摘 要：太陽(yáng)電池是一種將光能轉(zhuǎn)為電能的半導(dǎo)體器件，發(fā)光二極管（也叫光發(fā)射二極管LED）是一種將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件，兩者的結(jié)構(gòu)和性能有著很多的相似之處，如將兩者結(jié)合在一起，研究開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能光電發(fā)光二極管照明系統(tǒng)，將有很好的發(fā)展前景。本文介紹了這兩種半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件的發(fā)展現(xiàn)狀，特性及研制太陽(yáng)能發(fā)光二極管照明系統(tǒng)所需要解決的一些技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題。 ● 發(fā)光體接近點(diǎn)光源，便于燈具設(shè)計(jì)
一、太陽(yáng)能電池和發(fā)光二極管發(fā)展現(xiàn)狀
太陽(yáng)能電池( Solar Cell ) 是一種可將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌雽?dǎo)體發(fā)電器件,由它制成的太陽(yáng)光電源屬可再生能源。太陽(yáng)能電池問(wèn)世于二十世紀(jì)五十年代中期,當(dāng)時(shí)的光電轉(zhuǎn)換效率低,造價(jià)又很高,只能在人造衛(wèi)星等特種場(chǎng)合下使用。經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的努力, 目前太陽(yáng)能電池、組件及其系統(tǒng)，在技術(shù)上已有了很大的進(jìn)步,正在發(fā)展成一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)從1980年至2002年，日、美、德三國(guó)分別投入15.75億歐元、12.28億歐元、7.01億歐元開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能光電技術(shù)，總數(shù)達(dá)35億歐元（333億元人民幣） 1987年至2002年，平均年增長(zhǎng)率為36%，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)1500MW。2002年，太陽(yáng)電池組件效率為15—17%，發(fā)電成本0.20—0.25美元/kWh。2002年世界總產(chǎn)量為559MW，相當(dāng)于35億美元，比2001提增長(zhǎng)了40%，其中多晶硅太陽(yáng)電池占51.6%，單晶硅太陽(yáng)電池占6.4%，非晶硅太陽(yáng)電池占6.4 % 。據(jù)報(bào)導(dǎo) BP solar公司一項(xiàng)已準(zhǔn)備應(yīng)用于批量生產(chǎn)新技術(shù)制造的太陽(yáng)電池轉(zhuǎn)效率已達(dá)18.3%。 預(yù)測(cè)到2010年，世界光電市場(chǎng)仍將以20—30%的速度增長(zhǎng)。
最近幾年，我國(guó)的太陽(yáng)能光電產(chǎn)業(yè)也有很大的發(fā)展。到2002年我國(guó)已建成6個(gè)具有一定規(guī)模的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)廠，年生產(chǎn)能力約為28MWP，其中晶體硅電池的年生產(chǎn)能力約為25MWP,非晶硅電池約為3MWP,；太陽(yáng)電池組件的年封裝能力約為31.5MWP，其中晶體硅電池約為28.5MWP，非晶硅電池約為3MWP；2002年年產(chǎn)量約為15.3MWP，光電系統(tǒng)年產(chǎn)值約為15億元。2002年初，太陽(yáng)電池組件價(jià)格平均為40元/W，下半年實(shí)施西部無(wú)電鄉(xiāng)通電工程后，平均價(jià)格降至32元/W，下降比例達(dá)30%，目前太陽(yáng)電池的價(jià)格已降到28～32元/Wp，進(jìn)口電池組件的價(jià)格下降幅度更大，從50元/W降至35/W。預(yù)測(cè)2010年前的中近期， 總裝機(jī)容量將以平均70MW/年的幅度發(fā)展，至2010年，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)555MW，累計(jì)總投資255.92億元。2010年至2020年期間，預(yù)計(jì)裝機(jī)容量將以平均100MW/年的幅度發(fā)展，至2020年，累計(jì)裝機(jī)容量將達(dá)到1600MW，累計(jì)總投資341.5億元。
