6.毕业设计

湖州师范学院求真学院毕业设计（论文）

2016 届

题目太阳能LED警示牌的制作

专业光电子技术科学

学生姓名邱勇

学号12273124

指导教师张天声

论文字数8444

完成日期2015年11月

湖州师范学院教务处印制

学生承诺

我承诺在毕业设计（论文）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，在本人的毕业设计（论文）内容除特别注明和引用外，均为本人观点，不存在剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，不存在伪造、篡改实验数据。如有违规行为发生我愿承担一切责任，接受学校的处理，并承担相应的法律责任。

学生（签名）：

年月日

指导教师承诺

我承诺在指导学生毕业设计（论文）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，经过本人认真核查，该同学的毕业设计（论文）内容除特别注明和引用外，均为该生本人观点，未发现剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未发现伪造、篡改实验数据的现象。

指导教师（签名）：

年月日

太阳能LED警示牌的制作

邱勇

摘要：LED是新型发光材料，LED照明技术在新社会中运用越来越广泛，在各个领域占领重要地位，LED具有亮度高，低功耗，寿命长，启动快，功率小，无频闪，不易产生视觉疲劳等优点。研究与使用LED材料可大幅度降低能耗和环境污染，对我国可持续发展有重大意义。太阳能作为可再生能源持续发展节能环保，是新世纪的新型能源，保护生态环境，势在必行。

关键词：新型,节能，可持续发展，太阳能，可再生

The mak of Solar LED

qiuyong

Abstract：LED is the new luminescent material ,More and more widely employed in LED lighting technology in the new society .LED occupy the important position in all fields . LED has high brightness, low power consumption, long life, start quickly, small power, no stroboscopic, not easy to produce visual fatigue .Research and use the LED material can greatly reduce the energy consumption and environmental pollution, sustainable development of our country has great significance. Solar energy as a renewable energy conservation and environmental protection, sustainable development is a new type of energy in the new century, protect the ecological environment, is imperative.

Keywords：New type ,Energy saving, The sustainable development, The solar energy, Renewable

目录

前言 (1)

第一章LED的认识

第一节 LED的发展与历史 (2)

第二节 LED的运用与实践 (2)

第三节 LED的种类 (3)

第二章太阳能的认识

第一节太阳能电池的初步认识 (4)

第二节太阳能电池的制备和结构 (4)

第三节太阳能电池的工作原理 (6)

第三章原理分析

第一节方案设计基本结构 (8)

第二节 LED灯串 (9)

第四章实物系统测试

第一节实验材料和仪器 (11)

第二节实际制作 (12)

第三节实验数据的统计与分析 (12)

结论 (14)

参考文献 (15)

致谢 (16)

前言

在20世纪即将结束的1999年，照明界提出了开发21世界新光源的宏伟目标。要求新光源高效节能，绿色环保和显色性好。其后各个国家纷纷定制规划，加大研究和发展，预计2020年半导体照明光源的效率有可能达到200lm/W超过目前所有的电光源，能源满足新光源的要求。自从爱迪生发明白炽灯后改变了人们以火为照明光源的历史，此后又有荧光灯等光源的出现，近年来，照明界深感有必要开发新世纪照明光源，发光二极管LED应运而生。

太阳能电池作为新能源，具有可再生，环保等优点，当阳光照射到太阳能电池上时，可以将太阳能转换成为电能，太阳能电池早已不是实验室中的研究品，早已投入生产，与我们的生活息息相关，太阳能电池利用半导体材料的电子特性，把阳光直接转化为电能。工作原理基于光伏效应。20世纪70年代，硅电池的发展经历了革新，能量转化效率得到了显著的提高，与此同时人们也大范围的运用太阳能电池。

第一章 LED 的认识

1.1 LED 的发展与历史

早在1962年美国通用电气公司就使用了气象外延技术制作出了磷砷化镓这种化学物半导体，并根据此基础成功制作研发出第一批发光二极管，起初二极管的效率极低，仅有白炽灯的1/150，经过后续的改造和研发，在1968年生产出GaAsP/GaAs 的红色发光二极管，并在之后的十年中成为市场的主流产品连续不断的科研成果使LED 的发光效率飞速提高，30年间提高了1000多倍。[7]

继磷砷化镓红色发光器件之后，先后研发GaP:ZnO 红色LED 和GaP:N 绿色LED 在20世纪70年代左右也进入市场，再之后橙红色和黄色LED 相继也出现与市场，但是直到1985年LED 的效率还是过于低下只能用与指示灯，随后逐渐淡出市场，研发新材料已经成为当务之急。

