【研究報告 | LED照明行業(yè)研究報告】

　　摘要：隨著全球變暖的不斷加劇，持續(xù)不斷的洪水、干旱正嚴重威脅著農業(yè)種植。民以食為天，需要食物以維持生存的人類將糧食和蔬菜種植到室內以保證糧食產量。因此，發(fā)明應用于室內農業(yè)的高效人工照明，彌補惡劣天氣造成的作物歉收，成為人類前進道路上的又一研究課題。

　　光是控制植物生長、發(fā)育、光合作用、光形態(tài)發(fā)生和光周期的最重要的環(huán)境因素之一。在過去幾十年中，無機肥料和農藥的濫用導致農業(yè)生產環(huán)境遭到破壞，由此影響了全球農業(yè)生產力。因此，發(fā)展生態(tài)農業(yè)是保證農產品質量安全和生態(tài)環(huán)境健康的必然選擇?；谶@一趨勢，室內植物栽培因其產量高、生產環(huán)境穩(wěn)定以及不受惡劣天氣條件影響等諸多優(yōu)點而備受關注。

　　植物照明LED

　　植物照明即燈具模仿太陽光對種植在室內的植物進行照明從而達到光合作用，進而幫助植物更好地生長。現(xiàn)代化農業(yè)不斷快速發(fā)展，對植物照明的能耗以及需求日益嚴格。較為傳統(tǒng)的植物照明光源主要包括金鹵燈、高壓鈉燈等，然而高壓鈉燈產生的光譜不能真正補充植物照明所需光源;金鹵燈成本又過高。相比之下，新興的由稀土元素摻雜制備的無機植物照明LED具有質量和體積相對較小、能耗較低、壽命較長、亮度高、特定波長和易于脈沖驅動等優(yōu)點，已成為室內農業(yè)中植物生長的新型人造光源，并且已廣泛用于室內植物栽培，以促進植物光合作用，控制光形態(tài)反應，并增強植物化學物質的分泌。同時，植物照明LED的使用也標志著現(xiàn)有室內植物照明的巨大進步。

　　植物照明LED主要包括磷光體轉換器LED以及藍色芯片上涂覆各種類型的紅色磷光體的LED。通過對比，研究人員們發(fā)現(xiàn)后磷光體轉換器LED需要例如量子點、磷光體等各種類型的顏色轉換器，成本高。而通過在藍色芯片上涂覆各種類型的紅色磷光體而生產的LED更容易制造，且成本較低，光譜較為多樣性。因此，市場上應用的這種植物照明LED多為這種復合材料，其最關鍵的部分是紅色熒光粉，它決定了植物生長燈的性能，如光譜、發(fā)光效率和壽命。

　　面臨的問題與對策

　　然而，現(xiàn)階段植物照明LED發(fā)展并不完善，應用過程中常遇到多種問題。

　?、?裝配模式問題

　　對于通過在藍色芯片上涂覆各種類型的紅色磷光體而生產的LED，傳統(tǒng)的裝配模式是不合適的，因為有機封裝劑很容易因為高溫而發(fā)生而發(fā)生老化，導致發(fā)光性能差。

　　現(xiàn)階段，研究人員們利用玻璃熒光粉(PiG)技術解決上述困境。PiG材料是熒光粉和玻璃基質的復合物，通過相對低溫燒結工藝(<1000°C)制備，這種復合物保持了玻璃基質的穩(wěn)定性以及熒光粉的顯著光學性質。PiG技術適用于植物照明LED需滿足兩個主要條件：一是擁有穩(wěn)定且可調節(jié)的發(fā)射;二是可由藍色或近紫外光有效激發(fā)。摻入合適稀土熒光粉的PiG可呈現(xiàn)出400-480 nm的藍色發(fā)射以及650-750nm深紅色和遠紅色發(fā)射，更好地匹配植物生長所需。

　　②LED過熱的問題

　　盡管LED比傳統(tǒng)光源具有許多優(yōu)點，但LED長時間使用會出現(xiàn)溫度過高的情況，降低了植物照明LED的性能以及壽命。

　　研究人員們于2011年證明了使用冷卻系統(tǒng)的植物照明LED可以增加光合光子通量分布(PPF)，增加LED燈的照明效率。

　　③植物照明LED光譜調節(jié)

　　與傳統(tǒng)光源相比，植物照明LED窄帶發(fā)射且功耗低，因此在過去幾年中被認為是植物栽培的最佳光源。植物照明LED需要能夠進行真正光譜成分控制，使發(fā)射的波長與植物光感受器匹配，從而優(yōu)化植物形態(tài)和組成。

　　眾所周知，遠紅光(650-750nm)接近葉綠素的吸收峰，在植物的光合作用中起關鍵作用。然而，植物光敏色素的吸收光譜不僅包括藍色(~460 nm)和深紅色光(~660 nm)，還包括遠紅光(~730 nm)。換句話說，遠紅光在植物生長過程中也起著至關重要的作用，對植物有重要的陰影避免反應。例如：雖然綠色植物在只有深紅色光(~660 nm)照射時正常生長，但植物在被深紅色光和遠紅色光(~730 nm)照射時，植物會像被光阻擋一樣響應另一個更高的植物，所以植物將更難以突破陰影，導致植物雖然長更高但生物量較少。因此，有效的LED植物照明解決方案應同時提供藍色，深紅色和遠紅色光譜范圍，具有特定波長的光源可以有效提高室內植物栽培的效率。

　　目前，研究人員們已經在研發(fā)帶有藍色、綠色以及紅色LED的照明系統(tǒng)，用于研究植物的早期生長在基于LED的照明系統(tǒng)中，可以在不使用濾光器的情況下發(fā)射所需的光譜。

　　結語

　　目前，市場上需求的植物照明LED尤其需要475 ~ 510 nm以及650 ~ 800 nm波段發(fā)光的LED以彌補室內植物照明所需光源。植物照明LED已經成功運用于高架栽培中草藥、蔬菜、花卉生產、幼苗培育、植物工廠等方面。未來的新農業(yè)必將利用植物照明LED優(yōu)化農作物以及植物的照明系統(tǒng)，提升農產品的品質和產量。