一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，包括輸入模塊和輸出模塊，其中，輸入模塊包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，用于將輸入電能轉(zhuǎn)換為光能，輸出模塊包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，用于將光能轉(zhuǎn)換為輸出電能，根據(jù)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間連接關(guān)系的不同，可以實(shí)現(xiàn)AC-AC、AC-DC、DC-AC或DC-DC電能轉(zhuǎn)換。本發(fā)明具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變流變壓的功能，安全可靠，使用壽命長(zhǎng)，安裝維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電流電壓變壓領(lǐng)域，特別涉及一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器。
【背景技術(shù)】
[0002]在電力與電子系統(tǒng)中，變流與變壓為常見(jiàn)且重要的環(huán)節(jié)。目前技術(shù)方案中，變壓與變流無(wú)法同時(shí)進(jìn)行，需要分割開(kāi)來(lái)分別完成。具體地，
[0003]AC(交流)-AC變壓:僅需實(shí)現(xiàn)變壓功能，多通過(guò)主次線(xiàn)圈之間的電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量的傳遞和變壓，缺點(diǎn)是體積大，重量大，能量密度低，并且對(duì)交流電的頻率有一定要求，頻率越低則體積越大，效率越低，對(duì)于很低頻的電流無(wú)法實(shí)現(xiàn)變壓。而過(guò)高的頻率則容易引起比較大的電磁損耗，因此電流頻率只能限制在一個(gè)較窄的范圍。
[0004]DC (直流)-DC變壓:傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)直流變壓，最近有研究者利用功率半導(dǎo)體器件作為開(kāi)關(guān)，利用電感電容作為儲(chǔ)能元件，在驅(qū)動(dòng)電路的控制下通過(guò)電路的原理實(shí)現(xiàn)DC-DC的電壓變換，缺點(diǎn)是裝置復(fù)雜，需要體積重量較大的無(wú)源元件，成本較高，電磁干擾及其引起的電磁兼容性問(wèn)題比較嚴(yán)重。
[0005]AC-DC變流變壓:需要先變壓后變流，變壓需要單獨(dú)的變壓的電路和器件，變流多是通過(guò)多個(gè)二極管構(gòu)成的整流橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，整流橋電路只能實(shí)現(xiàn)變流功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)變壓功能。
[0006]DC-AC變流變壓:需要先變流后變壓，變壓需要單獨(dú)的變壓電路和器件，變流多是通過(guò)功率半導(dǎo)體器件做開(kāi)關(guān)，結(jié)合濾波電路實(shí)現(xiàn)的，該部分也是只能實(shí)現(xiàn)變流功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)變壓功能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一，特別是提出一系列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、性能安全可靠的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器。
[0008]本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，包括:AC輸入模塊,所述AC輸入模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，所述AC輸入模塊用于將輸入交流電能轉(zhuǎn)換為光能;AC輸出模塊，所述AC輸出模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，所述AC輸出模塊用于將所述光能轉(zhuǎn)換為輸出交流電能。
[0009]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，其中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜與所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的吸收光譜之間頻譜匹配。
[0010]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述AC輸入模塊包括:第一輸入支路,所述第一輸入支路工作在輸入交流電流的正半周期，其中，所述第一輸入支路包括M1個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，M1為正整數(shù)；以及第二輸入支路，所述第二輸入支路與所述第一輸入支路并聯(lián)，且所述第二輸入支路工作在輸入交流電流的負(fù)半周期，其中，所述第二輸入支路包括M2個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，M2為正整數(shù)。[0011]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述AC輸出模塊包括:第一輸出支路,所述第一輸出支路與所述第一輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，且所述第一輸出支路包括N1個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N1為正整數(shù)；以及第二輸出支路，所述第二輸出支路與所述第一輸出支路并聯(lián)，且所述第一輸出支路和第二輸出支路的極性相反，所述第二輸出支路與所述第二輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，且所述第二輸出支路包括N2個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N2為正整數(shù)。
[0012]本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，包括:AC輸入模塊,所述AC輸入模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，所述AC輸入模塊用于將輸入交流電能轉(zhuǎn)換為光能；DC輸出模塊，所述DC輸出模塊包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，所述DC輸出模塊用于將所述光能轉(zhuǎn)換為輸出直流電能。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，其中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜與所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的吸收光譜之間頻譜匹配。