20世纪90年代由美国HP 公司和日本东芝采用LPMOCVD 技术研制成功的InGaAlP LED 器件其拥有颜色范围宽，发光效率高，引起了人们的重视，并迅速发展。1993年日本日亚公司采用双气流金属有机化学气相沉积技术，同时解决了P 型GaN 的退火工艺，研制成功了以蓝宝石为衬底的高亮度蓝色LED ，之后蓝绿色，白色相继出现，由于运用的荧光光谱较宽，几乎覆盖了整个光谱范围，发光效率达到25lm/W 。

发光二极管主要成分是由搀杂的半导体材料制成，N 型中的载流子为过量的电子，P 型因缺乏电子而形成带正电的“空穴”载流子，通过电流时，电子和空穴产生复合并释放出能量，产生光子，从而发出可见光。从2000年以后LED 封装器件进入照明用功率器件阶段，单个LED 封装器件输出光通量持续增长。

1.2 LED 的运用与实践

LED 是一种固态半导体器件，可以直接将电能转化为光能，LED 主要是一个半导体晶片，使用环氧树脂对其进行封装，起到保护稳定作用。晶片是由P 型半导体和N 型半导体两部分组成，形成PN 结，当有电流通过的时候，电子进入P 区和空穴复合，以光子的形势发出能量。[9]

LED 主要应用有多个方面如显示屏，交通信号灯，汽车生产方面车内仪表盘，LED

背光源与高效

LED 结构图 1.1 LED 工作原理图 1.2

测发光的背光源，LED照明发光光源，各种小彩灯装饰所用LED发光光源，以及逐渐受人们喜爱的室内LED照明产品等。[8]

交通信号灯主要是运用高亮度的红，黄，绿LED，更加节能且稳定度，可靠性能高。且交通信号灯使用广泛，全国各地仍有很多非LED的信号灯，逐步替换更加环保，更加稳定的LED市场需求量大。

LED灯在汽车内饰，外部刹车灯，尾灯上都有应用，普通白炽灯易损坏，不耐震动撞击，使用起来不方便需要检查与更换，寿命短。LED具有响应速度快，稳定耐震，寿命长等各种优点，所以汽车内部各种装饰内灯以及尾灯等都可以用LED灯来代替，我国汽车行业正处于大发展时期，所以LED得到广泛的应用。

LED仍可以应用于电子手表，计算器等便携式小电子器件，LED背光源向着更加纤薄，低能耗方向发展，手机指示灯，遥控器信号灯等都可运用，如今手机背光源应用特别大。手机也是如今必不可少的交流沟通工具，对LED技术来说是非常好的发展。

LED还运用与各种室内室外的装饰灯，如圣诞树上挂着的霓虹彩灯，家庭客厅中间的装饰吊灯，以及室内开关上的提示指示灯等等，都与LED的发展有着密不可分的关系。LED已经慢慢的进入千家万户，与人们的生活息息相关。

1.3 LED的种类

按照LED光色可以分为红色，橙色，绿色，蓝色，有的LED芯片中含有2种或3种以上的颜色。根据出光出是否掺入散色剂，有色还是无色又可分为有色透明，无色透明，有色散射，无色散射四种类型，在这四种类型中，有着各自不同的适应范围，其中散射型发光二极管较适应用于指示灯。

LED的发光管的出光面具有很多不一样的特性，按着这个特性分类，出光面可分以下几种分别为表面发光用微型管，矩灯，面发光管，圆灯。

LED的发光强度角色也各不相同，尖头环氧树枝封装的高指向性半值角为5-20度，具有很高的指向性可以用作局部照明光源。标准型半值脚为20-45度通常作用指示灯。半值角在45-90度或者更大的为散射型，用作视角较大的指示灯类。

不同的LED的各种应用也不尽相同。

LED用作路灯作为固态冷光源，具有环保无污染，节能高效，寿命长的优点。高光通量的LED 也可用作聚光灯，不收大气条件的影响，各种大型室外照明使用。各家庭中最常用的LED日光灯，采用的是CREE与AOD超高亮度白色作为发光光源，LED日光灯置于一个有引线的架子上四周用环氧树脂密封起到保护内部芯片的作用。

