半导体在固态照明和太阳电池中的应用半导体是指一种导电性可受

1、半导体在固态照明和太阳电池中的应用半导体是指一种导电性可受控制，范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看，半导体的重要性都是非常巨大的。今日大部分的电子产品，如计算机、移动电话或是数字录音机当中的核心单元都和半导体有着极为密切的关连 , 另外半导体在固态照明、显示屏幕、太阳能发电方面也有着广泛的应用。常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等，而硅更是各种半导体材料中，在商业应用上最具有影响力的一种。本文着重介绍半导体在固态照明、太阳能发电方面的应用。一、半导体在固态照明中的应用1、工作原理LED（发光二极管）是由 GaAs、 GaP 等半导体材料制成的，其核心是PN结，具有正

2、向导通、反向截止等一般 PN结的特性。当给PN结施加正向电压时，电子由N区注入 P区，空穴由 P区注入 N区，进入对方区域的少数载流子的一部分与多数载流子复合而发光，其原理如图1所示。使用不同的半导体材料，可直接发出不同颜色的光，即不同波长的光。光的波长 与所用半导体材料的禁带宽度Eg有关，它们之间的关系为：=hc/(qEg )=1240/Eg（ nm）其中， h为普朗克常数，q为载流子所带电荷，c为光速， 为发光波长。图 1 LED发光原理图图 2一些 LED景观照明示例2、半导体在LED领域的应用在 2008年北京奥运会开幕式上，大量使用的“鸟巢”会场中央地板的LED屏幕、表演者身上的LE

3、D（发光二极管）技术将开幕式表演装点得美轮美奂。LED装饰灯、空中升起的LED 奥运五环、“鸟巢”会场看台上的大型LED 屏幕等等，都成了举世关注的焦点。在上世纪 50年代，英国科学家在做半导体砷化镓实验时，发现了该物质的电致发光和红外辐射，这项发现导致了现代发光二极管的诞生。上个世纪，固态照明市场被白炽灯、荧光灯等光源所占据。目前白炽灯的效率为 15流明 / 瓦，荧光灯的效率为65-100 流明 / 瓦，而 LED的最高效率已提高到了135流明 / 瓦，而且还有提高空间。全色超高亮度 LED 的实用化和商品化, 使照明领域面临一场新的革命。LED 是 21世纪具有竞争力的新型电光源 , 尽管

4、其完全取代白炽灯和荧光灯尚需5年 -15年,但 LED 早已与人们的生活密不可分。从应用市场结构看 , LED 主要应用范围包括显示屏、手机、指示灯、LCD背光源、照明、装饰灯领域。与传统的光源相比， LED 具有以下优势 ： 1、高效的节能，作为光源的LED 与传统光源（普通家用电灯泡能节省9%的能量）相比，能最大限度节省 90%的转换能。因为它能直接把电能转换成光源。LED 能耗相当低，一般来说 LED 的工作电压是 2-3.6V 。工作电流是 0.02-0.03A 。这就是说，它消耗的电能不超过0.1W 。 2、使用寿命长，普通照明产品是需要恒压， 而 LED 需要恒流驱动。 LED 如

5、果是用在指示灯上面的话，理论上可以使用10万小时以上，达到 20年以上， 但是如果是做为光源 （如 LED 灯泡等照明设备上） 在正常使用的情况下，寿命达到 20000小时。而且 LED 灯丝不易烧断，玻离不易破碎。3、 耐低温，虽然有些灯具，比如金卤灯、HPS、荧光灯等有抗低温特点，但其在低温下性能表现不尽人意。LED 在低温情况下甚至比常温性能更好。4、环保， LED光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。5、低电压操作，如今的 LED 系统一般在低压的直流电源下操作，使得安装操作更安全。

6、6、 LED 使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多，保持低温能有效发挥 LED 的最佳性能。在过去的 10年中 , 高亮度的 LED被陆续应用在汽车、卡车及大型游览车的内外车灯等领域。根据市调查指出 , 在 2004年大约有 30%的新车款以 LED作为车尾灯或 CMHSL( Center High- Mount Stop Lamps),大部分新出厂的汽车及大型交通工具都已开始使用LED当作方向指示灯和刹车灯。LED灯具有响应时间短的特点 , 通常LED的响应时间为纳秒量级, 白炽灯的响应时间一般为毫秒量级, 因此使用 LED灯可以降低交通事故的发生率。景观照明是半导体照明的新兴力量。现

