼40 lm/W auf ∼137 lm/W (bei 35 A/cm²) für warmweiss. Geht man von einer maximalen Lichtausbeute von 414 lm/W aus, bedeutet dies einen Anstieg der Effizienz der Leistungsumwandlung von 12 % auf 33 %. Der Hauptgrund dafür ist die Verbesserung des Wirkungsgrads der blauen LED, aber auch die Effizienz des Leuchtstoffs (Wirkungsgrad und Anpassung der Wellenlänge an die Reaktion des menschlichen Auges) und des Gehäuses (optische Streuung/Absorption) wurden verbessert. Trotz dieser Verbesserungen ist jedoch aufgrund der Stokes-Verschiebung¹ bei der Abwärtskonvertierung blauer Photonen in grüne und rote Photonen nicht damit zu rechnen, dass die Lichtausbeute in der Praxis über 255 lm/W (Leistungskonversionseffizienz von 62 %) bei 35 A/cm² hinausgeht.

Die maximale Lichtausbeute von weissem Licht für eine verlustfreie weisse Lichtquelle (kein Verlust bei der Umwandlung von elektrischer in optische Leistung) mit angemessener Farbwiedergabequalität beträgt 414 lm/W. Es gibt keinen grundlegenden physikalischen Grund, warum dies nicht eines Tages erreicht werden kann.

Für die cm-LED-Bauweise gibt es verschiedene Möglichkeiten: 3-Farben-RGB, 4-Farben-RYGB (oder RGBA) und 5-Farben-RYGCB. 4-Farben-RYGB wird als das beste Gleichgewicht zwischen hoher Lichtausbeute und hoher Farbwiedergabe betrachtet. Das ultimative „obere Potenzial“ könnte in der Größenordnung von 330 lm/W liegen, begrenzt nur durch die internen Quanteneffizienzen der LEDs selbst von 80 bis 90 % und durch geringe Verluste, die beim Mischen ihrer reinen Quellfarben zur Erzeugung von weissem Licht entstehen. Die derzeitige Lichtausbeute der cm-LED-Bauweise ist jedoch recht gering: etwa 90 lm/W bzw. 22 %. Daher wird sie nur selten eingesetzt, außer bei Anwendungen, die eine Farbabstimmung erfordern.

Längerfristig haben farbgemischte LED-Leuchten das Potenzial, eine höhere Lichtausbeute als pc-LED’s zu erreichen, allerdings sind dafür Durchbrüche bei der Effizienz grüner und gelber LEDs erforderlich. Vielleicht werden wir aber in einigen Jahren Leuchten mit RYGB-LEDs am Markt haben, mit denen dann jede Farbtemperatur (und Farbe) eingestellt und betrieblich geändert werden kann.

¹ Der Name Stokes-Verschiebung (Stokes Shift) geht auf den Mathematiker und Physiker Sir George Gabriel Stokes zurück. Dieser erkannte 1852 die Gesetzmässigkeit, dass das von fluoreszierenden Stoffen wieder emittierte Licht eine größere Wellenlänge hat als das zuvor absorbierte Licht. Bei Stoffen, die durch auftreffendes Licht fluoreszieren, ist das wieder ausgestrahlte Licht demnach stets längerwellig. (Quelle: Wikipedia)