[0013]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述AC輸入模塊包括:第一輸入支路,所述第一輸入支路工作在輸入交流電流的正半周期，其中，所述第一輸入支路包括M1個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，M1為正整數(shù)；以及第二輸入支路，所述第二輸入支路與所述第一輸入支路并聯(lián)，且所述第二輸入支路工作在輸入交流電流的負(fù)半周期，其中，所述第二輸入支路包括M2個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，M2為正整數(shù)。
[0014]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述DC輸出模塊包括:第一輸出支路,所述第一輸出支路與所述第一輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，且所述第一輸出支路包括N1個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N1為正整數(shù)；以及第二輸出支路，所述第二輸出支路與所述第一輸出支路并聯(lián)，并且所述第一輸出支路和第二輸出支路的極性相同，所述第二輸出支路與所述第二輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，并且所述第二輸出支路包括N2個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N2為正整數(shù)。
[0015]本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，包括:DC輸入模塊,所述DC輸入模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，所述DC輸入模塊用于將輸入直流電能轉(zhuǎn)換為光能;AC輸出模塊，所述AC輸出模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，所述AC輸出模塊用于將所述光能轉(zhuǎn)換為輸出交流電能。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，其中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜與所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的吸收光譜之間頻譜匹配。
[0016]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述DC輸入模塊包括:第一輸入支路,所述第一輸入支路包括M1個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和第一控制開(kāi)關(guān)，所述第一控制開(kāi)關(guān)控制所述第一輸入支路在輸出交流電流的正半周期內(nèi)導(dǎo)通，其中，M1為正整數(shù)；以及第二輸入支路，所述第二輸入支路與所述第一輸入支路并聯(lián)，所述第二輸入支路包括M2個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和第二控制開(kāi)關(guān)，所述第二控制開(kāi)關(guān)控制所述第二輸入支路在輸出交流電流的負(fù)半周期內(nèi)導(dǎo)通，其中，M2為正整數(shù)。
[0017]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述AC輸出模塊包括:第一輸出支路,在正半周期內(nèi)所述第一輸出支路與所述第一輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，且所述第一輸出支路包括NI個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N1為正整數(shù)；以及第二輸出支路，所述第二輸出支路與所述第一輸出支路并聯(lián)，所述第一輸出支路和第二輸出支路的極性相反，在負(fù)半周期內(nèi)所述第二輸出支路與所述第二輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，且所述第二輸出支路包括N2個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N2正整數(shù)。
[0018]本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器,包括:DC輸入模塊,所述DC輸入模塊包括M個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，所述DC輸入模塊用于將輸入直流電能轉(zhuǎn)換為光能，其中，M為正整數(shù)；DC輸出模塊，所述DC輸出模塊包括N個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，所述DC輸出模塊用于將所述光能轉(zhuǎn)換為輸出直流電能，其中，N為正整數(shù)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，其中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜與所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的吸收光譜之間頻譜匹配。
[0019]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括發(fā)光二極管、諧振發(fā)光二極管、激光二極管、量子點(diǎn)發(fā)光器件或有機(jī)發(fā)光器件。
[0020]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體光伏器件、量子點(diǎn)光伏器件或有機(jī)材料光伏器件。
[0021]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述電光轉(zhuǎn)換層的材料為=AlGaInP，GaN, InGaN,InGaN, AlGaInN, ZnO, AlGaInAs, GaAs, InGaAs, InGaAsP, AlGaAs, AlGaInSb, InGaAsNSb 以及其它II1-V族，I1-VI族半導(dǎo)體材料，有機(jī)發(fā)光材料或量子點(diǎn)發(fā)光材料。
[0022]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述光電轉(zhuǎn)換層的材料為:AlGaInP、InGaAs, InGaN、AlGaInN, InGaAsP，GaAs, GaSb, InGaP, InGaAs, InGaAsP，AlGaAs, AlGaP, InAlP, AlGaAsSb,InGaAsNSb,其它II1-V族直接禁帶半導(dǎo)體材料及其組合，有機(jī)光伏材料或量子點(diǎn)光伏材料。
