太陽(yáng)能LED照明系統設計分析

　　近年來(lái)，全球能源危機日益加劇，常規能源已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足世界經(jīng)濟發(fā)展的需求，太陽(yáng)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(yáng)能半導體照明系統集成了半導體和太陽(yáng)能資源的優(yōu)勢，有效提高了照明效率和綠色節能性，在實(shí)際應用中應加大對太陽(yáng)能半導體照明系統的分析研究，充分發(fā)揮太陽(yáng)能半導體照明系統優(yōu)勢。

　　太陽(yáng)能半導體器件特性概述

　　太陽(yáng)能半導體主要由光學(xué)系統、電極、PN結芯片等組成，晶片發(fā)光體面積約0.025平方毫米，整個(gè)發(fā)光過(guò)程經(jīng)歷三個(gè)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(huán)氧樹(shù)脂物中封裝半導體晶片，電子流過(guò)晶片時(shí)，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(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，根據可見(jiàn)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(zhù)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)，其應用范圍越來(lái)越廣泛，特別是在戶(hù)外照明系統中應用效果較好。LED在色度方面實(shí)現了所有的可見(jiàn)光，尤其是超高亮度白光LED的涌現，推動(dòng)了照明光源的快速發(fā)展。

　　一般情況下，光強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、藍和深綠LED采用GalnAs。

　　LED 半導體的發(fā)光效率較高，鹵鎢燈、白熾燈的光效為12~20流明/瓦，高壓鈉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(guò)過(guò)濾就可發(fā)出有色可見(jiàn)光。同時(shí)，LED是一種全固體發(fā)光體，耐沖擊、耐震不容易破碎，無(wú)污染，可開(kāi)發(fā)為小型輕薄的照明產(chǎn)品，方便維護檢修和安裝。并且LED光源的啟動(dòng)時(shí)間較短，氣體放電光源的特性在很大程度上決定了啟動(dòng)時(shí)間，這種采用環(huán)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(jīng)得起沖擊和震動(dòng)。

　　太陽(yáng)能半導體照明系統設計

　?。?）系統組成

　　太陽(yáng)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(yáng)能電池等組成，在基本結構框架中設置備用電源，通過(guò)備用電源，即使長(cháng)時(shí)間連續下雨，半導體照明負載由備用電源也可以持續進(jìn)行供電，確保在蓄電池不能及時(shí)供電時(shí)太陽(yáng)能半導體照明系統也能安全、穩定運行。

　　太陽(yáng)能半導體照明系統運行時(shí)，太陽(yáng)輻射能通過(guò)太陽(yáng)能電池轉換為電能，太陽(yáng)輻射強度和溫度對于太陽(yáng)能電池輸出功率有著(zhù)直接的影響，當輻射強度較弱、溫度偏低時(shí)，電池輸出功率無(wú)法始終保持穩定性，因此必須在太陽(yáng)輻射強度較大的時(shí)間段通過(guò)蓄電池及時(shí)存儲電能，便于在照明系統運行過(guò)程中可靠、穩定地向半導體照明系統供電。

　　控制器是太陽(yáng)能半導體照明系統的核心，通過(guò)控制器科學(xué)管理蓄電池充放電過(guò)程，有效控制照明系統工作狀態(tài)，使太陽(yáng)能半導體照明系統在不同工作狀態(tài)下平穩運行。

　?。?）轉換過(guò)程

　　半導體材料是太陽(yáng)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(yáng)能半導體等效電路圖，如圖所示，半導體接收太陽(yáng)能輻射后發(fā)生光伏效應，經(jīng)過(guò)以下三個(gè)轉換階段。

　　1）產(chǎn)生電子對。半導體在絕對零度狀態(tài)下，其內部形成介電子帶，導帶上不含有電子，正常狀態(tài)下，半導體可看作是絕緣體，不顯示導電性。當太陽(yáng)能輻射到半導體時(shí)，禁帶寬度比光子能量小很多，半導體會(huì )快速吸收這種光，若半導體晶格對太陽(yáng)能輻射量吸收較多，這時(shí)可脫離電子對半導體晶格的約束，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(chǎn)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(shí)，由于一部分光子被半導體晶格吸收，會(huì )損失一部分能量，造成發(fā)光效率下降；

　　2）空穴—電子對分離。當太陽(yáng)能半導體照明系統周?chē)鷽](méi)有電場(chǎng)時(shí)，半導體中均勻的分布著(zhù)大量光激發(fā)的空穴—電子對，由于外電路沒(méi)有電流流過(guò)，需要利用某種方式在太陽(yáng)能半導體中產(chǎn)生勢壘，確保激發(fā)的空穴 —電子對分開(kāi)，持續的向照明系統外電路進(jìn)行供電。通常情況下，P-N結主要用于實(shí)現這種勢壘，P-N結對于空穴—電子分離發(fā)揮的作用是有限的，若沒(méi)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(zhù)電位勢壘降低方向發(fā)生偏轉，分離停止后，恢復到正常狀態(tài)。P-N結之間電壓稱(chēng)為開(kāi)路電壓，照射光量和短路電流成正比；

　　3）載流子移動(dòng)?？昭?mdash;電子對在光能輻射條件下不一定全部分離開(kāi)來(lái)，分離數目和產(chǎn)生數目的比值稱(chēng)為收集效率，在電荷濃度梯度和電場(chǎng)偏移效應作用下發(fā)生移動(dòng)。通常情況下，載流子具有自動(dòng)恢復平衡狀態(tài)的傾向，若過(guò)剩載流子壽命比P-N結電子移動(dòng)時(shí)間短，P-N 結位置和過(guò)剩載流子壽命對于收集效率有著(zhù)決定性影響，空穴移動(dòng)到P層，電子移動(dòng)到N層，正電荷和負電荷分別集中在半導體梁，使用導線(xiàn)連接這兩端，可產(chǎn)生電流。

　　結束語(yǔ)

　　近年來(lái)，太陽(yáng)能半導體照明系統快速發(fā)展，被廣泛的應用在各個(gè)照明領(lǐng)域，結合太陽(yáng)能半導體器件應用特性，在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中進(jìn)一步優(yōu)化和完善半導體照明系統，不斷提高其發(fā)光效率。