隨著可再生能源的快速發展,太陽能光伏產業正在蓬勃成長。為了測試太陽能電池的發電效率,需要使用太陽光模擬器進行室內模擬。LED光源由于具備節能、壽命長等優點,已成為太陽光模擬器的主流燈源之一。但在應用時,LED燈源也存在一些缺點和限制。本文將討論LED太陽光模擬器在測試鈣鈦礦太陽能電池時的優劣分析。

什么是LED?

LED (Light Emitting Diode) 是一種二極管照明裝置,它能把電能轉換成光能。是由一個半導體材料制成的,當電流流過時可發出光。所發之光的顏色可以是紅、黃、綠、藍或白色,是根據不同的半導體材料而定。

優點包括高效率、長壽命、節能省電、可調光、快速發亮,綠色環保。因此,LED已經廣泛應用于各種照明、顯示器和通信系統等領域。

LED (Light Emitting Diode) 光源本身擁有許多優點,其中相當著名的特點如下:

1. 高效率:轉換能效高,目前研發上可以轉換85% 的電能為光能。

2. 壽命長:壽命非常長,在結溫保持在25度的條件下,通常可以達到10,000 小時以上。

3. 節能省電:比傳統燈具更省電,能減少80% 的能源消耗。

4. 可調光:LED 光源可以調節亮度,可以根據環境需求適當調整。

5. 快速發亮:點亮速度非常快,在開關時不需要等待時間。

6. 環保:LED 產品不含有毒物質,不會對環境造成危害。

將LED作為太陽光模擬器燈源又有什么優點?

根據LED燈源的特性,太陽光模擬器制造商通常會強調使用LED燈作為太陽光模擬器燈源有下列7點優勢:

1. 色溫可調:可以根據不同的需求,調整色溫,用以模擬不同的日照情況。

2. 可控性高:可以根據不同的模擬需求,進行亮度和色溫的調整。

3. 省電:耗電比傳統的燈具燈源更低。

4. 環保:LED燈源不含有毒物質,對環境無害。

5. 壽命較長:LED光源的宣稱壽命非常長,可以標榜可達10,000 小時以上,但前提是結溫(Junction Temperature)恒定在25°C的條件下

6. 應用廣泛:可用于各種植物照明、人工智能研究、光學研究、生物研究、攝影棚照明等領域

7. 可以模擬多種天氣狀態,如晴天,陰天等。

但LED燈真的這么好嗎?長效壽命的定義與迷思

LED壽命是指在特定溫度條件與特定電流條件下,維持發光亮度至少70%時間的時間。

其計算方式是以發光二極管的發光亮度衰減到剩原始亮度的70%,所需經歷的時間為作為衡量標準,然而測試實驗通常用多個燈泡為一組的實驗中進行,當同組平均一半以上數量的LED燈光亮度衰減到70%的時候,其平均時間就是該LED燈泡群體的平均壽命,但壽命長度實驗通常是在特定安排的理想使用環境條件下所量測評估的,例如必須控制溫度、電流、環境等。常見的控制條件有在結溫(Junction Temperature) 25°C下,2 mA特定電流條件下,進行發光強度與時間的壽命監控等等。

換言之,一旦使用的環境條件不符該LED燈在實驗室量測標準條件,將會大幅影響壽命。

用LED作為光伏用太陽模擬器燈源不好嗎?實際缺點與潛在問題

理論上,更高的驅動電流會增加光輸出。但伴隨而來的是會增加耗損功率且在最終造成光輸出和效率的損失。此外,較高的溫度也會導致LED 的正向電壓降低,從而使恒流源的耗損功率更高。

因此同樣地,LED 的主波長、光輸出和正向電壓相互影響,如下方所列。 (參考資料: NEWARK )

光輸出與電參數和熱參數之間的關系

電、熱、光,三種要素均會影響LED 的輸出特性。

圖2.解釋了光輸出與電參數和熱參數之間的關聯。

容易熱衰竭的LED燈--光輸出隨溫度升高而降低

據文獻指出,AlInGaP 四元LED 對熱相當敏感,我們可以從實驗中了解,白光 LED 的光通量要保持>80%,其結溫就必須保持在 100°C 以下。而在琥珀色的LED,輸出光通量也明顯隨著結溫的升高而急劇下降。

上圖為結溫與光通量的關系。

容易隨著溫度變臉的LED燈----主波長(顏色變化)隨溫度變化

TJ 增加波長或顏色會偏移,LED的主波長取決于結溫,我們可以在下列附表中看到依顏色劃分的1瓦高亮度的典型值,表中可很明顯發現,琥珀色是相當敏感的,因為它會移動 0.09nm/°C。

所以我們假設室內照明的環境情境,室溫范圍為10 至 40 攝氏度,那么在 30 攝氏度的溫度范圍內,琥珀色的主波長偏移為2.7 納米 (40 - 10 * 0.09)。

場面越熱,LED越Down----正向電壓隨溫度降低

使用LED的研究人員不能不知道,當溫度升高時,VF 降低 2mV/°C,雖然 LED 串聯連接時,因為它驅動恒流,所以VF 變化應該不是一個嚴重的問題。但是如果LED是并聯,VF就會隨著溫度升高而下降,導致電流增加。隨著電流增加,TJ 就隨之繼續增加,導致 VF 更進一步下降,不斷交互影響,直至達到平衡。反之,隨著低溫 VF 增加,就導致電流下降,這可能使得在恒壓操作LED燈的環境下難以獲得所需的固定光度。

熱到不想動的LED----壽命隨溫度降低

LED 的可靠性是結溫的直接函數,較高的結溫往往會縮短LED 的使用壽命。而IES LM-80-08 是一項標準,規范了LED 制造商和照明制造商如何測試LED 組件,用以確定其隨時間推移變化的發光性能。而LED 的 L70 壽命就是定義了LED 輸出流明在25°C條件下,從100% 降低到70% 所經歷的時間(如下圖)。

LM-80-08 報告用于預測各種溫度和驅動電流操作環境下的LED 流明維持率。下圖解釋了L70壽命與結溫之間的關系。據觀察,LED 壽命隨著結溫的升高而降低,在85°C下,LED 壽命均小于1200小時。(參考資料: MDPI)

The attained total radiant flux maintenance results of the mid-power blue LEDs, sorted by case temperature and forward current.

LM-80-08 報告:中功率藍色 LED在各外殼溫度與正向電流下的LED 流明維持率。(參考資料: MDPI)

(參考資料: MDPI)