编者按： 习近平总书记指出：“科技创新、科学普及是实现创新发展的两翼，要把科学普及放在与科技创新同等重要的位置。没有全民科学素质普遍提高，就难以建立起宏大的高素质创新大军，难以实现科技成果快速转化。”中国照明学会高度重视科普工作，深入贯彻落实《关于新时代进一步加强科学技术普及工作的意见》《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》，按照中国科协科普工作有关要求，持续加强学会科普能力建设。 为普及照明知识，弘扬科学精神，推动学术资源科普化和科技成果快速转化，助力营造热爱科学、崇尚创新的社会氛围，中国照明学会决定在学会官网(www.cies.ac.cn)和微信公众号(CIES1987)开设“科普专栏”，向社会提供科学、权威、专业的照明科普内容，打造具有知识性、专业性和服务性的科普平台。 中国照明学会科普专栏以“弘扬科学精神，激发创新活力”为理念，将涵盖照明领域前沿科技、健康生活、实用技术、趣味知识和相关资讯等内容。热烈欢迎照明领域科学家、企业家、设计师和广大科技工作者积极参与科普工作，为“科普专栏”提供照明科普作品。作品请发送至学会邮箱：cies19870601@163.com。投稿过程中若有疑问，可联系中国照明学会秘书处（联系人：朱思贤，电话：010-65812194）。 中国照明学会科普专栏第16期邀请东莞市立德达光电科技有限公司副总经理、研发中心资深专家康玉柱高级工程师撰写了题为《植物照明红光效率极限约为蓝光1.5倍》的科普文章。康玉柱高级工程师从事LED行业20多年，发表学术论文15篇，申请发明专利6项，出版《LED调光技术及应用》和《LED器件选型与评价》著作2部。
植物照明红光效率极限约为蓝光1.5倍
关键词：植物照明；光合光子效率；PPE；电光转换效率；波长效应；理论极限
引言
在设施农业、垂直农业快速发展背景下，LED植物照明成为人工补光的主流技术。与通用照明用光通量、光效不同，植物照明以光合有效辐射（Photosynthetically Active Radiation, PAR）为计量区间，核心评价指标为光合光子通量（Photosynthetic Photon Flux, PPF）与光合光子效率（Photosynthetic Photon Efficacy, PPE）。
PPF表征单位时间内PAR波段的光子数量，PPE表征单位电能产出的光合光子数，即PPF/W，是植物灯最核心的性能参数。行业内普遍发现红光植物灯的光子效率显著高于蓝光，本文通过严谨物理推导，证明红光PPE理论极限约为蓝光的1.5倍，并解析其底层物理逻辑。
本文依据国家标准GB/T 32655—2016，基于普朗克光子理论，完整推导单色光PPE计算公式，定量对比蓝、红光理论与实际性能。
1基础定义与物理常量
1.1核心参数定义
1）光合有效辐射（PAR）：高等植物光合作用可利用的波长区间，400~700 nm，区别于人眼可见光380~780 nm；
2）光合光子通量（PPF）：PAR波段内单位时间的光子总数，单位μmol/s；
3）电光转换效率（Wall‑Plug Efficiency, WPE）：电能转换为光辐射功率的比例，无量纲，以百分比表示；
1.2基础物理常量
2单色光PPE公式完整推导
2.1单个光子能量
根据普朗克光子能量公式，波长为λ0的单色光，单个光子能量E0（单位J）：
式中：ν为光的频率（单位Hz），λ0为波长（单位nm）。
2.2光合光子通量积分通式
对于光谱分布为P(λ)（单位W/nm）的光源，光合光子通量（PPF）在PAR波段积分可得：
照明领域光的波长λ通常以nm为单位，且光子数单位采用μmol，从而由于单位换算，使得积分号前有一个系数10-3。
2.3单色光PPF公式
单色光情况（波长为λ0
