針對太陽能半導體照明系統的闡述

摘 要：太陽能資源清潔無污染，并且取之不盡用之不竭，通過運用太陽能能源，可節省大量的不可再生能源，對于保護自然生態環境有著非常重要的現實意義。太陽能半導體照明系統將半導體照明系統和太陽能光伏發電技術有效結合起來，極大地提高了照明效率，因此應積極優化和完善太陽能半導體照明系統。本文簡要介紹了太陽能半導體器件特性，分析了太陽能半導體照明系統設計，以供參考。

關鍵詞：太陽能；半導體；照明系統

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

近年來，全球能源危機日益加劇，常規能源已經無法滿足世界經濟發展的需求，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。太陽能半導體照明系統集成了半導體和太陽能資源的優勢，有效提高了照明效率和綠色節能性，在實際應用中應加大對太陽能半導體照明系統的分析研究，充分發揮太陽能半導體照明系統優勢。

1 太陽能半導體器件特性概述

太陽能半導體主要由光學系統、電極、PN結芯片等組成，晶片發光體面積約0.025平方毫米，整個發光過程經歷三個階段：在正向偏壓條件下注入載流子；光能傳輸；復合輻射。在環氧樹脂物中封裝半導體晶片，電子流過晶片時，帶正電的電子和帶負電的電子在空穴區域復合，空穴和電子消失產生光子，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，根據可見光頻譜分析，紅色光和桔色光的光能量最少，紫色光和藍色光的光能量最多。隨著封裝技術、材料技術的快速發展，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，其應用范圍越來越廣泛，特別是在戶外照明系統中應用效果較好。LED在色度方面實現了所有的可見光，尤其是超高亮度白光LED的涌現，推動了照明光源的快速發展。一般情況下，光強1cd是高亮度LED和普通LED的分界點，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、藍和深綠LED采用GalnAs。

LED半導體的發光效率較高，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，不需要經過過濾就可發出有色可見光。同時，LED是一種全固體發光體，耐沖擊、耐震不容易破碎，無污染，可開發為小型輕薄的照明產品，方便維護檢修和安裝。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，這種采用環氧封裝的半導體光源，內部不含有燈絲、玻璃等容易損壞的元器件，可經得起沖擊和震動。

2 太陽能半導體照明系統設計

（1）系統組成。太陽能半導體照明系統由半導體照明負載、控制器、蓄電池和太陽能電池等組成，在基本結構框架中設置備用電源，通過備用電源，即使長時間連續下雨，半導體照明負載由備用電源也可以持續進行供電，確保在蓄電池不能及時供電時太陽能半導體照明系統也能安全、穩定運行。太陽能半導體照明系統運行時，太陽輻射能通過太陽能電池轉換為電能，太陽輻射強度和溫度對于太陽能電池輸出功率有著直接的影響，當輻射強度較弱、溫度偏低時，電池輸出功率無法始終保持穩定性，因此必須在太陽輻射強度較大的時間段通過蓄電池及時存儲電能，便于在照明系統運行過程中可靠、穩定地向半導體照明系統供電?？刂破魇翘柲馨雽w照明系統的核心，通過控制器科學管理蓄電池充放電過程，有效控制照明系統工作狀態，使太陽能半導體照明系統在不同工作狀態下平穩運行。

（2）轉換過程。半導體材料是太陽能電池的重要結構材料，其最重要的特性就是光伏效應，P-N結太陽能半導體等效電路圖，如圖1所示，半導體接收太陽能輻射后發生光伏效應，經過以下三個轉換階段。1）產生電子對。半導體在絕對零度狀態下，其內部形成介電子帶，導帶上不含有電子，正常狀態下，半導體可看作是絕緣體，不顯示導電性。當太陽能輻射到半導體時，禁帶寬度比光子能量小很多，半導體會快速吸收這種光，若半導體晶格對太陽能輻射量吸收較多，這時可脫離電子對半導體晶格的約束，產生大量自由電子，形成空穴。因此為了使半導體晶格約束電子轉換為大量自由電子，半導體禁帶寬度應小于光子能量，例如，硅禁帶寬度為1.15ev，半導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，可產生大量空穴—電子對，然而當比攜帶能量大的光子射入半導體時，由于一部分光子被半導體晶格吸收，會損失一部分能量，造成發光效率下降；2）空穴—電子對分離。當太陽能半導體照明系統周圍沒有電場時，半導體中均勻的分布著大量光激發的空穴—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體中產生勢壘，確保激發的空穴—電子對分開，持續的向照明系統外電路進行供電。通常情況下，P-N結主要用于實現這種勢壘，P-N結對于空穴—電子分離發揮的作用是有限的，若沒有設置外部電路，分離后的電子聚集在P、N兩層中，P-N結正向，逐漸朝著電位勢壘降低方向發生偏轉，分離停止后，恢復到正常狀態。P-N結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。空穴—電子對在光能輻射條件下不一定全部分離開來，分離數目和產生數目的比值稱為收集效率，在電荷濃度梯度和電場偏移效應作用下發生移動。通常情況下，載流子具有自動恢復平衡狀態的傾向，若過剩載流子壽命比P-N結電子移動時間短，P-N結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，正電荷和負電荷分別集中在半導體梁，使用導線連接這兩端，可產生電流。

3 結束語

近年來，太陽能半導體照明系統快速發展，被廣泛的應用在各個照明領域，結合太陽能半導體器件應用特性，在未來發展過程中進一步優化和完善半導體照明系統，不斷提高其發光效率。

參考文獻：

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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。