[0023]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括:隔離層，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)位于所述隔離層的一側(cè)，所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)位于所述隔離層的另一側(cè)，其中，所述隔離層為絕緣材料，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間通過(guò)所述隔離層材料本身的絕緣特性進(jìn)行隔離，或者，所述隔離層為半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述隔離層之間，以及所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述隔離層之間通過(guò)反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。
[0024]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括:襯底層，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)位于所述襯底層的同一側(cè)，所述襯底層具有反光結(jié)構(gòu)，所述反光結(jié)構(gòu)用于將所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的發(fā)射光反射到所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上，其中，所述襯底層為絕緣材料，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間通過(guò)所述襯底層材料本身的絕緣特性進(jìn)行隔離，或者，所述襯底層為半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述襯底層之間，以及所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述襯底層之間通過(guò)反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。
[0025]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括:光學(xué)陷阱，所述光學(xué)陷阱用于將光限制在所述半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器內(nèi)部，以防止光泄露引起的能量損失。
[0026]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光線(xiàn)傳播路徑上的各層材料的折射系數(shù)匹配。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)交流變壓的功能，安全可靠，使用壽命長(zhǎng)，安裝維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。更具體地，本發(fā)明應(yīng)用于A(yíng)C-AC場(chǎng)合時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，無(wú)頻率限制，從極低頻到極高頻的電流都可以處理；對(duì)各種波形適應(yīng)能力強(qiáng)，例如如方波、鋸齒波、正弦波以及各種調(diào)制信號(hào)等都可以不失真的處理。本發(fā)明應(yīng)用于DC-DC場(chǎng)合時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，直接實(shí)現(xiàn)了直流電壓的變換。本發(fā)明應(yīng)用于A(yíng)C-DC以及DC-AC場(chǎng)合時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，變流的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電壓變換。[0028]本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0030]圖1是本發(fā)明的第一實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的工作原理圖和結(jié)構(gòu)示意圖
[0031]圖2是本發(fā)明的第二實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的工作原理圖和結(jié)構(gòu)示意圖
[0032]圖3是本發(fā)明的第三實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的工作原理圖和結(jié)構(gòu)示意圖
[0033]圖4是本發(fā)明的第四實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的工作原理圖和結(jié)構(gòu)示意圖
[0034]圖5是本發(fā)明的具有隔離層的雙面結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖6是本發(fā)明的具有襯底層的單面結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖7是本發(fā)明的具有光學(xué)陷阱的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖8是本發(fā)明的第五實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖9是本發(fā)明的第六實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖；以及
[0039]圖10是本發(fā)明的第七實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0040]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0041]下文的公開(kāi)提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開(kāi)，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。
