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太阳能电池赋予“半导体绿色照明”新的内涵

2007-11-20 10:04
小鱼时代
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摘要:硅晶体太阳能电池和LED一样,它也是由PN结组成,由它们共同组成的照明系统应该是更加有意义的“半导体绿色照明”。本文提出,半导体绿色照明应该是整个半导体产业的任务。站在这样一个新的高度来审视未来人类真正的绿色照明系统,它应该是:太阳能电池——发光二极管,即PN结——PN结的半导体绿色照明系统。它具有目前世界上任何照明系统所不能比拟的优点:清洁,没有任何污染,高效率和长寿命。
           
关键词: PN结    太阳电池    LED    OLED
           
1目前人们对半导体绿色照明的理解
              
近年来,由于LED技术的突飞猛进的发展和世界性能源的紧张,“半导体绿色照明”的概念被越来越多的人接受。2004年,国家半导体照明工程协调领导小组宣告成立,科技部会同信息产业部、建设部、教育部、中国轻工业联合会、中科院等开始共同启动半导体照明工程。

在国际上,通用电气、飞利浦、欧司朗纷纷与半导体公司结合,建立半导体照明公司。美国《激光世界》曾撰文称:到2025年白光LED将占照明灯具市场的25%以上份额。业内人士预计2005-2010年全球LED照明市场规模将逾10亿美元。国外也有报道称:5年后半导体灯替代20%的白炽灯。这个估计可能比较乐观,但揭示了半导体灯未来的应用前景和增长潜力。据统计:若台湾地区25%的白炽灯和全部日光灯被白光LED取代,每年可节省110亿度电力,相当于一座核电站的供电能力。由于照明消耗占整个电力消耗的20%,全球每年使用这种光源所节省的电能达1000亿美元,因此大力发展白光LED技术将是保护环境和节省能源的一个有效途径。在未来二十年内使用固态照明有减低全球用于照明的用电量50%,及节省全球电力总消耗量10%[1]。

“半导体绿色照明”就是LED照明,这就是目前人们对“半导体绿色照明”的理解。
           
2  太阳电池和LED一样,都是半导体器件
              
近年来,和LED技术同时得到突飞猛进发展的还有太阳电池技术,尽管太阳电池的种类有许多,但是在整个光伏发电领域由于晶体硅太阳电池相对优越的使用寿命、转换效率等性能,起主导地位的是晶体硅太阳电池,目前人们所讲的太阳电池,基本上就是硅晶体太阳电池。
              
硅晶体太阳能电池是另一种半导体器件,和LED一样,它也是由PN结组成,它是一个面积比LED大几千倍甚至上万倍的PN结。它的寿命可以达到25年以上,原材料来源丰富,可靠性高,工作无噪声。太阳能作电池作为取自太阳能的绿色能源,是一种半导体器件。它结构简单,寿命长,是取之不尽,用之不竭的能源,是本世纪最有前途的能源。目前由于太阳能电池价格过高,或者由于太阳能电池效率低,单位面积的功率小,没有合适的位置安放太阳能电池,这些问题那时可能得到解决。和LED技术一样,太阳电池的发展目前也遇到了一些暂时的技术难题。回顾人类1954年制造出现代硅太阳能电池,1958年应用在宇宙飞船上,60年代初空间太阳能电池的设计已经成熟。以后十多年,太阳能电池主要应用在空间。70年代太阳能电池的转换效率已经有了明显提高,到70年代末,由于制造成本下降,地面应用太阳能电池数量已经超过空间应用数量。80年代至今,晶体硅太阳能电池的效率从18%增加到25%,这就是说,未来人类主要电力来源于太阳能电池是完全可能的。
           
3   真正的半导体绿色照明
              
据估计,10年以后的今天,我们用于照明电力的一半以上可能来于太阳能。在人类的发电技术中,太阳能光伏发电是真正没有任何污染而可以给我们提供电能的技术。大家知道,太阳能电池是一个巨大的PN结,它把太阳能转换为电能。LED是另一个可以将电能转换为光线的PN结,它的转换效率一天一天在提高,据说不久就可以达到节能灯的水平,而使用寿命可以达到10万小时以上,这种从PN结——PN结的照明是真正意义上的绿色照明。[2]
              

