近日，上海交通大学材料科学与工程学院崔可航课题组在高效节能照明领域取得重要进展，通过光子回收机制的确立与机器学习多目标优化，实现了一种光效高达173.6 流明/瓦（照明效率25.4%），显色指数96、具有人体工学色温、使用寿命高于6万小时的高可靠性光子回收白炽照明器件，并可将照明器件的生命周期碳排放总量降至LED照明器件的三分之一以下。相关研究论文“A photon-recycling incandescent lighting device”于近日发表于《Science Advances》期刊，并得到了该期刊的首页高亮（见图1）。
图1. Science Advances期刊网站首页高亮
照明耗电占发电总量的20%，所产生的碳排放占全球碳排放总量的10%以上。照明效率的提高有助于减少电力能源消耗，助力未来碳达峰、碳中和目标的实现。同时，照明的品质与人们的生活息息相关，节能、健康的照明对人类至关重要。以发光二极管(LED)和激光二极管(LD)为代表的固态照明通过电致发光将电力转化为光通量。通常LED照明在低于5 瓦/平方厘米的低功率下工作，其光效在90至120流明/瓦（照明效率12% -- 16%）之间。固体照明为了维持高光效，需要增加蓝光的辐射强度，容易导致色彩失真，其显色指数通常在90以下，这会对人体健康和生态系统造成潜在的危害。另外，显著的热耗散和俄歇效率退化限制了半导体芯片单位面积产生光子的能力。而白炽灯的辐射光在可见光波段具有连续性、全光谱的特性，为人眼感知提供了高色彩保真度，更符合人体工学的舒适度。但是，以钨丝为首的白炽灯因其红外辐射损失严重、发光效率低（低于3%）、寿命短而逐渐被淘汰。
该研究从辐射材料、辐射光谱、光子回收利用等方面出发，设计并制造了一种高光效、高显色指数、长寿命的光子回收白炽照明器件（Photon-Recycling Incandescent Lighting Device, 简称PRILD）。PRILD的主要构成部件包括全陶瓷碳纳米管/氮化硼热发射器、全向反射的陶瓷刚玉光学腔，以及可见透明-红外高反射的光谱过滤窗（Visible-Transparent, Infrared-Reflective Film, 简称VTIRF）等，其结构如图2所示。全陶瓷热发射器可长时稳定运行在2200oC的高温下，产生高强度、全光谱的黑体辐射，其中的可见光波段的光子可以极低的损耗穿过VTIRF光谱过滤窗，实现高显色指数的人体工学照明，而其余的红外波段的光子被VTIRF光谱过滤窗阻隔，并反射回至全陶瓷热发射器，实现红外光子的回收利用。
图2. 光子回收白炽照明器件(PRILD)系统设计
VTIRF光谱过滤窗是控制光子流通的关键部件。该研究采用了多目标优化机器学习算法对大型组合空间进行了高通量筛选，制备得到了厚度仅为637 纳米的VTIRF结构，大幅降低了原材料的使用，实现了92%的红外光子的有效回收，同时不受入射角度的影响。图3展示所制备的VTIRF光谱过滤窗在中远红外波段亦保持了极高的反射率。对制造的PRILD器件进行的测试结果表明（图4），其光效高达173.6 流明/瓦（照明效率25.4%）、功率密度为277瓦/平方厘米、其亮度更是达到了90万坎德拉/平方米以上，同时，PRILD器件的显色指数高达96，使用寿命大于6万小时。上述指标均显著优于现有的LED照明器件。更为重要的是，在同等光照总量下，PRILD的碳排放仅为主流LED碳排放的三分之一。
图3 可见透明-红外高反射的光谱过滤窗(VTIRF)窗实验性能
图4 光子回收白炽照明器件(PRILD)发光性能
与LED等固态照明技术相比，该研究实现的光子回收白炽照明器件PRILD具有更高的发光效率、更优的显色指数、更长的寿命、更低的碳排放等优点，是一种具有广阔的应用前景的低碳环保、绿色照明技术，对于我国建筑节能与未来碳达峰碳中和战略目标的实现有着积极的影响。
上海交通大学材料科学与工程学院崔可航副教授为本文通讯作者，博士研究生张恒为本文的第一作者。该研究得到了上海交通大学科研启动经费、上海市扬帆计划（21YF1419700）以及上海市浦江人才计划（19PJ1404600）的资助，并得到了上海交通大学致远创新研究中心、中科院上海硅酸盐研究所、武汉大学等合作单位的大力支持。
论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adf3737
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