[0042]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，先對(duì)現(xiàn)有技術(shù)與本發(fā)明的原理進(jìn)行闡述和對(duì)比。從物理原理上說(shuō)，傳統(tǒng)的交流變壓器利用的是電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)體中的自由電子震蕩產(chǎn)生電磁場(chǎng)作為能量傳遞介質(zhì)，通過(guò)主次線(xiàn)圈之間的耦合傳遞能量，從而實(shí)現(xiàn)交流電壓變換。本發(fā)明中的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器遵循的是量子力學(xué)原理，通過(guò)半導(dǎo)體材料中載流子在不同能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生光子，利用光子作為能量傳遞介質(zhì)，再在另外的半導(dǎo)體材料中激發(fā)產(chǎn)生載流子，從而實(shí)現(xiàn)電壓電流的變換。因此，由于傳遞能量介質(zhì)的不同，粒子(光子)特性取代波(電磁波)的特性在本發(fā)明的電能轉(zhuǎn)換器器中成為基本的工作原理。
[0043]本發(fā)明中的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的總體能量轉(zhuǎn)換效率主要由三個(gè)因素決定:電光能量轉(zhuǎn)換效率，光電能量轉(zhuǎn)換效率，光能量損失。由于LED和光伏電池技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在先進(jìn)的半導(dǎo)體器件的電光轉(zhuǎn)換效率和光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，例如AlGaInP材料制備的紅光LED的內(nèi)量子效率已經(jīng)接近100%，GaN材料制備的藍(lán)光LED內(nèi)量子效率也已達(dá)到80%，而II1-V族光伏電池的內(nèi)量子效率也已接近100%，因此光能量損失就成為了限制本發(fā)明直流變壓器能量轉(zhuǎn)換效率的主要因素，因此本發(fā)明中提出了三種技術(shù)來(lái)盡量減小光能量損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率，分別是:電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)發(fā)射光譜與光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)吸收光譜之間的頻譜匹配以減少光子的非吸收損失和熱損失，光線(xiàn)傳播路徑上的各個(gè)材料的折射系數(shù)匹配以減少全反射臨界角損失和菲涅耳損失，光陷阱以減少光線(xiàn)泄露引起的能量損失。這些在下文中有具體的說(shuō)明。
[0044]下面參考圖1來(lái)介紹本發(fā)明的第一實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，該半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器用于交流/交流變壓的情況。
[0045]如圖1(a)所示，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，包括AC輸入模塊和AC輸出模塊。其中，AC輸入模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)1，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I包括電光轉(zhuǎn)換層，該AC輸入模塊用于將輸入交流電能轉(zhuǎn)換為光能;AC輸出模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2包括光電轉(zhuǎn)換層，該AC輸出模塊用于將光能轉(zhuǎn)換為輸出交流電能。在本發(fā)明的實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I的發(fā)射光譜與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2的吸收光譜之間頻譜匹配。
[0046]具體地，AC輸入模塊包括:相互并聯(lián)的第一輸入支路AA’和第二輸入支路BB’。其中，第一輸入支路AA’工作在正半周期，第一輸入支路AA’包括M1個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)1，其中，M1為正整數(shù)。第二輸入支路BB’工作在負(fù)半周期，第二輸入支路BB’包括M2個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)1，其中，M2為正整數(shù)。優(yōu)選地,M1 = M2。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2為多個(gè)，在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2也可為一個(gè)。并且，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I和多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2為相互串聯(lián),而在本發(fā)明的其他實(shí)施例中，多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I和多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2也可為相互并聯(lián)，或者相互串并聯(lián)。在以下的實(shí)施例中也是同樣的，因此之后不再贅述。
[0047]具體地，AC輸出模塊包括:相互并聯(lián)的第一輸出支路CC’和第二輸出支路DD’，并且第一輸出支路Ce’和第二輸出支路DD’的極性相反。其中，第一輸出支路CC’與第一輸入支路AA’之間構(gòu)成光學(xué)通路，且第一輸出支路CC’包括N1個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，其中，N1為正整數(shù)。第二輸出支路DD ’與第二輸入支路BB ’之間構(gòu)成光學(xué)通路，且第二輸出支路DD’包括N2個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，其中，N2為正整數(shù)。優(yōu)選地，N1 = N2。
[0048]圖1(b)進(jìn)一步示出了本發(fā)明的第一實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特別是揭示了各部分之間的相對(duì)位置和相互連接關(guān)系。如圖所示，該半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器中，兩個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I串聯(lián)構(gòu)成第一輸入支路，另外兩個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I串聯(lián)構(gòu)成第二輸入支路，第一輸入支路與第二輸入支路互相并聯(lián)進(jìn)而構(gòu)成AC輸入模塊。四個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2構(gòu)成第一輸出支路，另外四個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2構(gòu)成第二輸出支路，第一輸出支路與第二輸出支路互相并聯(lián)進(jìn)而構(gòu)成AC輸出模塊。需要說(shuō)明的是，圖1 (b)中的Mp M2取值為2，N1, N2取值為4，但該數(shù)值僅僅是作為示例的方便，而非本發(fā)明的限定。圖1(b)中的連線(xiàn)方式可以在不改變?cè)淼那疤嵯赂鶕?jù)實(shí)際情況作適應(yīng)性修改。還包括了隔離層3，有關(guān)隔離層3的闡述在后文中再做詳細(xì)介紹。
