半導體在固態(tài)照明和太陽電池中的應用

1、半導體在固態(tài)照明和太陽電池中的應用半導體是指一種導電性可受控制，范圍可從絕緣體至導體之間的材料。無論從科技或是經濟開展的角 度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。今日大局部的電子產品，如計算機、移動 或是數(shù)字錄音機 當中的核心單元都和半導體有著極為密切的關連，另外半導體在固態(tài)照明、顯示屏幕、太陽能發(fā)電方面也有著廣泛的應用。常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等，而硅更是各種半導體材料中，在商業(yè)應用上最具 有影響力的一種。本文著重介紹半導體在固態(tài)照明、太陽能發(fā)電方面的應用。一、半導體在固態(tài)照明中的應用1、工作原理LED(發(fā)光二極管)是由GaAs、GaP等半導體材料制成的，其核心是PN結，具有正向導通

2、、反向截止等一般PN吉的特性。當給PN吉施加正向電壓時，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入NE,進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子的一局部與多數(shù)載流子復合而發(fā)光，其原理如圖1所示。使用不同的半導體材料，可直接發(fā)出不同顏色的光，即不同波長的光。光的波長入與所用半導體材料的禁帶寬度Eg有關，它們之間的關系為：入=hc/(qEg )=1240/Eg(nm)其中，h為普朗克常數(shù)，q為載流子所帶電荷，c為光速，入為發(fā)光波長。圖1 LED發(fā)光原理圖2、半導體在LED領域的應用在2021年北京奧運會開幕式上，大量使用的“鳥巢會場中央地板的 LED屏幕、表演者身上的臺上的大型LED屏幕等等，都成了舉世關注的焦點。圖2

3、一些LED景觀照明例如LED (發(fā)光二極管)技術將開幕式表演裝點得美輪美奐。LED裝飾燈、空中升起的LED奧運五環(huán)、“鳥巢會場看在上世紀50年代，英國科學家在做半導體砷化鎵實驗時，發(fā)現(xiàn)了該物質的電致發(fā)光和紅外輻射，這項 發(fā)現(xiàn)導致了現(xiàn)代發(fā)光二極管的誕生。上個世紀，固態(tài)照明市場被白熾燈、熒光燈等光源所占據(jù)。目前白熾燈的效率為15流明/瓦，熒光燈的效率為65-100流明/瓦，而LED的最高效率已提高到了 135流明/瓦，而且 還有提咼空間。全色超高亮度LED的實用化和商品化，使照明領域面臨一場新的革命。LED是21世紀具有競爭力的新型電光源，盡管其完全取代白熾燈和熒光燈尚需5年-15年，但LED早已

4、與人們的生活密不可分。從應用市場結構看，LED主要應用范圍包括顯示屏、 、指示燈、LCD背光源、照明、裝飾燈領域。與傳統(tǒng)的光源相比，LED具有以下優(yōu)勢：1、高效的節(jié)能，作為光源的 LED與傳統(tǒng)光源普通家用電燈泡能節(jié)省9%的能量相比，能最大限度節(jié)省90%的轉換能。因為它能直接把電能轉換成光源。LED能耗相當?shù)?，一般來說LED的工作電壓是2-3.6V。工作電流是。這就是說，它消耗的電能不超過0.1W。 2、使用壽命長，普通照明產品是需要恒壓，而LED需要恒流驅動。LED如果是用在指示燈上面的話，理論上可以使用10萬小時以上，到達20年以上，但是如果是做為光源 如LED燈泡等照明設備上 在正常使用的

5、情況下， 壽命到達20000 小時。而且LED燈絲不易燒斷，玻離不易破碎。3、耐低溫，雖然有些燈具，比方金鹵燈、HPS、熒光燈等有抗低溫特點，但其在低溫下性能表現(xiàn)不盡人意。LED在低溫情況下甚至比常溫性能更好。4、環(huán)保，LED光譜中沒有紫外線和紅外線，既沒有熱量，也沒有輻射，眩光小，而且廢棄物可回收，沒有污染不含汞元 素，冷光源，可以平安觸摸，屬于典型的綠色照明光源。5、低電壓操作，如今的LED系統(tǒng)一般在低壓的直流電源下操作，使得安裝操作更平安。6、LED使用冷發(fā)光技術，發(fā)熱量比普通照明燈具低很多，保持低溫能有效發(fā)揮LED的最正確性能。在過去的10年中，高亮度的LED被陸續(xù)應用在汽車、卡車及大

6、型游覽車的內外車燈等領域。根據(jù)市調查指出，在2004年大約有30%的新車款以LED作為車尾燈或 CMHSL Center High- Mount Stop Lamps，大局部新出廠的汽車及大型交通工具都已開始使用LED當作方向指示燈和剎車燈。LED丁具有響應時間短的特點，通常LED勺響應時間為納秒量級 ，白熾燈的響應時間一般為毫秒量級，因此使用LED燈可以降低交通事故的發(fā)生率。景觀照明是半導體照明的新興力量?，F(xiàn)階段用于照明的LED還很少，這主要是因為LED勺發(fā)光效率、顯色性、光衰等根本參數(shù)還沒有完全到達傳統(tǒng)照明中的參數(shù)要求，但由于發(fā)光二級管具有的諸多優(yōu)點及出臺的“國家半導體照明工程等相關政策的