LED种类各种各样，逐渐演变成更加人性化的照明工具。

第二章 太阳能的认识

2.1 太阳能电池的初步认识

太阳能顾名思义来自太阳对地球的辐射，对地球上的生命来说，太阳辐射是必不可少的，它决定着地球表面的温度，提供着地球活动中的全部能量。太阳能电池的工作原来基于光伏效应，光照使得不均匀半导体或者半导体与金属的接触位置产生电位差，光子转化为电子，光形成电的过程。

早在1941年就有了对硅电池的报道，但直到1954年才出现了真正意义上的硅电池，他是第一个能以适当的效率将光能转化为电能的光伏器件，20世纪70年代硅电池的发展经历了革新，转化效率显著提升，成本也逐渐减少，并广泛运用。

在过去的50年中，不仅太阳电池的产业，相关的科学和技术都得到了很大的发展，硅太阳能电池的效率不断提高，而且不断有新的太阳能电池材料运用到其中来，薄膜硅晶体，铸造多晶硅，等新型硅材料，还有许多化合物半导体材料甚至有机材料都被运用与制备太阳能电池。

我国太阳能电池行业方兴未艾，蓬勃发展。发展前途开阔。符合现在生活理念，很适合现在经济体系。

当太阳光照射到芯片后，在PN 结中N 型半导体内部的的空穴往P 型缓慢移动，P 型区的电子往N 型区方向缓慢移动。同时在P 区与N 区产生电势差，再将其接入外接负载即可产生电流供应。

2.2 太阳能电池的制备和结构

太阳能电池是将太阳能转化成光能的光电转化器件，基本结构为PN 结。[1]

太阳能电池的开路电压，短路电流，填充因子和光电转化效率四项为太阳能电池最主要的基本参数。在各种太阳能电池中，硅电池的运用更为广泛，在太阳能电池使用的比重也占主要地位。制作方法即在P 型半导体器件上通过使用扩散法等相关技术形成一层N 型半导体层，从而组成PN 结。太阳能电池的主要制备工艺包括有：绒面制备，PN 结制备，铝背场的制备，正面和背面金属电极的制备。

太阳能电池中除了硅电池外还有许多种薄膜太阳电池，其中包括砷化镓太阳能电池，非晶硅太阳能电池，多晶硅薄膜太阳能电池和CIS

太阳能电池等等各种各样的薄膜电池。这些薄膜太阳能电

太阳能发电原理图 2.1

池的厚度通常只有1-10μm ，且制作成本更加廉价，而且可以实现大规模低成本生产。

PN 结的组合并不是普通的物理结合，而是使用合金法，扩散法，离子注入法，薄膜生长法等技术形成PN 结[5]。太阳能电池的基本结构主要分为两种。第一种是基质材料为P 型半导体材料的光电材料，在其扩散过程中提供了电子杂质，在P 型材料的表面上形成N 型材料，在这之中N 型材料面成为受光面。另一种是基质材料为N 型半导体材料，扩散过程中形成空穴，在N 型表面形成P 型半导体材料制备的PN 结。在这过程之中P 型材料为受光面。

最为典型的太阳能电池是晶体硅太阳能电池，研究最广，使用也是最为成熟。硅中电子迁移率为1350cm/（Vs ）大于空穴的迁移率480cm/（Vs ）[1]所以一般使用掺杂硼的P 型硅材料作为基质，扩散N 型半导体材料，通常使用磷作为N 型半导体的参杂材料。

晶体硅太阳能电池的结构如上图，P 型半导体作为基质，N 型半导体作为发射极，在N 型半导体上有绒面结构和减反射层外型类似像是金字塔结构，然后是一层成梳齿状的金属电极层，在整个器件的下方还有背电极，这个整体一起构成了典型的晶体硅太阳能电池。

晶体硅电池存在这固有的弱点，太阳能光电转化效率较低，硅材料是间接能带材料，硅的光吸收系数远远低于其他太阳能材料[2],且晶体硅需要多次提纯，成本相对较高，所以薄膜太阳能电池凭借自身的优点就引起了人们的关注，也激发了人们对薄膜太阳能电池的研发。

薄膜太阳能电池，根据其使用材料的不同可以分为GaAs 薄膜太阳能电池，非晶硅薄膜太阳能电池，多晶硅薄膜太阳能电池，CuInSe 薄膜太阳能电池，和CdTe 薄膜太阳能电池等。[3]

