太陽電池與發(fā)光二極管的異曲同工之妙
——也談半導(dǎo)體綠色照明

　　發(fā)光二極管又稱LED，是一種半導(dǎo)體發(fā)光元件。近年來，由于LED技術(shù)的突飛猛進的發(fā)展和世界性能源的緊張，“半導(dǎo)體綠色照明”的概念被越來越多的人接受。2004年，國家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組宣告成立，科技部會同信息產(chǎn)業(yè)部、建設(shè)部、教育部、中國輕工業(yè)聯(lián)合會、中科院等開始共同啟動半導(dǎo)體照明工程。

　　在國際上，通用電氣、飛利浦、歐司朗紛紛與半導(dǎo)體公司結(jié)合，建立半導(dǎo)體照明公司。美國《激光世界》曾撰文稱：到2025年白光LED將占照明燈具市場的25%以上份額。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計2005-2010年全球LED照明市場規(guī)模將逾10億美元。國外也有報道稱：5年后半導(dǎo)體燈替代20%的白熾燈。這個估計可能比較樂觀，但揭示了半導(dǎo)體燈未來的應(yīng)用前景和增長潛力。據(jù)統(tǒng)計：若臺灣地區(qū)25%的白熾燈和全部日光燈被白光LED取代，每年可節(jié)省110億度電力，相當于一座核電站的供電能力。由于照明消耗占整個電力消耗的20%，全球每年使用這種光源所節(jié)省的電能達1000億美元，因此大力發(fā)展白光LED技術(shù)將是保護環(huán)境和節(jié)省能源的一個有效途徑。在未來二十年內(nèi)使用固態(tài)照明有減低全球用于照明的用電量50%，及節(jié)省全球電力總消耗量10%。

　　“半導(dǎo)體綠色照明”就是LED照明，這就是目前人們對“半導(dǎo)體綠色照明”的理解。

　　近年來，和LED技術(shù)同時得到突飛猛進發(fā)展的還有太陽電池技術(shù)，盡管太陽電池的種類有許多，但是在整個光伏發(fā)電領(lǐng)域由于晶體硅太陽電池相對優(yōu)越的使用壽命、轉(zhuǎn)換效率等性能，起主導(dǎo)地位的是晶體硅太陽電池，目前人們所講的太陽電池，基本上就是硅晶體太陽電池。

　　硅晶體太陽能電池是另一種半導(dǎo)體器件，和LED一樣，它也是由PN結(jié)組成，它是一個面積比LED大幾千倍甚至上萬倍的PN結(jié)。它的壽命可以達到25年以上，原材料來源豐富，可靠性高，工作無噪聲。太陽能作電池作為取自太陽能的綠色能源，是一種半導(dǎo)體器件。它結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，是取之不盡，用之不竭的能源，是本世紀最有前途的能源。有人估計，到2050年，人類的能源主要來自太陽能電池，這種估計是有充分理論根據(jù)的。首先，到2010年，大規(guī)模生產(chǎn)的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率平均可以達到20%以上，而且價格下降一半。也就是說，人類在10年之內(nèi)就會在太陽能電池技術(shù)上取得驚人的成就，今天不可使用太陽能電池的許多場合，10年以后可以使用上太陽能電池，例如城市的太陽能電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，每千瓦時價格也可能接近普通電網(wǎng)水平。太陽能路燈，太陽能庭院燈，高速公路上的各種信號燈，許多供電困難的場合，或者輸送電力成本昂貴的場合，目前由于太陽能電池價格過高，或者由于太陽能電池效率低，單位面積的功率小，沒有合適的位置安放太陽能電池，這些問題那時可能得到解決。和LED技術(shù)一樣，太陽電池的發(fā)展目前也遇到了一些暫時的技術(shù)難題。回顧人類1954年制造出現(xiàn)代硅太陽能電池，1958年應(yīng)用在宇宙飛船上，60年代初空間太陽能電池的設(shè)計已經(jīng)成熟。以后十多年，太陽能電池主要應(yīng)用在空間。70年代太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)有了明顯提高，到70年代末，由于制造成本下降，地面應(yīng)用太陽能電池數(shù)量已經(jīng)超過空間應(yīng)用數(shù)量。80年代至今，晶體硅太陽能電池的效率從18%增加到25%，這就是說，未來人類主要電力來源于太陽能電池是完全可能的。