7、阶段用于照明的LED还很少 ,这主要是因为 LED的发光效率、显色性、光衰等基本参数还没有完全达到传统照明中的参数要求, 但由于发光二级管具有的诸多优点及出台的“国家半导体照明工程”等相关政策的支持, 相信随着时间的推移 , 技术的不断进步 , LED 必将逐步代替白炽灯和荧光灯等传统照明光源而成为新型绿色照明光源。图2所示是一些 LED景观照明示例。LED照明是大趋势，但是目前还有一些地方有待提高：1、散热问题， LED芯片的耐温能力比较弱，长期在温度较高的环境下工作，会加快光衰。2、电源能耗比较大。LED 作为节能环保的新产品，但是其电源是工作中自身损耗比较大。3、封装技术， LED 芯片

8、是比较脆弱的，不能在潮湿的环境下工作，封装要求就非常高。4 、配光跟传统比，发光面较小。5 、光通量，LED在封装上会对芯片损耗，在成品灯具中光通量不够高，特别是和传统的高压卤素灯（金卤灯、钠灯）比还是有一定差距。在固体照明和显示领域，LED技术虽然还是“小荷才露尖尖角”，但更新一代的OLED（有机电致发光器件）已经飞速发展起来。OLED是指有机半导体材料在电场作用下发光。LED 也是一种电光转换型器件，但所采用的是无机材料。由此可见，OLED 与 LED 既有区别又有联系。相同的是，二者都可以应用在显示和照明领域。 不同的是， 在照明领域， 受结构限制， LED 是点光源， 而 OLED 是

9、平面光源； 在显示领域， LED 显示屏是由发光二极管排列组成的显示器件，无法显示高分辨率的图像，而OLED 是由光刻电极基板与有机发光材料结合组成的显示器件，可以实现高分辨率的图像。OLED 具有全固态、主动发光、高对比度等诸多优点，被国内外平板显示行业的专家称为“梦幻般的显示技术”。OLED可以获得更大的显示容量、更优的显示质量、更长的寿命，从而可以实现OLED电视显示。在节能方面，OLED 更显示出了不同寻常的优势，29英寸 CRT 电视机的功耗在100瓦左右，40英寸 TFT-LCD液晶电视的功耗在200 瓦左右， 50英寸 PDP的功耗在 500瓦以上，而一台40英寸的大尺寸OLED

10、电视，功耗将在100瓦以下，而且因为是自发光，实际使用功耗还会更低。因此，OLED被认为是最有发展前景的下一代平板显示技术之一。图3所示为柔性 OLED显示器和 OLED电视。图 3 可弯曲的 OLED显示屏和 OLED电视二、半导体在太阳能发电领域的应用太阳能是人类取之不尽，用之不竭的可再生能源，它不产生任何环境污染，是清洁能源。太阳能电池就是把太阳辐照的光能量转化为电能。太阳光辐射能转化电能是近些年来发展最快、最具活力的研究方向，人们研制和开发了不同类型的太阳能电池。太阳能电池其独特优势，超过风能、水能、地热能、核能等资源，有望成为未来电力供应主要支柱。硅是一种良好的半导体材料，储量丰富，

11、是地球上储存量第二大的元素，而且性能稳定、无毒，因此成为太阳能电池研究开发、生产和应用中的主体材料。太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电能的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：硅、砷化镓、硒铟铜、锗等。PN 结是它们发电原理的基础，采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将 P 型半导体与 N 型半导体制作在同一块半导体（通常是硅或锗）基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区称 PN结。 当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收; 光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子，自由电子在内建电场作用下在P-N 结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，

12、将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是光子能量转换成电能的过程，如图4 所示。以硅为基体材料的太阳能电池。按硅材料的结晶形态，可分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。目前单晶硅太阳能电池的转换效率达到25。商用的太阳能电池一般采用低等级的半导体多晶硅，或者专门为太阳能电池使用而生产的铸造多晶硅等材料。与单晶硅太阳能电池相比，多晶硅太阳能电池成本较低，而且转换效率与单晶硅太阳能电池比较接近，它是太阳能电池的主要产品之一。商业化多晶硅太阳能电池的效率约为13 16，多晶硅太阳能电池已经占据了光伏市场的大部分份额。非晶硅的原子结构不像晶体硅那样排列得有规则，而是一种无定形结构的半导体。非晶硅属于直接带系材料，对阳光吸收系数高，只需要1pm厚的薄膜就可以吸收80的阳光。但是由于非晶硅缺陷较多，制备的太阳能电池效率偏低，且其效率还会随着光照而衰减，导致非晶硅薄膜太阳能电池的应用受到限制。图 4 硅太阳能电池原理图图 5 所示是太阳能发电屋顶和太阳能路灯目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