太阳电池的普及和LED照明技术的进步使人们可以站在另一个高度来审视什么是未来人类真正的绿色照明。未来最前途的绿色照明系统应该是:太阳能电池——发光二极管,即PN结——PN结的半导体绿色照明系统。它具有目前世界上任何照明系统所不能比拟的优点:清洁,没有任何污染,高效率和长寿命。它们的组合方式应该有独立半导体绿色照明系统和并网半导体绿色照明系统两种:[3]
              
3.1 独立半导体绿色照明系统
              
它的特点是系统可以脱离电网独立运行,典型的例子是目前流行的太阳能路灯,太阳能草坪灯,户用太阳能照明系统,它的结构方框图如图1所示: 


                                            图1 独立半导体绿色照明系统
              
3.2 并网半导体绿色照明系统
              
这是一种最经济实用的太阳能光伏发电系统。太阳电池的电能通过DC/AC三相同步逆变器送到电网中,当LED照明需要用电时从电网中取电,由于这个系统不需要蓄电池,所以效率高(蓄电池的充电放电效率在80%左右),并且没有蓄电池造成环境污染的后顾之忧。目前世界上生产的太阳电池的一半以上已经用于并网发电系统中。在太阳电池发电应用先进的国家,如德国、日本等,太阳能并网发电已经基本普及。在这种情况下,LED照明已经是并网的半导体绿色照明系统,只不过人们还没有站在太阳电池发电的角度来关注这个问题罢了。它的结构方框图如图2所示:

 
                                  图2 并网半导体绿色照明系统
           
4 半导体绿色照明的“昨天、今天和明天”
              
太阳电池进入实用阶段不久,太阳电池就被应用在照明领域。在我国,早在70年代初太阳电池就被使用在航标灯上。紧接着,为了解决无电源地区的照明问题,太阳能照明灯就越来越多的出现。当然,那个时代由于半导体光源LED还没有普及,太阳能照明灯的光源部分采用的是白炽灯和荧光灯,但是这个阶段为今天的半导体绿色照明做了积极的技术准备。

进入90 年代,半导体绿色照明进入了真正的快速发展时期。大量的太阳能电池和LED组合而成的交通信号灯被广泛的使用;太阳能电池和LED组合而成的各种照明灯具也出现了。这里特别要提一下的是这个领域的一个成功典型——太阳能草坪灯,太阳能草坪灯是我国太阳能电池和LED应用领域的一个不可忽视的重要分支。
              
2004年的出口数量已经超过一亿盏,太阳能电池的消耗数量20MW左右,LED的消耗量在1-2亿只,这些数量的太阳电池和LED组成的半导体照明系统无论是太阳能照明还是LED照明都是目前我国生产的数量最大的。1.2V的小型蓄电池的消耗也将超过一亿只,这绝对是一个让人心动的统计数据。它的生产主要分布在广东、福建、浙江沿海一带,它是由0.2-0.3W的太阳电池和1-2只LED组成,它们之间由一个控制和升压起来电路连接,电路机构虽然比较简单,但是它给半导体照明许多启示,提出了系统中需要研究解决的问题:

              1)适合为LED 供电的高效率太阳能电池研究。
              2)太阳能电池和LED半导体照明系统中微功耗控制器,高效率逆变器研究,并网发电技术研究。
              3)太阳能和LED半导体照明系统中高效率,长寿命蓄电技术研究。
              4)高效率LED及其照明灯具研究。
              5)太阳电池和LED之间的阻抗匹配研究。
              
除此以外,无锡尚德太阳能电力公司还开发了专用的半导体照明控制芯片,并且在此基础上设计和制造了一体化半导体照明模块,它的结构照片是图3,从照片上可以看到,它的正面是太阳电池,背面是采用“软封装”的专用的半导体照明控制芯片和LED,它特别适合所以在太阳能草坪灯上,同时也适合于照明,目前它已经出口印度尼西亚地震灾区,供灾民照明使用。