[0049]在上述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器中，假設(shè)在A(yíng)C輸入模塊的每個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I上輸入直流電壓V1,以在半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I中注入載流子復(fù)合產(chǎn)生光子，光子傳輸至半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，激發(fā)產(chǎn)生不同的載流子，并通過(guò)內(nèi)建電場(chǎng)分離，每個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2上輸出直流電壓V2,從而利用光波實(shí)現(xiàn)能量傳輸。在該能量傳輸過(guò)程中，一方面，V1和V2的數(shù)值取決于半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2的材料特性參數(shù)，如材料種類(lèi)、應(yīng)變特性、禁帶寬度、摻雜濃度等，故通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的特性參數(shù)以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換效率最優(yōu)化；另一方面，利用二者的數(shù)目比例實(shí)現(xiàn)變壓。例如，圖1(b)所示的實(shí)施例，輸出總電壓/輸入總電壓=2 (V2A1)0本發(fā)明的其他半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的也可根據(jù)同樣原理計(jì)算輸出總電壓/輸入總電壓，后文不再贅述。
[0050]下面參考圖2來(lái)介紹本發(fā)明的第二實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，該半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器用于交流/直流變流變壓的情況。
[0051]如圖2(a)所示，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，包括:AC輸入模塊和DC輸出模塊。其中，AC輸入模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)1，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I包括電光轉(zhuǎn)換層，該AC輸入模塊用于將輸入交流電能轉(zhuǎn)換為光能；DC輸出模塊包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2包括光電轉(zhuǎn)換層，該DC輸出模塊用于將光能轉(zhuǎn)換為輸出直流電能。在本發(fā)明的實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I的發(fā)射光譜與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2的吸收光譜之間頻譜匹配。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可為多個(gè)，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可為一個(gè)；在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可均為多個(gè)。在以下的實(shí)施例中，將以多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行描述，但需要說(shuō)明的是以下實(shí)施例僅是示意性地，并不是對(duì)本發(fā)明的限制。
[0052]具體地，AC輸入模塊包括:相互并聯(lián)的第一輸入支路AA’和第二輸入支路BB’。其中，第一輸入支路AA’工作在正半周期，第一輸入支路AA’包括M1個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I，其中，M1為正整數(shù)。第二輸入支路BB’工作在負(fù)半周期，第二輸入支路BB’包括M2個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)1，其中，M2為正整數(shù)。優(yōu)選地,M1 = M2。
[0053]具體地，DC輸出模塊包括:相互并聯(lián)的第一輸出支路CC’和第二輸出支路DD’，并且第一輸出支路Ce’和第二輸出支路DD’的極性相同。其中，第一輸出支路CC’與第一輸入支路AA’之間構(gòu)成光學(xué)通路，且第一輸出支路CC’包括N1個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，其中，N1為正整數(shù)。第二輸出支路DD ’與第二輸入支路BB ’之間構(gòu)成光學(xué)通路，且第二輸出支路DD’包括N2個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，其中，N2為正整數(shù)。優(yōu)選地，NI =N2。
[0054]需要說(shuō)明的是，輸出支路可以為僅有一個(gè)支路，該支路與第一、第二輸入支路組成光學(xué)通路，還可以是兩個(gè)支路相并聯(lián)，這兩個(gè)支路分別與第一、第二輸入支路組成光學(xué)通路。但在后一種情況之中，為防止出現(xiàn)“一個(gè)輸出支路工作、提供電壓，另一個(gè)輸出支路不工作、成為負(fù)載”的回路現(xiàn)象，需要在每個(gè)輸出支路中串聯(lián)一個(gè)用于防止逆流的二極管。
[0055]圖2(b)進(jìn)一步示出了本發(fā)明的第二實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特別是揭示了各部分之間的相對(duì)位置和相互連接關(guān)系。如圖所示，該半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器中，四個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I構(gòu)成第一輸入支路和第二輸入支路，進(jìn)而構(gòu)成AC輸入模塊。八個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2構(gòu)成輸出支路，進(jìn)而構(gòu)成DC輸出模塊。圖2(b)中還包括了隔離層3，有關(guān)隔離層3的闡述在后文中再做詳細(xì)介紹。需要說(shuō)明的是，圖2(b)中的半導(dǎo)體電光/光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目，以及其間的連接方式僅是出于示例的方便，而非本發(fā)明的限定。