發(fā)光二極管(LED－Light Emitting Diode)是一種可將電能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿陌雽?dǎo)體發(fā)光器件，屬于固體光源。LED問(wèn)世于二十世紀(jì)六十年代初期，當(dāng)時(shí)的LED以紅色為主，發(fā)光效率很低，光通量很小.，只能作指示燈和儀表顯示器使用。隨著管芯材料、器件結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)的不斷進(jìn)步，.顏色品種增多，光效大幅度提高，現(xiàn)在紅、橙色LED光效已經(jīng)可以達(dá)到100lm／W，綠色也可達(dá)到50lm／W。單個(gè)LED的光通量可達(dá)到幾十流明。尤其是近年高光效、高亮度的白光LED開(kāi)發(fā)成功，使得LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能?，F(xiàn)在，采用短波光（蘭光）LED激發(fā)熒光材料產(chǎn)生寬帶光譜形成白光的白光LED，通過(guò)改變熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的制造工藝，已可以獲得色溫為3500－10000K的連續(xù)光譜, 波長(zhǎng)分布范圍覆蓋420-750nm，就光色而言，已能初步滿足某些場(chǎng)合的照明要求。
自發(fā)明白熾燈以來(lái)的一百多年中，電光源照明已經(jīng)歷了三個(gè)重要的發(fā)展階段，這三個(gè)階段中的代表性光源分別為白熾燈、熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈?，F(xiàn)在人們普遍認(rèn)為L(zhǎng)ED將可望發(fā)展成第四代光源。
二、太陽(yáng)能電池和半導(dǎo)體發(fā)光二極管的特點(diǎn)
由于太陽(yáng)能電池和 LED都是半導(dǎo)體器件,都是通過(guò)PN結(jié)實(shí)現(xiàn)光電或電光轉(zhuǎn)換。他們有著許多共同點(diǎn)、而且是十分匹配的特點(diǎn):
( 1 ) 直流供電
太陽(yáng)能電池單體電壓為0.5V~1.2V。通過(guò)串、并聯(lián)可獲得各種直流電壓的供電電源; 而LED的驅(qū)動(dòng)也用直流電源，單管工作電壓一般為0.8V~3.8V之間,也可通過(guò)串、并聯(lián)使用,兩者非常相配, 可以省卻太陽(yáng)能光電照明系統(tǒng)中使用其它照明光源所必需的逆變器。這樣既可提高能源利用率, 又可節(jié)約成本, 還可改善系統(tǒng)可靠性。
( 2 )壽命長(zhǎng)
太陽(yáng)能電池使用壽命可以長(zhǎng)達(dá)20至30年,這是其它能源設(shè)備所不能比擬的,而現(xiàn)在常用的LED使用壽命可長(zhǎng)達(dá)十萬(wàn)小時(shí)，即使在惡劣的室外條件下工作，壽命也有五萬(wàn)小時(shí)以上，預(yù)計(jì)功率型LED的壽命也將達(dá)到數(shù)萬(wàn)小時(shí) 。因此，在一些維護(hù)和設(shè)備更換困難的場(chǎng)合，使用太陽(yáng)能電池和LED光源，可顯著降低安裝和使用的成本費(fèi)用。
（3 ）結(jié)構(gòu)牢固
太陽(yáng)能電池組件是用平板玻璃和高分子材料密封而成,有的直接用高分子材料封裝，整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件。LED是用有機(jī)高分子材料封裝的固體光源，其結(jié)構(gòu)中沒(méi)有玻璃泡、燈絲等易損壞的部件，是一種全固體結(jié)構(gòu)，因此能經(jīng)受震動(dòng)、沖擊，結(jié)構(gòu)牢固。
( 4 ) 能效高、不引起環(huán)境污染
太陽(yáng)能光電利用是眾所周知的“綠色能源”,是當(dāng)前所有能源中發(fā)展度最快的能源。 LED的能耗較小，隨著技術(shù)的進(jìn)步，他將成為一種新型的節(jié)能照明光源。目前白光LED的光效已經(jīng)達(dá)到25lm／W，超過(guò)了普通白熾燈的水平。有人按現(xiàn)在LED的技術(shù)發(fā)展速度預(yù)測(cè)，到2005年，白光LED的光效可以達(dá)到50 lm／W， 20l0－2015年，白光LED的光效有可能達(dá)到150-200 lm／W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了現(xiàn)在所有照明光源的光效。此外，現(xiàn)在廣泛使用的熒光燈、汞燈等光源中含有危害人體健康的汞，這些光源的生產(chǎn)過(guò)程和廢棄的燈管都會(huì)造成對(duì)環(huán)境的污染。LED沒(méi)有這些問(wèn)題，因此它又是一種 “清潔”的光源。
除此之外, LED作為照明用光源還有一些其它優(yōu)點(diǎn),例如:
LED的發(fā)光體芯片尺寸很小，在進(jìn)行燈具設(shè)計(jì)時(shí)基本上可以把它看作點(diǎn)光源，可按點(diǎn)光源光通量分布模型計(jì)算，比較簡(jiǎn)單。
● 可制成小型或薄型燈具，安裝靈活
傳統(tǒng)的照明光源向空間光強(qiáng)分布范圍很寬，為了提高光能的利用效率，通常要用曲面反射器集聚光束，燈具的體積相對(duì)較大。而LED發(fā)光的方向性很強(qiáng)，很多情況下只需用透鏡將其發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直、偏折，可以做成小型或薄型燈具，適合于燈具安裝空間有限的場(chǎng)合使用。