砷化镓薄膜太阳能电池物理性质更脆，是直接能带结构材料，光谱响应特性好，禁带宽度为

1.43eV[3]，转化效率较高，耐高温抗辐射性能较好，但是能耗高，设计复杂，成本高，应用较为狭窄。

非晶硅薄膜太阳能电池有短程有序，长程无序的特点，重量轻，工艺简单，成本和能耗低等优点只要用于，手表，计算器等消费产品。

多晶硅薄膜太阳能电池比起非晶硅太阳能电池，具有更高的效率，且不会产生光衰现象，衬底便宜，硅材料用料少。同样具有缺点，晶粒较小，效率仍然不是特别高。

CdTe 薄膜太阳能电池，其禁带宽度为1.45eV ，一般制备在玻璃衬底上，第一步先沉积一层SnO2薄膜，将其作为透明导电薄膜，然后在继续沉积一层N 型CdS 薄膜，作为窗口层，第三步沉积高价P 型CdTe 薄膜，最后制备金属解除层，这样就形成了完整的太阳能电池。

CuInSe2

薄膜太阳能电池，是一中具有黄铜矿结构的太阳能光电材料，可以分为单节电池和多

晶体硅太阳能电池的结构 2.2

节电池，主要以氧化铝或者玻璃为衬底，以Mo 膜作为导电层，N 型CdS 膜作为窗口层，和p 型薄膜材料组成，另外在表面组成一层氧化硅的减反射层，镀铝层作为金属电极。

2.3 太阳能电池的工作原理

在p 型半导体材料上面扩散一层n 型半导体层就会形成PN 结，p 型半导体中的多数载流子为空穴，n 型半导体中的多数载流子为电子，扩散一段时间后，将会形成了一个空间电荷区，此电荷区的电场方向由n 区指向p 区。多数载流子在电场中会反向漂移，最终达到动态平衡。达到平衡后，扩散产生的电流和飘逸产生的电流相等[4]。当太阳光照射时电池板时，其中一部分被反射，其余部分被半导体吸收或透射。被吸收的光，一些由于分子间的碰撞作用产生热能，另一些光则通过太阳能电池板的光电效应产生电子空穴对如图3。这是接入外接负载即会产生电流。

太阳能电池理想等效电路图如下 负载两端的电压V 和通过负载的电流I 之间的关系式：

I=I L -I O {[

]-1}

电子空穴对 图2.3

太阳能电池等效电路图 2.4

若太阳能电池的输出电流I为0时，这时我们可以得到太阳能电池两端的电压：

V=

此电压为太阳能电池板的开路电压。

将p-n结短路，即负载电阻，光生电压和光照时流过p-n结的正向电流均为零，则此时电流称为短路电流用I sc表示。

I SC=I L

在实际的太阳能电池板中，由于存在并联电阻R sh和串联电阻R s所以实际的等效电路如图4所示。

实际电路图 2.5

二极管的电流为I0

实际电流公式：

第三章原理分析

3.1 方案设计

太阳能光伏发电系统是太阳能吸收和转化装置，主要由太阳能电池，控制器，蓄电池等部分组成，原理图主要如图5。

太阳能电池发电结构图5

原理图 3.1

3.1.1 太阳能电池板

太阳能电池发电原理主要概括为以下：

⑴太阳能电池板收集太阳光

⑵太阳能电池板吸收具有一定能量的光子，激发出光生载流子（电子空穴对）。

⑶这些电信号相反的载流子在太阳能电池内电场作用下，电子空穴被分离，从而产生电动势。

即光生电压。

⑷在PN结两侧引出电极接上负载，在外电路中产生电流，光能就转化成了电能。

3.1.2 蓄电池

由太阳能电池给蓄电池进行充电，蓄电池外接直流负载，进行供电。蓄电池目前市场上主要分为四类，铅酸蓄电池，镉镍蓄电池，氢镍蓄电池和锂离子蓄电池。蓄电池可以反复使用。蓄电池还具有电压稳定供电可靠方便携带等优点。

3.1.3 控制器

蓄电池充电电路只要包括主充均充浮充三个阶段。在充电完成后切断电源。保证蓄电池的寿命。充电电路采用UC3906芯片。UC3906芯片作为蓄电池充电的专用芯片，具有对蓄电池充电控制和检测功能，充电控制电路如下图。

充电控制电路 3.2

该电路由充电电路，放点电路组成。充电时由UC3906芯片和一些外部原件组成充电器，太阳能电源加入输入电压，通过三极管对输出电压电流进行控制，为了防止蓄电池倒充在蓄电池中间串联了二极管。