[0056]下面參考圖3來(lái)介紹本發(fā)明的第三實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，該半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器用于直流/交流變流變壓的情況。
[0057]如圖3(a)所示，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，包括:DC輸入模塊和AC輸出模塊。其中，DC輸入模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)1，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I包括電光轉(zhuǎn)換層，該DC輸入模塊用于將輸入直流電能轉(zhuǎn)換為光能;AC輸出模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2包括光電轉(zhuǎn)換層，該AC輸出模塊用于將光能轉(zhuǎn)換為輸出交流電能。在本發(fā)明的實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I的發(fā)射光譜與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2的吸收光譜之間頻譜匹配。
[0058]具體地，DC輸入模塊包括:相互并聯(lián)的第一輸入支路AA’和第二輸入支路BB’，并且第一輸出支路Ce’和第二輸出支路DD’的極性相反。其中，第一輸入支路AA’包括札個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I和第一控制開(kāi)關(guān)Kl，第一控制開(kāi)關(guān)Kl控制第一輸入支路AA’在正半周期內(nèi)導(dǎo)通，其中，M1為正整數(shù)。第二輸入支路包括M2個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I和第二控制開(kāi)關(guān)K2，第二控制開(kāi)關(guān)K2控制第二輸入支路BB’在負(fù)半周期內(nèi)導(dǎo)通，其中，M2為正整數(shù)。優(yōu)選地，M1 = M2。
[0059]具體地，AC輸出模塊包括:相互并聯(lián)的第一輸出支路CC’和第二輸出支路DD’。其中第一輸出支路Ce’，在正半周期內(nèi)第一輸出支路CC’與第一輸入支路AA’之間構(gòu)成光學(xué)通路，且第一輸出支路CC’包括N1個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，其中，N1為正整數(shù)。第二輸出支路DD’，在負(fù)半周期內(nèi)第二輸出支路DD’與第二輸入支路BB’之間構(gòu)成光學(xué)通路，且第二輸出支路DD’包括N2個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，其中，N2為正整數(shù)。優(yōu)選地，N1
[0060]圖3(b)進(jìn)一步示出了本發(fā)明的第三實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特別是揭示了各部分之間的相對(duì)位置和相互連接關(guān)系。如圖所示，該半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器中，四個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I和控制開(kāi)關(guān)K1、K2構(gòu)成第一輸入支路和第二輸入支路,進(jìn)而構(gòu)成DC輸入模塊。八個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2構(gòu)成第一輸出支路和第二輸出支路,進(jìn)而構(gòu)成AC輸出模塊。圖3(b)中還包括了隔離層3，有關(guān)隔離層3的闡述在后文中再做詳細(xì)介紹。需要說(shuō)明的是，圖3(b)中的半導(dǎo)體電光/光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目，以及期間的連接方式僅是出于示例的方便，而非本發(fā)明的限定。
[0061]下面參考圖4來(lái)介紹本發(fā)明的第四實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，該半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器用于直流/直流變壓的情況。
[0062]如圖4(a)所不,本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器,包括:DC輸入模塊和DC輸出模塊。其中，DC輸入模塊包括M個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)1，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I包括電光轉(zhuǎn)換層，該DC輸入模塊用于將輸入直流電能轉(zhuǎn)換為光能，其中，M為正整數(shù)。DC輸出模塊包括N個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2包括光電轉(zhuǎn)換層，該DC輸出模塊用于將光能轉(zhuǎn)換為輸出直流電能，其中，M為正整數(shù)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I的發(fā)射光譜與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2的吸收光譜之間頻譜匹配。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可為一個(gè)，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可為多個(gè)；在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可為多個(gè)，半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可為一個(gè)；在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可為均為多個(gè)。在以下的實(shí)施例中，將以多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行描述，但需要說(shuō)明的是以下實(shí)施例僅是示意性地，并不是對(duì)本發(fā)明的限制。