● 發(fā)光響應(yīng)時(shí)間快
LED的響應(yīng)時(shí)間只有幾十納秒，遠(yuǎn)快于白熾燈、氣休放電燈等光源，因此在一些需要快速響應(yīng)照明的情況下，應(yīng)用LED作為光源是很合適的。
三、研究開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
LED是一種符合綠色照明要求的光源，它與“綠色能源”太陽(yáng)能電池結(jié)合使用，將可制成各類組合式燈具，形成一種非常典型的“綠色照明”系統(tǒng)。
由太陽(yáng)能供電的LED指示、顯示和照明裝置，開(kāi)發(fā)最早也是目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)最多的是太陽(yáng)能草坪燈和庭院燈，主要生產(chǎn)基地在廣東、浙江一帶，累計(jì)產(chǎn)量達(dá)十兆瓦以上，極大部分產(chǎn)品外銷; 其次是黃色交通信號(hào)燈，在江浙一帶的公路上和街道上已大量使用，產(chǎn)值在幾千萬(wàn)元以上。它的使用對(duì)加強(qiáng)交通管理，減少交通事故已起到顯著作用。此外，用作鐵路信號(hào)燈、建筑物航空障礙燈、樓道燈、機(jī)場(chǎng)航標(biāo)燈和輪船航標(biāo)燈、道路指示燈以及廣告燈箱等方面的太陽(yáng)能ELD照明燈具均在開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中。最近有報(bào)導(dǎo)，在清華大學(xué)（珠海）科技園已建成了一項(xiàng)具有實(shí)用照明意義的太陽(yáng)能路燈工程。它由41支LED燈與39只草坪燈組成。每個(gè)LED燈又由120只超高亮度白色LED組成，總功率為6.5W，燈高4.1米。每個(gè)路燈電源由15W太陽(yáng)電池板，一只12V 34Ah免維護(hù)鉛酸蓄電池和一臺(tái)6A控制器組成。路燈亮度相當(dāng)于25W白熾燈，可保持連續(xù)5個(gè)陰雨天工作。
太陽(yáng)能LED照明目前還只能用于一些特殊場(chǎng)合，如要普遍使用這類照明系統(tǒng)，尚有一些技術(shù)上的問(wèn)題需要研究解決：廣泛使用的照明光源應(yīng)該是白光LED，而目前國(guó)內(nèi)外已研制成的白光LED光效還不夠高，功率也欠大，價(jià)格較貴。白光LED要能夠作為普通光源而廣泛應(yīng)用，其發(fā)展目標(biāo)是單個(gè)LED的功率能達(dá)到10W，發(fā)光效率達(dá)到100 lm／W，并且價(jià)格能降到0.1元∕lm以下。與此同時(shí)，目前用于給照明供電的太陽(yáng)電池，其光電轉(zhuǎn)換效率還不理想，而且價(jià)格偏高，如要普遍用作照明電源，其能量轉(zhuǎn)換效率越高越好，而供電成本應(yīng)接近市電，電價(jià)不能高于1元/kWh。預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)還需要5-10年。
（1 ）首先是成本問(wèn)題。目前太陽(yáng)能電池和LED的制造成本都比較高, 太陽(yáng)能供電的LED燈的造價(jià)與市電供電的白熾燈和熒光燈相比差距還很大，在設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程中必須通過(guò)各種途徑，努力降低制造成本；或者先考慮一些經(jīng)濟(jì)上可行的場(chǎng)合。例如：如果我們首先考慮在西部無(wú)電、缺電地區(qū)，為替代現(xiàn)在太陽(yáng)能光電系統(tǒng)中普遍使用的緊湊形熒光燈，那么，發(fā)展太陽(yáng)能LED照明光源還是有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。我們可以粗略地估計(jì)一下，由于熒光燈壽命只有LED使用壽命的1/10，設(shè)每只太陽(yáng)能用直流熒光燈的價(jià)格為25元，每只6W白光LED燈由10個(gè)0.6W LED組成，每個(gè)LED單價(jià)為20元，總價(jià)為220元（包括燈具）；以總使用時(shí)間5×104h計(jì)，若用熒光燈需換燈十次，總費(fèi)用250元，而用LED燈具僅為220元。同時(shí)LED燈的功耗約6W，低于現(xiàn)有的9-11W熒光燈，對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)的功率配置可減少4W左右，以每峰瓦太陽(yáng)能系統(tǒng)（包括蓄電池）造價(jià)為50元計(jì)，每套系統(tǒng)可降低成本200元。對(duì)于使用5×104h時(shí)間而言，太陽(yáng)電池組件將需要更換一次，而蓄電池將需要更換數(shù)十次以上，因此綜合成本將明顯低于現(xiàn)有的節(jié)能燈照明系統(tǒng)。
