设计太阳能半导体照明系统的一些要点

　　近年来，全球能源危机日益加剧，常规能源已经无法满足世界经济发展的需求，太阳能作为一种重要的可再生绿色能源受到世界各国的青睐。太阳能半导体照明系统集成了半导体和太阳能资源的优势，有效提高了照明效率和绿色节能性，在实际应用中应加大对太阳能半导体照明系统的分析研究，充分发挥太阳能半导体照明系统优势。

　　太阳能半导体器件特性概述

　　太阳能半导体主要由光学系统、电极、PN 结芯片等组成，晶片发光体面积约0.025 平方毫米，整个发光过程经历三个阶段：在正向偏压条件下注入载流子；光能传输；复合辐射。在环氧树脂物中封装半导体晶片，电子流过晶片时，带正电的电子和带负电的电子在空穴区域复合，空穴和电子消失产生光子，光子能量与空穴、电子之间的带隙成正比，光颜色和光子能量相对应，根据可见光频谱分析，红色光和桔色光的光能量最少，紫色光和蓝色光的光能量最多。

　　随着封装技术、材料技术的快速发展，绿色LED 光效约50lm/W，橙色和红色LED 光效100lm/W，LED 的全色化、超高亮度和高效化特点，其应用范围越来越广泛，特别是在户外照明系统中应用效果较好。LED 在色度方面实现了所有的可见光，尤其是超高亮度白光LED 的涌现，推动了照明光源的快速发展。

　　一般情况下，光强1cd 是高亮度LED 和普通LED 的分界点，GalnAs、AIlnGaP 和A1GaAs 材料主要用于加工高亮度LED，其中高亮度红光LED 采用A1GaAs 材料，高亮度黄绿、黄、橙和红LED 采用AIlnGaP，高亮度紫、蓝和深绿LED 采用GalnAs。

　　LED 半导体的发光效率较高，卤钨灯、白炽灯的光效为12~20 流明/ 瓦，高压钠90~130 流明/ 瓦，荧光灯50~60 流明/ 瓦，并且光谱窄、单色性好，不需要经过过滤就可发出有色可见光。同时，LED 是一种全固体发光体，耐冲击、耐震不容易破碎，无污染，可开发为小型轻薄的照明产品，方便维护检修和安装。并且LED 光源的启动时间较短，气体放电光源的特性在很大程度上决定了启动时间，这种采用环氧封装的半导体光源，内部不含有灯丝、玻璃等容易损坏的元器件，可经得起冲击和震动。

　　太阳能半导体照明系统设计

　　（1）系统组成

　　太阳能半导体照明系统由半导体照明负载、控制器、蓄电池和太阳能电池等组成，在基本结构框架中设置备用电源，通过备用电源，即使长时间连续下雨，半导体照明负载由备用电源也可以持续进行供电，确保在蓄电池不能及时供电时太阳能半导体照明系统也能安全、稳定运行。

　　太阳能半导体照明系统运行时，太阳辐射能通过太阳能电池转换为电能，太阳辐射强度和温度对于太阳能电池输出功率有着直接的影响，当辐射强度较弱、温度偏低时，电池输出功率无法始终保持稳定性，因此必须在太阳辐射强度较大的时间段通过蓄电池及时存储电能，便于在照明系统运行过程中可靠、稳定地向半导体照明系统供电。

　　控制器是太阳能半导体照明系统的核心，通过控制器科学管理蓄电池充放电过程，有效控制照明系统工作状态，使太阳能半导体照明系统在不同工作状态下平稳运行。

　　（2）转换过程

　　半导体材料是太阳能电池的重要结构材料，其最重要的特性就是光伏效应，P-N 结太阳能半导体等效电路图，如图所示，半导体接收太阳能辐射后发生光伏效应，经过以下三个转换阶段。

　　1）产生电子对。半导体在绝对零度状态下，其内部形成介电子带，导带上不含有电子，正常状态下，半导体可看作是绝缘体，不显示导电性。当太阳能辐射到半导体时，禁带宽度比光子能量小很多，半导体会快速吸收这种光，若半导体晶格对太阳能辐射量吸收较多，这时可脱离电子对半导体晶格的约束，产生大量自由电子，形成空穴。因此为了使半导体晶格约束电子转换为大量自由电子，半导体禁带宽度应小于光子能量，例如，硅禁带宽度为1.15ev，半导体禁带宽度和入射光能保持一致的条件下，光吸收效率较高，可产生大量空穴—电子对，然而当比携带能量大的光子射入半导体时，由于一部分光子被半导体晶格吸收，会损失一部分能量，造成发光效率下降；

　　2）空穴—电子对分离。当太阳能半导体照明系统周围没有电场时，半导体中均匀的分布着大量光激发的空穴—电子对，由于外电路没有电流流过，需要利用某种方式在太阳能半导体中产生势垒，确保激发的空穴 —电子对分开，持续的向照明系统外电路进行供电。通常情况下，P-N 结主要用于实现这种势垒，P-N 结对于空穴—电子分离发挥的作用是有限的，若没有设置外部电路，分离后的电子聚集在P、N 两层中，P-N 结正向，逐渐朝着电位势垒降低方向发生偏转，分离停止后，恢复到正常状态。P-N 结之间电压称为开路电压，照射光量和短路电流成正比；

　　3）载流子移动。空穴—电子对在光能辐射条件下不一定全部分离开来，分离数目和产生数目的比值称为收集效率，在电荷浓度梯度和电场偏移效应作用下发生移动。通常情况下，载流子具有自动恢复平衡状态的倾向，若过剩载流子寿命比P-N 结电子移动时间短，P-N 结位置和过剩载流子寿命对于收集效率有着决定性影响，空穴移动到P 层，电子移动到N 层，正电荷和负电荷分别集中在半导体梁，使用导线连接这两端，可产生电流。

　　结束语

　　近年来，太阳能半导体照明系统快速发展，被广泛的应用在各个照明领域，结合太阳能半导体器件应用特性，在未来发展过程中进一步优化和完善半导体照明系统，不断提高其发光效率。