[0063]圖4(b)進(jìn)一步示出了本發(fā)明的第四實(shí)施例半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，特別是揭示了各部分之間的相對(duì)位置和相互連接關(guān)系。如圖所示，該半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器中，四個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I構(gòu)成DC輸入模塊。八個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2構(gòu)成DC輸出模塊。圖4(b)中還包括了隔離層3，有關(guān)隔離層3的闡述在后文中再做詳細(xì)介紹。需要說(shuō)明的是，圖4(b)中的半導(dǎo)體電光/光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目，以及期間的連接方式僅是出于示例的方便，而非本發(fā)明的限定。
[0064]上述四個(gè)實(shí)施例的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器中，主要差異在于半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2之間的連接細(xì)節(jié)有所不同，并無(wú)本質(zhì)差異。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器還具有如下技術(shù)特征。
[0065]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I包括發(fā)光二極管、諧振發(fā)光二極管、激光二極管、量子點(diǎn)發(fā)光器件或有機(jī)發(fā)光器件。半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I中的電光轉(zhuǎn)換層的材料可為=AlGaInP，GaN, InGaN, InGaN, AlGaInN, ZnO, AlGaInAs, GaAs,InGaAs, InGaAsP, AlGaAs, AlGaInSb, InGaAsNSb 以及其它 III 族氮系化合物、III 族砷系或磷系化合物半導(dǎo)體材料及其組合，有機(jī)發(fā)光材料或量子點(diǎn)發(fā)光材料。
[0066]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2包括半導(dǎo)體光伏器件、量子點(diǎn)光伏器件或有機(jī)材料光伏器件。半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2中的光電轉(zhuǎn)換層的材料可為:AlGaInP、InGaAs> InGaN、AlGaInN, InGaAsP, GaAs, GaSb, InGaP, InGaAs, InGaAsP,AlGaAs, AlGaP, InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其它II1-V族直接禁帶半導(dǎo)體材料及其組合，有機(jī)光伏材料或量子點(diǎn)光伏材料。
[0067]需要指出的是，光電轉(zhuǎn)換層的吸收光譜與所述電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光譜之間頻譜匹配，即電光轉(zhuǎn)換層發(fā)出的光線(xiàn)要與光電轉(zhuǎn)換層光電轉(zhuǎn)換效率最優(yōu)化的光線(xiàn)特性匹配，以使器件的電光-光電能量轉(zhuǎn)換效率較高，轉(zhuǎn)換過(guò)程中光子的能損較少。具體地:電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光可以是與光電轉(zhuǎn)換層的吸收效率最大處一致對(duì)應(yīng)的單色光，也可能為其他頻率的、能使光電轉(zhuǎn)換層發(fā)生光伏效應(yīng)的量子效率大于I的特定頻率光線(xiàn)，一種優(yōu)化的情況是電光轉(zhuǎn)換層發(fā)射的光子能量的大小既能確保光子可以被光電轉(zhuǎn)換層吸收，又不會(huì)由于光子能量過(guò)高導(dǎo)致多余能量作為熱損失掉，一種可能的理想狀況是電光轉(zhuǎn)換層與光電轉(zhuǎn)換層有源材料的禁帶寬度一致，從而既能確保光線(xiàn)吸收又不會(huì)引起剩余光子能量的損失。需要說(shuō)明的是，在本發(fā)明的實(shí)施例中單色光具有一定的光譜寬度，例如，對(duì)于紅光LED來(lái)說(shuō)具有20nm左右的光譜寬度，而非限定某個(gè)具體的頻率點(diǎn)，此為公知技術(shù)，在此不再贅述。
[0068]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，可以為圖5所示的具有隔離層3的雙面結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2分別位于隔離層3的兩側(cè)。隔離層3對(duì)電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光透明，所謂透明是指隔離層材料的禁帶寬度大于光子的能量，這樣能夠保證不會(huì)引起能帶躍遷，導(dǎo)致作為能量載體的光子的損耗。隔離層3用于半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2之間的電氣隔離。隔離原理可以是利用材料本身的絕緣特性進(jìn)行隔離，還可以通過(guò)在電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)21、光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)22之間設(shè)置反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，隔離層3可以為絕緣材料，例如固態(tài)透明絕緣介質(zhì)的 Al2O3, AIN, SiO2, MgO, Si3N4, BN,金剛石，LiAlO2, LiGaO2, GaAs, SiC,TiO2, ZrO2, SrTiO3, Ga2O3, ZnS, SiC, MgAl2O4, LiNbO3, LiTaO3，釔鋁石榴石(YAG)晶體，KNbO3,LiF, MgF2, BaF2, GaF2, LaF3, BeO, GaP, GaN以及稀土氧化物REO中的一種及其組合，也可以為填充在殼體中的液態(tài)透明絕緣介質(zhì)的純水，CCl4, CS2，或者SF6等氣態(tài)透明絕緣介質(zhì)。在本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，隔離層3可以為半導(dǎo)體材料，例如GaP，GaAs, InP, GaN, Si，Ge,GaSb以及其它對(duì)工作光線(xiàn)透明的半導(dǎo)體材料，通過(guò)對(duì)隔離層3進(jìn)行摻雜、注入等工藝，以在電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與隔離層3之間，以及光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2與隔離層3之間形成PN結(jié)，然后將PN結(jié)置于反偏狀態(tài)以禁止導(dǎo)通電流的出現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
