1　发光二极管（LED）简介及未来展望

　　发光二极管光伏照明装置，主要由两大部分组成：以太阳能电池为电源的能源部分，以发光二极管为光源的照明部分。太阳能电池为电源的能源部分，与光伏技术的一般应用相同，这里不再赘述。主要的不同，在于以发光二极管为光源的照明部分。

　　用于照明的电光源，主要可分为热辐射光源、气体放电光源和场致发光光源等几大类。目前广泛应用的是以白炽灯为代表热辐射光源和以荧光灯为代表的气体放电线光源，而场致发光则是一种正在发展中的新型面光源。场致发光又称电致发光，根据发光机理的区别，场致发光有本征场致发光和注入式场致发光之分，发光二极管为注入式场致发光。是固体在电场的作用下直接发光的一种现象。注入式发光二极管（light emitting diode，LED）具有PN结，在有正向电流流进PN结时，注入PN结的电子和空穴复合，产生自发辐射荧光。这种光又称为注入电荧光。这种管子又称为半导体荧光二极管或电荧光二极管。
　　发光二极管发光的主要原理，可以简述为：空穴型（P）半导体和电子型（N）半导体接触形成的PN结，在正向电压的作用下，PN区的电子和N区的空穴复合，从而发出光子。
 
　　根据材料的不同，发光二极管发出的光，可以在红外区，如砷化镓发光二极管：也可以在可见区，如磷砷化镓发光二极管。注入式发光材料很多，有碳化硅（SiC）、磷砷化镓　（GaAsP）、磷化镓（GaP）和砷化镓（GaAs）等。Sic发黄光和绿光，GaP发红光，GaAsP发红光和绿光。用这些材料可制成晶体灯和数码显示器件等。

　　发光二极管的外形和结构，如图1和图2所示。图1中热沉是管芯的散热器。从封装材料来看，可分为金属帽型、陶瓷型和全树脂型3种，它是支持外引线的材料。外引线与管芯用直径为25~30um的金属线连接，然后用透明的环氧树脂把管芯和金属线管脚等封住，在元件的管头往上加装玻璃透镜。把若干个发光二极管管芯按一定的方式排列并封装在一起，可作成数码管和字符管等；按所用单元的形式，可分为段式和矩阵式（图3）。通常，数码管用段式，字符管用矩阵式。这些管芯的阴阳极按一定方式引出，在译码驱动器驱动下，即会显示数字、文字符号或图形。

　　发光二极管目前主要用于信息的检测、存贮、处理、传递以及显示和照明等方面。

　　发光二极管具有许多特点和优点，主要有工作电压低（1.5~3V），工作电流小（5~150mA），功耗小（同样亮度下耗电仅不普通白炽灯的1/10），响应快，重量轻，驱动简单，易于与集成电路匹配，寿命长（为白炽灯的100倍以上），耐冲击，性能相对稳定，制作简单，成本低，无有毒的汞等。目前着力研究解决的主要课题有：进一步提高发光亮度、效率及稳定性，实现高亮度的蓝色发光，以及制作大面积的元件等。

　　世界上于1960年前后制成GaP发光二极管，于1970年前后开始进入市场,目前已在科研和生产中获得广泛应用,产业建设快速发展,市场应用数量增长迅猛。我国于1962年用水平法生长出首块GaAs单晶，于1963年制成首支GaAs半导体激光器，于1968年研究试验成功GaAs气相、液相外延技术，自此发光二极管和半导体激光器的生产技术在我国迅速发展，目前已具有相当规模的产业化生产能力，并在一些品种的性能等方面接近或达到国外先进技术水平。2002年我国LED生产企业将达420个，员工3万余人，产量超过150亿只，产值达80多亿元；2003年预计产值将超过100亿元，产量将达200亿只，其中超高亮LED有几十亿只。

　　场致发光源，特别是发光二极管光源，在理论上和实践上已显示出优异的性能和突出的节能特点，专家们预测，在21世纪上半叶，以发光二极管为代表的新型光源，将会逐步发展成为电光源的主流产品。如同晶体管替代电子管一样，采用发光二极管的半导体灯这种新型光源替代传统的白炽灯和荧光灯，也是大势所趋。美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯所替代，每年约可节电350亿美元。美国的“国家半导体照明计划”（2000~2010）将投入5亿美元，用来发展半导体照明产业。日本的“21世纪光计划”（1998~2002）将耗资50亿日元，计划于2006年用白光LED代替传统的照明光源。欧盟在2000年7月也启动了用于推动白光照明应用的“彩虹计划”。韩国产业资源部也启动了为时5年（1999~2004）的“白光LED照明技术”计划。据测算，6年以后仅在美国，半导体照明即可形成一个高达500多亿美元的产业。面对半导体照明巨大市场潜力的吸引，目前通用电气、飞利浦和奥斯拉姆三大世界照明工业巨头，已纷纷与半导体公司合作，组建半导体照明企业，并提出要在2010年前使半导体灯的发光效率再提高8倍，价格降低100倍。一场抢占半导体照明新兴产业制高点的争夺战已在全球打响。