　　 在這里我們把它們的特性作一比較，可以發(fā)現(xiàn)它們何其相似：

　　都是半導(dǎo)體器件：太陽電池和LED一樣，都是半導(dǎo)體器件，都是由PN結(jié)構(gòu)成的二極管；只不過太陽電池是將光線轉(zhuǎn)換為電能，LED是將電能轉(zhuǎn)換為光線。       

　　有相同的溫度特性：它們都有負的溫度系數(shù)，溫度每上升1度，單片太陽電池的電壓要下降2毫伏；對于LED，溫度每上升10度，其光通量下降一半，當溫度達到80℃時，其光通量下降至0；同樣，在這個溫度下，太陽電池也接近于不能夠工作了。

　　有相同的長使用壽命：太陽電池組件的使用壽命為25-30年，是各種電池和發(fā)電裝置使用壽命最長的，LED的使用壽命可以達到10萬小時（非白色），也是各種電光源中使用壽命最長的。

　　封裝技術(shù)非常相似：太陽電池和LED都需要用透光性能好、抗紫外線、密封性能好的材料進行封裝，封裝技術(shù)決定了太陽電池和LED的使用性能和壽命。

　　電流、電壓特性相似：由于太陽電池和LED一樣，都是半導(dǎo)體器件，由PN結(jié)組成，所以太陽電池的輸出特性曲線和LED的電流、電壓特性曲線非常相似，都有一個明顯的拐點。對于太陽電池，這個拐點就是太陽電池的最大輸出功率點；對于LED，這個拐點就對應(yīng)著它的工作電壓，超過這個電壓，LED就會過載而燒毀。

　　都面臨同樣的應(yīng)用發(fā)展瓶頸：太陽電池的普及瓶頸主要是價格比較高。LED存在的技術(shù)問題還要多一些，目前商品化的白光LED的效率在20-30Lm/W，和節(jié)能燈、鈉燈比，還相差很遠；另外它的顯色性不好，使用壽命雖然比其他光源長，但離10萬小時的壽命還相差很遠。LED目前成功應(yīng)用在各種信號燈、顯示屏和裝飾性景觀照明上，對于真正意義上的照明還有一段路要走。

　　都是綠色環(huán)保產(chǎn)品：這兩種產(chǎn)品都是綠色環(huán)保產(chǎn)品。目前我們所能夠見到的高效率的電光源中基本上都有污染環(huán)境的稀土材料、有害氣體或者放射性元素，而LED就很少存在這個問題。太陽電池更是一種對環(huán)境沒有任何污染的清潔能源，甚至連風(fēng)力發(fā)電的噪聲都沒有。

　　在使用中都需要控制電路的支撐：正如同太陽電池的使用必須有控制器或者逆變器一樣，LED的使用也必須有恒流或者恒壓電路。沒有控制電路的支撐，無論太陽電池還是LED，都不能正常工作。

　　市場定位非常一致：在人類的能源領(lǐng)域里，太陽電池目前還只能夠使用在一些特殊場合或者作為其他能源的一種補充；LED在照明領(lǐng)域里目前也只能夠用于非常規(guī)照明方面（各種信號燈、顯示屏和裝飾性景觀照明），對于真正意義上的照明還有待技術(shù)上的進步。

　　二者的結(jié)合將是真正的綠色照明：據(jù)估計，20年以后的今天，我們用于照明電力的一半以上可能來于太陽能。在人類的發(fā)電技術(shù)中，太陽能光伏發(fā)電是真正沒有任何污染而可以給我們提供電能的技術(shù)。大家知道，太陽能電池是一個巨大的PN結(jié)，它把太陽能轉(zhuǎn)換為電能。LED是另一個可以將電能轉(zhuǎn)換為光線的PN結(jié)，它的轉(zhuǎn)換效率一天一天在提高，據(jù)說不久就可以達到節(jié)能燈的水平，而使用壽命可以達到10萬小時以上，這種從PN結(jié)——PN結(jié)的照明是真正意義上的綠色照明。