7、支持，相信隨著時間的推移，技術的不斷進步，LED必將逐步代替白熾燈和熒光燈等傳統(tǒng)照明光源而成為新型綠色照明光源。圖2所示是一些LED景觀照明例如。LED照明是大趨勢，但是目前還有一些地方有待提高：1、散熱問題，LED芯片的耐溫能力比擬弱，長期在溫度較高的環(huán)境下工作，會加快光衰。2、電源能耗比擬大。LED作為節(jié)能環(huán)保的新產品，但是其電源是工作中自身損耗比擬大。3、封裝技術，LED芯片是比擬脆弱的，不能在潮濕的環(huán)境下工作，封裝要求就非常高。4、配光跟傳統(tǒng)比，發(fā)光面較小。5、光通量，LED在封裝上會對芯片損耗，在成品燈具中光通量不夠高，特別是和傳統(tǒng)的高壓鹵素燈金鹵燈、鈉燈比還是有一定差距。在固體照明

8、和顯示領域，LED技術雖然還是“小荷才露尖尖角，但更新一代的OLED有機電致發(fā)光器件已經飛速開展起來。OLEDI指有機半導體材料在電場作用下發(fā)光。LED也是一種電光轉換型器件，但所采用的是無機材料。由此可見，OLED與LED既有區(qū)別又有聯(lián)系。相同的是，二者都可以應用在顯示和照明領域。不同的是，在照明領域，受結構限制，LED是點光源，而OLED是平面光源；在顯示領域，LED顯 示屏是由發(fā)光二極管排列組成的顯示器件，無法顯示高分辨率的圖像，而OLED是由光刻電極基板與有機發(fā)光材料結合組成的顯示器件，可以實現(xiàn)高分辨率的圖像。OLED具有全固態(tài)、主動發(fā)光、高比照度等諸多優(yōu)點，被國內外平板顯示行業(yè)的專家

9、稱為“夢幻般的顯示技術。OLED可以獲得更大的顯示容量、更優(yōu)的顯示質量、更長的壽命，從而可以實現(xiàn)OLEDI視顯示。在節(jié)能方面，OLED更顯示出了不同尋常的優(yōu)勢，29英寸CRT電視機的功耗在100瓦左右，40英寸TFT-LCD夜晶電視的功耗在200瓦左右，50英寸PDP勺功耗在500瓦以上，而一臺40英寸的大尺寸OLEDt視，功耗將在 100瓦以下，而且因為是自發(fā)光，實際使用功耗還會更低。因此，OLED被認為是最有開展前景的下一代平板顯示技術之一。圖3所示為柔性OLEDI示器和OLEDI視。圖3可彎曲的OLEDI示屏和OLEDI視二、半導體在太陽能發(fā)電領域的應用太陽能是人類取之不盡，用之不竭的可

10、再生能源，它不產生任何環(huán)境污染，是清潔能源。太陽能電池就是把太陽輻照的光能量轉化為電能。太陽光輻射能轉化電能是近些年來開展最快、最具活力的研究方向， 人們研制和開發(fā)了不同類型的太陽能電池。太陽能電池其獨特優(yōu)勢，超過風能、水能、地熱能、核能等資 源，有望成為未來電力供給主要支柱。硅是一種良好的半導體材料，儲量豐富，是地球上儲存量第二大的 元素，而且性能穩(wěn)定、無毒，因此成為太陽能電池研究開發(fā)、生產和應用中的主體材料。太陽能電池是一種對光有響應并能將光能轉換成電能的器件。能產生光伏效應的材料有許多種，如：硅、砷化鎵、硒銦銅、鍺等。PN結是它們發(fā)電原理的根底，采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半

11、導體與 N型半導體制作在同一塊半導體通常是硅或鍺基片上，在它們的交界面就形成空 間電荷區(qū)稱 PN結。當光線照射太陽電池外表時，一局部光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子，自由電子在內建電場作用下在P-N結兩側集聚形成了電位差,當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功率。這個過程的 的實質是光子能量轉換成電能的過程，如圖4所示。以硅為基體材料的太陽能電池。按硅材料的結晶形態(tài)，可分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。目前單晶硅太陽能電池的轉換效率到達25%。商用的太陽能電池一般采用低等級的半導體多晶硅，或者

12、專門為太陽能電池使用而生產的鑄造多晶硅等材料。與單晶硅太陽能電池相比，多晶 硅太陽能電池本錢較低，而且轉換效率與單晶硅太陽能電池比擬接近，它是太陽能電池的主要產品之一。商業(yè)化多晶硅太陽能電池的效率約為13%16%，多晶硅太陽能電池已經占據(jù)了光伏市場的大局部份額。非晶硅的原子結構不像晶體硅那樣排列得有規(guī)那么，而是一種無定形結構的半導體。非晶硅屬于直接帶系材 料，對陽光吸收系數(shù)高，只需要1pm厚的薄膜就可以吸收 80%的陽光。但是由于非晶硅缺陷較多，制備的太陽能電池效率偏低，且其效率還會隨著光照而衰減，導致非晶硅薄膜太陽能電池的應用受到限制。日光KiK4+碑績打I圖5所示是太陽能發(fā)電屋頂和太陽能路燈圖4硅太陽能電池原理圖目前，太陽能電池的應用已參軍事領域、航天領域進入工業(yè)、商業(yè)、農業(yè)、通信、家用電器以及公用 設施等部門，尤其可以分散地在遙遠地區(qū)、高山、沙漠、海島和農村使