              
                                              图3 一体化半导体照明模块
              
2005年10月,在第15届国际光伏科学与工程大会上,夏普公司展出了他们设计的背面安装了LED的太阳电池玻璃幕墙,这种新型的太阳电池和LED共同组成的玻璃幕墙在大会上引起了大家的关注,它的结构照片是图4。


                                                   图4 太阳电池玻璃幕墙
              
从目前的技术上看,太阳电池的普及瓶颈主要是价格比较高。LED存在的技术问题还要多一些,目前商品化的白光LED的效率在20-30Lm/W,和节能灯、钠灯比,还相差很远;另外它的显色性不好,使用寿命虽然比其他光源长,但离10万小时的寿命还相差很远。LED目前成功应用在各种信号灯、显示屏和装饰性景观照明上,对于真正意义上的照明还有一段路要走。

OLED(有机LED)技术也可能给半导体照明一个更有前途的发展空间,我们可以在一个面做上硅晶体薄膜太阳电池,另个面做上OLED薄膜,这样的太阳电池和LED组成的照明系统无论从制造工艺上还是从价格上看都会有巨大的进步。

太阳能电池正在以出乎人们预料的惊人速度发展。根据科学家的保守估计,在未来的10年里,太阳能电池的平均转换效率要达到20%以上,而价格要下降一半,这就是说,10年以后的今天,我们用于照明电力的一半可能来于太阳能,达到从PN结到PN结真正的绿色照明。大家知道,太阳能电池是一个巨大的PN结,它把太阳能转换为电能。LED是另一个可以将电能转换为光线的PN结,它的转换效率一天一天在提高,据说不久就可以达到节能灯的水平,而使用寿命可以达到10万小时以上,这是真正意义上的的绿色照明。
           
5  探讨从“PN结——PN结”半导体绿色照明新概念的意义
              
5.1半导体绿色照明的概念可以扩展到能源的获取
              
通过以上的分析我们可以认为目前人们对半导体绿色照明的理解是停留在LED照明上的狭义半导体绿色照明,由于太阳电池——这个极具有发展潜力的半导体新能源的出现,我们完全有理由从系统上去审视半导体绿色照明:它应该是由半导体发电,由半导体控制电路和半导体LED光源组成的一个没有任何污染的、人类最理想的照明系统。我们也可以称之为广义半导体绿色照明。
              
5.2在两个“PN结”中间还应该有无数个“PN结”
              
太阳电池到LED之间需要比较复杂、甚至非常复杂的控制电路进行连接的,它们完全是由半导体器件完成,也就是无数个“PN结来完成。在独立半导体绿色照明系统中,需要对蓄电池进行充电、放电控制;为了满足LED低电压、恒电流的工作特性,还要对电源进行高效率的电压,电流变换以及许多如自动开关方面的控制。对于并网半导体绿色照明系统,DC/AC三相同步逆变器、太阳电池最大工作点跟踪(MPPT)装置、以及为了满足LED低电压、恒电流的工作特性,对电源进行高效率的电压,电流变换以及许多如自动开关方面的控制也上是必不可少的。所以我们说,在太阳电池和LED两个“PN结”中间还应该有无数个“PN结”,它们组成了真正的半导体绿色照明。
              
5.3半导体绿色照明是整个半导体产业的任务
              
半导体绿色照明不仅仅是LED研发、生产部门的任务。它应该是硅材料、太阳电池制造、太阳电池组件制造、集成电路的设计和制造、半导体功率器件制造和LED研发、生产部门的共同任务。尤其是系统中需要专用集成电路的设计是非常重要的,并且是十分迫切的,使用通用标准集成电路来制造半导体绿色照明灯具无论从节能上还是价格上都不能满足市场的需要。
           
参考文献
[1]庚晋   高亮度发光二极管照亮人类未来 。《光源与照明》2003年4期
[2]胡辉等  半导体照明的开发与应用。《光源与照明》2005年2期

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