太陽能LED照明系統(tǒng)設計分析

　　近年來，全球能源危機日益加劇，常規(guī)能源已經(jīng)無法滿足世界經(jīng)濟發(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。太陽能半導體照明系統(tǒng)集成了半導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，在實際應用中應加大對太陽能半導體照明系統(tǒng)的分析研究，充分發(fā)揮太陽能半導體照明系統(tǒng)優(yōu)勢。

　　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(tǒng)、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；復合輻射。在環(huán)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(qū)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(jù)可見光頻譜分析，紅色光和桔色光的光能量最少，紫色光和藍色光的光能量最多。

　　隨著封裝技術、材料技術的快速發(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，其應用范圍越來越廣泛，特別是在戶外照明系統(tǒng)中應用效果較好。LED在色度方面實現(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(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。

　　太陽能半導體照明系統(tǒng)設計

　?。?）系統(tǒng)組成

　　太陽能半導體照明系統(tǒng)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(xù)下雨，半導體照明負載由備用電源也可以持續(xù)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(tǒng)也能安全、穩(wěn)定運行。

　　太陽能半導體照明系統(tǒng)運行時，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(wěn)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(tǒng)運行過程中可靠、穩(wěn)定地向半導體照明系統(tǒng)供電。

　　控制器是太陽能半導體照明系統(tǒng)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(tǒng)工作狀態(tài)，使太陽能半導體照明系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下平穩(wěn)運行。

　?。?）轉(zhuǎn)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，如圖所示，半導體接收太陽能輻射后發(fā)生光伏效應，經(jīng)過以下三個轉(zhuǎn)換階段。

　　1）產(chǎn)生電子對。半導體在絕對零度狀態(tài)下，其內(nèi)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(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(zhuǎn)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，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(fā)光效率下降；

　　2）空穴—電子對分離。當太陽能半導體照明系統(tǒng)周圍沒有電場時，半導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)外電路進行供電。通常情況下，P-N結主要用于實現(xiàn)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(fā)生偏轉(zhuǎn)，分離停止后，恢復到正常狀態(tài)。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?？昭?mdash;電子對在光能輻射條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作用下發(fā)生移動。通常情況下，載流子具有自動恢復平衡狀態(tài)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(chǎn)生電流。

　　結束語

　　近年來，太陽能半導體照明系統(tǒng)快速發(fā)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(fā)展過程中進一步優(yōu)化和完善半導體照明系統(tǒng)，不斷提高其發(fā)光效率。