，将其代入式（2）化简得到单色光PPF：
为简化表达式，在不致混淆的情况下，将单色光波长λ0替换为λ。
2.4推导PPE核心公式
将单色光PPF表达式式（3）代入核心参数定义，消去电功率P，并代入常量化简：
式中：波长λ，单位nm。
3红光与蓝光PPE极限对比
3.1理论极限计算（WPE=100%理想情况）
根据式（4），可分别计算蓝光和红光的PPE理论极限值如下：
·蓝光450 nm：
·红光660 nm：
红光理论极限÷蓝光理论极限=5.50÷3.75≈1.5，即红光PPE理论极限约为蓝光的1.5倍。
3.2实际器件性能对比
当前行业水平WPE可以做到90%以上，代入式（4）中，可分别计算蓝光和红光的PPE实际值如下：
·蓝光450 nm（WPE≈90%）：
与图1立德达450 nm蓝光实测值基本吻合。
图1 立德达450 nm蓝光WPE和PPE实测值
·红光660 nm（WPE≈96%）：
与图2立德达660nm红光实测值基本吻合。考虑到图2测试中的红光LED实际峰值波长为664.4 nm，如用该值计算则PPE为5.54 μmol/J，比实测值略大。因此红光计算值与实测值的误差较蓝光的会大一些，其原因是红光的光谱半峰宽比蓝光宽，蓝光更接近本文所述的单色光计算模型。
图2 立德达660 nm红光WPE和PPE实测值
3.3白光的PPE取决于蓝光
基于蓝光芯片+荧光粉构成的白光LED（Phosphor‑Converted Light‑Emitting Diode, PCLED），由于通常的荧光过程是单光子过程，光子数不会增多，因此白光的PPE不会高于蓝光的PPE，借此可以用白光的测试结果近似估算蓝光芯片的WPE。
图3 立德达4000 K白光WPE和PPE实测值
由图3可以看出，同样实现PPE大约3.4 μmol/J，白光的电光转换效率WPE只有大约74%，这是由于能量较高的光子转换成能量较低的光子会产生能量损失，称为斯托克斯效应，并且荧光粉不足100%的内量子效率也会产生一部分能量损失，这些能量损失一般都以热的形式释放。根据图3实测的PPE数据，将式（4）变形，可以估算其蓝光芯片的WPE如下：
图1和图3的测试数据，都是基于10颗2645芯片的5050封装，因此蓝光和白光的PPE测试结果很接近，能比较好地验证以上计算模型的正确性。
3.4物理本质解释
1），波长越长，单个光子能量越低，同等光功率下光子数量越多，因此PPE越高。
660 nm红光光子能量低于450 nm蓝光，相同电能可产生更多光合光子，因此红光天生具备更高的光子效率上限。白光LED由450 nm蓝光芯片激发荧光粉制备，荧光粉转换为单光子过程，且有一定的量子效率损失，光子总数不会增加，因此白光PPE与蓝光接近（同样的芯片和封装）。
已知光谱计算植物照明参数，可以获得如图4所示的可单机运行网页版计算工具。
图4 可单机运行网页版光谱参数计算工具
4结论
本文完整推导了单色光植物照明LED的光合光子效率PPE理论公式，核心结论如下：
1）PPE与波长成正比，波长越长，光子效率上限越高；
2）660 nm红光PPE理论极限为5.50 μmol/J，450 nm蓝光为3.75 μmol/J，红光极限约为蓝光的1.5倍；
3）当前行业电光转换效率下，红光实际PPE可达5.28 μmol/J，蓝光为3.39 μmol/J，与理论推导一致；
4）白光LED受蓝光芯片限制，PPE与蓝光接近，远低于红光。
该规律为高光效植物照明光源选型、红蓝光配比设计、器件研发提供了基本理论支撑，是植物照明领域基础的物理边界规律。
参考文献
[1] 康玉柱，杨恒，林太峰.LED器件选型与评价[M].北京：中国电力出版社，2021.
策划制作
作者丨康玉柱 东莞市立德达光电科技有限公司
审核丨中国照明学会学术工作委员会、中国照明学会专家工作委员会
出品丨中国照明学会