在恒流充电状态下，输入电压加入后VT导通开始恒流充电，蓄电池电压升高，当电压达到95时，蓄电池转入过冲状态，充电电流开始下降，当下降到终止电流I0时UC3906的10脚输出低电平。当蓄电池对负载放电，端电压会逐渐下降，当蓄电池电压下降到预先设定的过放电压时，输出低电平，三极管截止接触器线圈中无电流通过，蓄电池停止像负载供电。[12]

由于在一年四季，一天早晚中太阳的位置并不一样，为了均衡充电，根据地理分析，太阳能板的角度为34度左右最为合适。

3.2 LED灯串

3.2.1 LED灯的选择。

LED内部结构图3.3

负载（霓虹灯）的光源选择LED灯如上图。发光二极管作为一中光学发光器件可以直接把电能转化为光能。P—N结芯片、电极和光学系统是LED的主要结构。发光是一种能量转换光子受激辐射现象，当系统受到外界激发后。会吸收能量从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态；当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，如果多余的能量以光的形式辐射出来。就会产生发光现象。LED灯可发出人眼可见的红、橙、黄、绿、蓝等颜色的可见光及近红外的不可见光。LED实际上是一个半导体的P—N结。其基本的工作原理是一个电光转换过程器件，是典型LED的基本构造图。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，放在一个有引线的架子上，然后四周密封环氧树脂，在保证

光线发射稳定的条件下还可以起到保护内部芯线的作用。所以LED的抗震性能好，显色性佳且适用范围广泛。

本次需要共计60个LED彩灯进行图案组合构成警示牌。在LED灯的连接方式上也存在着各种选择。主要影响LED灯串的各自工作。

3.2.2 LED灯的连接方法

在完成太阳能部分的电路设计之后，关于LED灯的连接方法有一下三种

1，全部串联法，这种连接方法电路设计较为简单每个LED灯珠的电流都相同所有LED彩灯同时亮，且亮度一样。只要保证太阳能电池板的电源供应串联适当多的灯珠既可。缺点明显，如果有某一颗LED灯珠开路损坏的话整条灯串都不亮。

2.先串联后并联，这个连接方法对电源的要求比较低，比较适合太阳能电池板不稳定的电流输出，几串灯珠状态相同情况下工作电流稳定。需要所有的LED彩灯同类型，不然会出现电流分配不均匀导致LED过热损坏，整个灯串熄灭，

3，先并联后串联，LED灯珠类型相同情况下电路比较稳定，并联越多越稳定，若有灯珠功率相差单个灯珠的工作电流会增大造成开路，对其他LED的影响较小，不会造成全部熄灭等后果

本次实验采用第三种先并联后串联的电路连接方法。电路稳定，若有灯泡损坏不会产生全灭的后果。效果较为适用。

第四章实物系统测试

4.1 实验材料和仪器

4.1.1太阳能电池板的电路板和电路芯片

4.1.2 LED灯串

LED灯串采用的是第三种先并后串的连接方法如下图，将其中一个灯断路其他LED彩灯仍然可以正常工作。

4.2实际制作

实际产品图

工作原理：讲上述太阳能电池充电放电电路与外接负载连接，60LED彩灯，总共需要10w左右的功当太阳光照射太阳能板时，由于光电效产生光生电动势，这种电压较低且不稳定，经过控制电路电压的转换使得电压达到足够使用的程度。稳定的电压直接给蓄电池进行充电，二极管保证电流不会倒充，打开开关后，蓄电池对外接负载供电，外接灯串产生电流，从而发光。太阳能LED灯利用的是太阳能，既省电又环保，同时LED光谱几乎全部集中于可见光，集成了太阳能LED的优点。

4.3 实验数据的统计与分析

光照条件下太阳能电池板的输出电流电压为下表

表1-1 太阳能电池板的电流电压

表1-2 太阳能充电时间测量

蓄电池的电压为1.2v

实际充电时间在4个小时左右可以使用长亮时间为9小时左右。

结论

该毕业设设计首先采用了太阳能电池作为能源，安全环保，通过上述元器件的组合，安装。在太阳光照射情况下，给蓄电池进行充电，充电结构简单，可以满足小功率器件的应用，随充随用，使用方便。由于蓄电池的限制，电量不是很足够，使用时间并不是很长，并不能确保在无光照条件下长时间供电。产品设计中还有许多不足之处，有待提高。太阳能可以成功应用到实际电路当中去，是一种绝佳的新能源，使用方便。效率仍可以提高，相信今后会有更多的产品创造出新的能源奇迹。

如果对蓄电池以及太阳能板进行调整，连接方式，蓄电池容量，则可以提高使用时间，减少充电时间，是器件更加适用。

参考文献

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