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随着可再生能源的快速发展,太阳能光伏产业正在蓬勃成长。为了测试太阳能电池的发电效率,需要使用太阳光模拟器进行室内模拟。LED光源由于具备节能、寿命长等优点,已成为太阳光模拟器的主流灯源之一。但在应用时,LED灯源也存在一些缺点和限制。本文将讨论LED太阳光模拟器在测试钙钛矿太阳能电池时的优劣分析。

什么是LED?

LED (Light Emitting Diode) 是一种二极管照明装置,它能把电能转换成光能。是由一个半导体材料制成的,当电流流过时可发出光。所发之光的颜色可以是红、黄、绿、蓝或白色,是根据不同的半导体材料而定。

优点包括高效率、长寿命、节能省电、可调光、快速发亮,绿色环保。因此,LED已经广泛应用于各种照明、显示器和通信系统等领域。

LED (Light Emitting Diode) 光源本身拥有许多优点,其中相当著名的特点如下:

1. 高效率:转换能效高,目前研发上可以转换85% 的电能为光能。

2. 寿命长:寿命非常长,在结温保持在25度的条件下,通常可以达到10,000 小时以上。

3. 节能省电:比传统灯具更省电,能减少80% 的能源消耗。

4. 可调光:LED 光源可以调节亮度,可以根据环境需求适当调整。

5. 快速发亮:点亮速度非常快,在开关时不需要等待时间。

6. 环保:LED 产品不含有毒物质,不会对环境造成危害。

将LED作为太阳光模拟器灯源又有什么优点?

根据LED灯源的特性,太阳光模拟器制造商通常会强调使用LED灯作为太阳光模拟器灯源有下列7点优势:

1. 色温可调:可以根据不同的需求,调整色温,用以模拟不同的日照情况。

2. 可控性高:可以根据不同的模拟需求,进行亮度和色温的调整。

3. 省电:耗电比传统的灯具灯源更低。

4. 环保:LED灯源不含有毒物质,对环境无害。

5. 寿命较长:LED光源的宣称寿命非常长,可以标榜可达10,000 小时以上,但前提是结温(Junction Temperature)恒定在25°C的条件下

6. 应用广泛:可用于各种植物照明、人工智能研究、光学研究、生物研究、摄影棚照明等领域

7. 可以模拟多种天气状态,如晴天,阴天等。

但LED灯真的这么好吗?长效寿命的定义与迷思

LED寿命是指在特定温度条件与特定电流条件下,维持发光亮度至少70%时间的时间。

其计算方式是以发光二极管的发光亮度衰减到剩原始亮度的70%,所需经历的时间为作为衡量标准,然而测试实验通常用多个灯泡为一组的实验中进行,当同组平均一半以上数量的LED灯光亮度衰减到70%的时候,其平均时间就是该LED灯泡群体的平均寿命,但寿命长度实验通常是在特定安排的理想使用环境条件下所量测评估的,例如必须控制温度、电流、环境等。常见的控制条件有在结温(Junction Temperature) 25°C下,2 mA特定电流条件下,进行发光强度与时间的寿命监控等等。

换言之,一旦使用的环境条件不符该LED灯在实验室量测标准条件,将会大幅影响寿命。

用LED作为光伏用太阳模拟器灯源不好吗?实际缺点与潜在问题

理论上,更高的驱动电流会增加光输出。但伴随而来的是会增加耗损功率且在最终造成光输出和效率的损失。此外,较高的温度也会导致LED 的正向电压降低,从而使恒流源的耗损功率更高。

因此同样地,LED 的主波长、光输出和正向电压相互影响,如下方所列。 (参考资料: NEWARK )

光输出与电参数和热参数之间的关系

电、热、光,三种要素均会影响LED 的输出特性。

图2.解释了光输出与电参数和热参数之间的关联。

容易热衰竭的LED灯--光输出随温度升高而降低

据文献指出,AlInGaP 四元LED 对热相当敏感,我们可以从实验中了解,白光 LED 的光通量要保持>80%,其结温就必须保持在 100°C 以下。而在琥珀色的LED,输出光通量也明显随着结温的升高而急剧下降。

上图为结温与光通量的关系。

容易随着温度变脸的LED灯----主波长(颜色变化)随温度变化

TJ 增加波长或颜色会偏移,LED的主波长取决于结温,我们可以在下列附表中看到依颜色划分的1瓦高亮度的典型值,表中可很明显发现,琥珀色是相当敏感的,因为它会移动 0.09nm/°C。

所以我们假设室内照明的环境情境,室温范围为10 至 40 摄氏度,那么在 30 摄氏度的温度范围内,琥珀色的主波长偏移为2.7 纳米 (40 - 10 * 0.09)。

场面越热,LED越Down----正向电压随温度降低

使用LED的研究人员不能不知道,当温度升高时,VF 降低 2mV/°C,虽然 LED 串联连接时,因为它驱动恒流,所以VF 变化应该不是一个严重的问题。但是如果LED是并联,VF就会随着温度升高而下降,导致电流增加。随着电流增加,TJ 就随之继续增加,导致 VF 更进一步下降,不断交互影响,直至达到平衡。反之,随着低温 VF 增加,就导致电流下降,这可能使得在恒压操作LED灯的环境下难以获得所需的固定光度。

热到不想动的LED----寿命随温度降低

LED 的可靠性是结温的直接函数,较高的结温往往会缩短LED 的使用寿命。而IES LM-80-08 是一项标准,规范了LED 制造商和照明制造商如何测试LED 组件,用以确定其随时间推移变化的发光性能。而LED 的 L70 寿命就是定义了LED 输出流明在25°C条件下,从100% 降低到70% 所经历的时间(如下图)。

LM-80-08 报告用于预测各种温度和驱动电流操作环境下的LED 流明维持率。下图解释了L70寿命与结温之间的关系。据观察,LED 寿命随着结温的升高而降低,在85°C下,LED 寿命均小于1200小时。(参考资料: MDPI)

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

LM-80-08 报告:中功率蓝色 LED在各外壳温度与正向电流下的LED 流明维持率。(参考资料: MDPI)

(参考资料: MDPI)