（2 ）由于通常的LED發(fā)出的光相對(duì)集中于一個(gè)較小的立體角范圍內(nèi)，一般燈具中的反射器就不再是必要的光學(xué)組件，而往往用透鏡作為準(zhǔn)直光學(xué)組件。例如，用凸透鏡或菲涅耳透鏡產(chǎn)生平行光束。然后，用枕形透鏡、楔形棱鏡等使光束重新擴(kuò)散、偏折產(chǎn)生滿足各種照明燈標(biāo)準(zhǔn)要求的光分布。這就要求對(duì)LED照明燈的燈具進(jìn)行與以往完全不同的二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于LED照明需由多個(gè)LED管組成，其參數(shù)離散性也是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。除了通過(guò)預(yù)選、分類，盡量保證一致性以外，必須在設(shè)計(jì)合理的燈具結(jié)構(gòu)（包括LED的排列和位置布局）和研究合適的驅(qū)動(dòng)電路，防止偶爾產(chǎn)生的能量集中而燒毀部分LED。由于多個(gè)LED組成一只照明燈具時(shí)，避免不了對(duì)LED進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)。在使用過(guò)程中只要有一個(gè)LED短路或開(kāi)路，都將會(huì)導(dǎo)致整小片或整條LED熄滅，影響照明效果，為此，必須研究簡(jiǎn)單而廉價(jià)的保護(hù)電路，使這種不良影響降至最低限度。此外，由于LED對(duì)散熱條件的要求較高，如果結(jié)溫超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限定值將導(dǎo)致不可恢復(fù)性光強(qiáng)衰減。因此，使用時(shí)除有足夠的散熱措施外、還必須考慮合理的電路設(shè)計(jì)和電路布局，盡量使 LED保持良好的工作狀態(tài)，充分發(fā)揮它的長(zhǎng)壽命優(yōu)點(diǎn)。使用時(shí)還應(yīng)盡可能使用模塊化的LED組件。
( 3 ) 一般的太陽(yáng)能光伏電源技術(shù)已研究得很多，但用于半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的光伏電源研究還只有剛剛起步。首先碰到的問(wèn)題是由于目前太陽(yáng)電池組件的光電轉(zhuǎn)換效率還不很高（國(guó)內(nèi)產(chǎn)品約12~15%，國(guó)外產(chǎn)品約15~17%），提供50W的燈使用電池組件的面積約為0.3~0.5 m2, 如果用于路燈，由于電池組件的面積較大，如何實(shí)現(xiàn)牢固安裝、如何做到美觀大方等方面都需要進(jìn)行研究。同時(shí)，對(duì)獨(dú)立電源系統(tǒng)而言，白晝的太陽(yáng)光能用于夜晚照明必須通過(guò)蓄電池儲(chǔ)能，雖然目前可用于太陽(yáng)能獨(dú)立供電系統(tǒng)的蓄電池品種比較多，但考慮到系統(tǒng)成本，目前大多用鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池不僅笨重而且其性能與使用環(huán)境溫度有密切關(guān)系，這不僅給安裝工作帶來(lái)困難，而且在安裝工程中還必須考慮散熱、通風(fēng)，防雨，防蟲(chóng)等一系列問(wèn)題。此外，照明系統(tǒng)往往希望體積小巧，燈具美觀別致，這就要求太陽(yáng)能電源控制器與燈具做一體化設(shè)計(jì)。由于控制器也不允許長(zhǎng)期工作在高溫環(huán)境中，這種一體化設(shè)計(jì)要求必然給大功率LED燈的燈具的制造帶來(lái)更多的困難。
鑒于發(fā)展太陽(yáng)能半導(dǎo)體照明有著十分重要的意義，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能LED照明產(chǎn)業(yè)化，目前尚有在不少關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題需要解決。最近科技部在“十五”國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃“光伏與風(fēng)力發(fā)電商業(yè)化技術(shù)開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目中，專門(mén)作了部署，設(shè)立了“開(kāi)發(fā)使用光伏電源的半導(dǎo)體照明系統(tǒng)”課題，擬資助較多的資金組織有關(guān)單位進(jìn)行攻關(guān)，希望二、三年后有多種太陽(yáng)能LED照明燈出現(xiàn)在市場(chǎng)上。
結(jié)束語(yǔ)
盡管發(fā)展太陽(yáng)能供電的發(fā)光二極管照明系統(tǒng)目前尚存在一系列技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題需要解決，但隨著太陽(yáng)電池組件價(jià)格的不斷下降，發(fā)光二極管的發(fā)光效率的迅速提高，光電系統(tǒng)和發(fā)光二極管燈具制造工藝的進(jìn)一步改進(jìn)，一些經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)的障礙將逐步消除。相信在不久的將來(lái)，這類照明系統(tǒng)會(huì)在很多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。
馬經(jīng)理