　　面对这一科技发展趋势，我国科技部审时度势，于2003年启动了国家半导体照明工程，采取措施积极发展我国的LED产业，成立了国家半导体照明工程协调领导小组。2003年7月18日，该小组副组长、科技部高新技术发展及产业化司李健司长对媒体说：继半导体技术引发微电子革命之后，目前又在孕育着一场新的照明革命，用半导体发光二极管（LED）作为新光源的半导体灯，将逐步取代传统的白炽灯和荧光灯。

2　我国发光二极管（LED）光伏照明装置的研发与应用

　　经过10多年的努力，我国以发光二极管为光源的光伏照明装置，已研发出许多新颖别致、造型美观、性能优良的商品化产品，其市场应用量逐年增长，前景良好，下面对3个市场应用前景良好的产品的研发与应用情况作一简介。

　　1）LED太阳能草坪灯：深圳市珈伟实业有限公司是我国最早研发以LED为光源的太阳能草坪灯并大批量投入商品化生产的企业，其产品性能优良、造型别致，有多种规格，有黄、白、绿、蓝多种光色。该灯由于以LED为光源，因而耗电小、体积小、重量轻、寿命长、坚固耐用、光伏电池用量少。该公司LED太阳能草坪灯的年产量，以光伏电池功率计，约达2~3MW，90%以上销往美国，市场性稳定，深受欢迎。
　　2）LED太阳能交通信号灯：近年来，杭州富阳新颖电子有限公司研发与推广应用了多种LED太阳能交通信号灯，如LED太阳能黄闪警示灯、LED太阳能交通红绿灯、LED太阳能立式信号灯、LED太阳能动态人行信号灯、LED太阳能倒计时机动车道信号灯、LED单臂悬挂式太阳能渠化管理信号灯、LED太阳能道路施工指挥灯、LED太阳能突起路标以及LED太阳能双基色电子情报板等，得到公安、交通部门的认可和好评，市场应用量逐年扩大，并开始进入国际市场。其LED光源与白炽灯光源的城市道口红绿灯的电耗、电费、闪烁寿命比如表1所列。由表中数据可明显看出LED光源的节电及寿命等优点。

　　3）LED太阳能亮化工程：最近几年，武汉市日新灯光系统工程有限公司设计与建设了多处以LED为光源、太阳能电池为电源的城市太阳能亮化工程。这些亮化工程，既装点美化了城市，又宣传普及了新光源和能源知识，影响很大。如：①汉口火车站站前广场草坪亮化工程：安装了40支圆顶LED太阳能草坪灯和40支斜顶LED太阳能草坪灯以及2支高杆庭院灯、20支地埋泛光灯、年可节约电费95%左右计划内1.3万元。②武汉市江汉区沿江大道纺织、轮渡食品、港埠4个公司沿江4栋居民楼亮化工程全部采用LED灯光勾勒大楼轮廓，并以单色、多色、追光、闪光、跳动、闪烁多流自动控制，使之具有流动感和强烈的视觉效果，共用LED光源1 600盏、太阳能电池300Wp，年可节电95%，计9 500多元。③武汉市第11届院新楼夜景灯光工程：安装太阳能投光灯15台、5头太阳能中杆庭院灯2台、LED灯泡320支、太阳能草坪灯8支、3头交流电射灯4组，年仅需电费约4 300元，比交流电方案可年节省电费3万元以上。④武汉沿江大道六合路口部队：“小红楼”亮化工程：采用LED蜡黄色灯泡330盏，每米5盏，不断追光，每晚亮灯6小时；共用太阳能电池50Wp。采用太阳能双控系统控制，阴雨天可自动转换为由交流电充电。并装有5~10A的电度表1只。全年仅需电费100元左右，比用交流电节电97%、计1 400余元。

3　结语

　　以LED为光源的光伏照明装置，品类繁多，奇巧多姿，应用广泛，市场潜力大，产业化前景好。我们应充分重视，采取多种措施，积极研究开发，搞好产品设计、造型设计、建筑美学设计和应用工程建设，大力开拓国内外应用市场，积极促进共快速发展。

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