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神秘的太阳能半导体照明系统

润景路灯2022-08-18 09:05:38


润景路灯核心提示: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。

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。

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