針對太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的闡述

摘 要：太陽能資源清潔無污染，并且取之不盡用之不竭，通過運(yùn)用太陽能能源，可節(jié)省大量的不可再生能源，對于保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)將半導(dǎo)體照明系統(tǒng)和太陽能光伏發(fā)電技術(shù)有效結(jié)合起來，極大地提高了照明效率，因此應(yīng)積極優(yōu)化和完善太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)。本文簡要介紹了太陽能半導(dǎo)體器件特性，分析了太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能；半導(dǎo)體；照明系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.214

近年來，全球能源危機(jī)日益加劇，常規(guī)能源已經(jīng)無法滿足世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，太陽能作為一種重要的可再生綠色能源受到世界各國的青睞。太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)集成了半導(dǎo)體和太陽能資源的優(yōu)勢，有效提高了照明效率和綠色節(jié)能性，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)加大對太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的分析研究，充分發(fā)揮太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)優(yōu)勢。

1 太陽能半導(dǎo)體器件特性概述

太陽能半導(dǎo)體主要由光學(xué)系統(tǒng)、電極、PN結(jié)芯片等組成，晶片發(fā)光體面積約0.025平方毫米，整個發(fā)光過程經(jīng)歷三個階段：在正向偏壓條件下注入載流子；光能傳輸；復(fù)合輻射。在環(huán)氧樹脂物中封裝半導(dǎo)體晶片，電子流過晶片時，帶正電的電子和帶負(fù)電的電子在空穴區(qū)域復(fù)合，空穴和電子消失產(chǎn)生光子，光子能量與空穴、電子之間的帶隙成正比，光顏色和光子能量相對應(yīng)，根據(jù)可見光頻譜分析，紅色光和桔色光的光能量最少，紫色光和藍(lán)色光的光能量最多。隨著封裝技術(shù)、材料技術(shù)的快速發(fā)展，綠色LED光效約50lm/W，橙色和紅色LED光效100lm/W，LED的全色化、超高亮度和高效化特點(diǎn)，其應(yīng)用范圍越來越廣泛，特別是在戶外照明系統(tǒng)中應(yīng)用效果較好。LED在色度方面實(shí)現(xiàn)了所有的可見光，尤其是超高亮度白光LED的涌現(xiàn)，推動了照明光源的快速發(fā)展。一般情況下，光強(qiáng)1cd是高亮度LED和普通LED的分界點(diǎn)，GalnAs、AIlnGaP和A1GaAs材料主要用于加工高亮度LED，其中高亮度紅光LED采用A1GaAs材料，高亮度黃綠、黃、橙和紅LED采用AIlnGaP，高亮度紫、藍(lán)和深綠LED采用GalnAs。

LED半導(dǎo)體的發(fā)光效率較高，鹵鎢燈、白熾燈的光效為12～20流明/瓦，將講鈉90～130流明/瓦，熒光燈50～60流明/瓦，并且光譜窄、單色性好，不需要經(jīng)過過濾就可發(fā)出有色可見光。同時，LED是一種全固體發(fā)光體，耐沖擊、耐震不容易破碎，無污染，可開發(fā)為小型輕薄的照明產(chǎn)品，方便維護(hù)檢修和安裝。并且LED光源的啟動時間較短，氣體放電光源的特性在很大程度上決定了啟動時間，這種采用環(huán)氧封裝的半導(dǎo)體光源，內(nèi)部不含有燈絲、玻璃等容易損壞的元器件，可經(jīng)得起沖擊和震動。

2 太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)組成。太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)由半導(dǎo)體照明負(fù)載、控制器、蓄電池和太陽能電池等組成，在基本結(jié)構(gòu)框架中設(shè)置備用電源，通過備用電源，即使長時間連續(xù)下雨，半導(dǎo)體照明負(fù)載由備用電源也可以持續(xù)進(jìn)行供電，確保在蓄電池不能及時供電時太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)也能安全、穩(wěn)定運(yùn)行。太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)運(yùn)行時，太陽輻射能通過太陽能電池轉(zhuǎn)換為電能，太陽輻射強(qiáng)度和溫度對于太陽能電池輸出功率有著直接的影響，當(dāng)輻射強(qiáng)度較弱、溫度偏低時，電池輸出功率無法始終保持穩(wěn)定性，因此必須在太陽輻射強(qiáng)度較大的時間段通過蓄電池及時存儲電能，便于在照明系統(tǒng)運(yùn)行過程中可靠、穩(wěn)定地向半導(dǎo)體照明系統(tǒng)供電?？刂破魇翘柲馨雽?dǎo)體照明系統(tǒng)的核心，通過控制器科學(xué)管理蓄電池充放電過程，有效控制照明系統(tǒng)工作狀態(tài)，使太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行。

（2）轉(zhuǎn)換過程。半導(dǎo)體材料是太陽能電池的重要結(jié)構(gòu)材料，其最重要的特性就是光伏效應(yīng)，P-N結(jié)太陽能半導(dǎo)體等效電路圖，如圖1所示，半導(dǎo)體接收太陽能輻射后發(fā)生光伏效應(yīng)，經(jīng)過以下三個轉(zhuǎn)換階段。1）產(chǎn)生電子對。半導(dǎo)體在絕對零度狀態(tài)下，其內(nèi)部形成介電子帶，導(dǎo)帶上不含有電子，正常狀態(tài)下，半導(dǎo)體可看作是絕緣體，不顯示導(dǎo)電性。當(dāng)太陽能輻射到半導(dǎo)體時，禁帶寬度比光子能量小很多，半導(dǎo)體會快速吸收這種光，若半導(dǎo)體晶格對太陽能輻射量吸收較多，這時可脫離電子對半導(dǎo)體晶格的約束，產(chǎn)生大量自由電子，形成空穴。因此為了使半導(dǎo)體晶格約束電子轉(zhuǎn)換為大量自由電子，半導(dǎo)體禁帶寬度應(yīng)小于光子能量，例如，硅禁帶寬度為1.15ev，半導(dǎo)體禁帶寬度和入射光能保持一致的條件下，光吸收效率較高，可產(chǎn)生大量空穴—電子對，然而當(dāng)比攜帶能量大的光子射入半導(dǎo)體時，由于一部分光子被半導(dǎo)體晶格吸收，會損失一部分能量，造成發(fā)光效率下降；2）空穴—電子對分離。當(dāng)太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)周圍沒有電場時，半導(dǎo)體中均勻的分布著大量光激發(fā)的空穴—電子對，由于外電路沒有電流流過，需要利用某種方式在太陽能半導(dǎo)體中產(chǎn)生勢壘，確保激發(fā)的空穴—電子對分開，持續(xù)的向照明系統(tǒng)外電路進(jìn)行供電。通常情況下，P-N結(jié)主要用于實(shí)現(xiàn)這種勢壘，P-N結(jié)對于空穴—電子分離發(fā)揮的作用是有限的，若沒有設(shè)置外部電路，分離后的電子聚集在P、N兩層中，P-N結(jié)正向，逐漸朝著電位勢壘降低方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，分離停止后，恢復(fù)到正常狀態(tài)。P-N結(jié)之間電壓稱為開路電壓，照射光量和短路電流成正比；3）載流子移動?？昭ā娮訉υ诠饽茌椛錀l件下不一定全部分離開來，分離數(shù)目和產(chǎn)生數(shù)目的比值稱為收集效率，在電荷濃度梯度和電場偏移效應(yīng)作用下發(fā)生移動。通常情況下，載流子具有自動恢復(fù)平衡狀態(tài)的傾向，若過剩載流子壽命比P-N結(jié)電子移動時間短，P-N結(jié)位置和過剩載流子壽命對于收集效率有著決定性影響，空穴移動到P層，電子移動到N層，正電荷和負(fù)電荷分別集中在半導(dǎo)體梁，使用導(dǎo)線連接這兩端，可產(chǎn)生電流。

3 結(jié)束語

近年來，太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)快速發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用在各個照明領(lǐng)域，結(jié)合太陽能半導(dǎo)體器件應(yīng)用特性，在未來發(fā)展過程中進(jìn)一步優(yōu)化和完善半導(dǎo)體照明系統(tǒng)，不斷提高其發(fā)光效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫艷玲.太陽能LED照明系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].杭州電子科技大學(xué)，2013.

[2]李薇.太陽能LED照明系統(tǒng)的研究[D].北京工業(yè)大學(xué)，2012.

[3]徐鐵軍.太陽能LED照明系統(tǒng)優(yōu)化的應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)（河北），2008.

作者簡介：王琳（1985-），男，陜西西安人，本科，研究方向：太陽能級單晶硅。