[0069]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，還可以為圖6所示的具有襯底層3的單面結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其中，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2位于襯底層3的同側(cè)，以及襯底層3中具有反光結(jié)構(gòu)31。襯底層3對(duì)電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光透明，所謂透明是指隔離層材料的禁帶寬度大于光子的能量，這樣能夠保證不會(huì)引起能帶躍遷，導(dǎo)致作為能量載體的光子的損耗。反光結(jié)構(gòu)31能使電光轉(zhuǎn)換層的發(fā)射光改變傳播方向而轉(zhuǎn)向光電轉(zhuǎn)換層，實(shí)現(xiàn)能量傳遞。襯底層3除支撐作用之外還用于半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2之間的電氣隔離。隔離原理可以是利用材料本身的絕緣特性進(jìn)行隔離，還可以通過(guò)在電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)21、光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)22之間設(shè)置反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，襯底層3可以為絕緣材料，例如固態(tài)透明絕緣介質(zhì)的Al2O3, A1N，SiO2, MgO, Si3N4, BN,金剛石，LiAlO2, LiGaO2, GaAs, SiC, TiO2, ZrO2, SrTiO3, Ga2O3, ZnS, SiC,MgAl2O4, LiNb03, LiTaO3,釔鋁石榴石(YAG)晶體，KNbO3, LiF, MgF2, BaF2, GaF2, LaF3, BeO,GaP, GaN以及稀土氧化物REO中的一種及其組合，也可以為填充在殼體中的液態(tài)透明絕緣介質(zhì)的純水，CCl4, CS2或者SF6等氣態(tài)透明絕緣介質(zhì)。在本發(fā)明的另一些實(shí)施例中，襯底層3可以為半導(dǎo)體材料，例如GaP，GaAs, InP, GaN, Si，Ge，GaSb以及其它對(duì)工作光線(xiàn)透明的半導(dǎo)體材料，通過(guò)對(duì)襯底層3進(jìn)行摻雜、注入等工藝，以在電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)I與襯底層3之間，以及光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2與襯底層3之間形成PN結(jié)，然后將PN結(jié)置于反偏狀態(tài)以禁止導(dǎo)通電流的出現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
[0070]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，優(yōu)選地，還可以包括光學(xué)陷阱，該光學(xué)陷阱用于將工作光線(xiàn)限制在半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器內(nèi)部，特別是限制在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的電光轉(zhuǎn)換層和光電轉(zhuǎn)換層之間，防止漏光帶來(lái)的光能量損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率。圖7示出了一種具有光學(xué)陷阱的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其中光學(xué)陷阱4可為反光材料層，用于將光線(xiàn)限制在半導(dǎo)體變壓內(nèi)部。
[0071]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，優(yōu)選地，光線(xiàn)傳播路徑上的各層材料的折射系數(shù)匹配。換言之，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)1、隔離層(襯底層)3以及半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)2的折射率滿(mǎn)足匹配條件。所謂匹配是指三者的折射系數(shù)類(lèi)似，或者三者的折射系數(shù)沿著光路傳播的方向各層材料的折射系數(shù)逐漸遞增，這樣可有效避免光傳播過(guò)程中在各層界面處發(fā)生全反射現(xiàn)象，獲得良好的光電能量轉(zhuǎn)換效率。
[0072]為使本發(fā)明的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器更好地被本領(lǐng)域技術(shù)人員理解，發(fā)明人將本發(fā)明中的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)一步劃分為多個(gè)層次進(jìn)行詳細(xì)介紹。需要說(shuō)明的是，下文對(duì)本發(fā)明的闡述側(cè)重于各層次的材料及用途，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，設(shè)定半導(dǎo)體光電變壓器為雙面結(jié)構(gòu)，半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的數(shù)目均為一個(gè)。
[0073]圖8所示為根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖。該半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器包括:第一電極層100 ;形成在第一電極層100之上的電光轉(zhuǎn)換層102 ;形成在電光轉(zhuǎn)換層102之上的第二電極層104 ;形成在第二電極層104之上的第一隔離層106 ;形成在第一隔離層106之上的第三電極層108 ;形成在第三電極層108之上的光電轉(zhuǎn)換層110 ;以及形成在光電轉(zhuǎn)換層110之上的第四電極層112。
[0074]其中，電光轉(zhuǎn)換層102用以將輸入的直流電轉(zhuǎn)換為光，發(fā)出所需要的波長(zhǎng)范圍的工作光線(xiàn)。工作光線(xiàn)包括從IOOnm的紫外光到IOum的紅外光的整個(gè)光譜范圍中的一個(gè)或多個(gè)波段的組合，優(yōu)選為單頻率的光線(xiàn)，例如620nm的紅光、460nm的藍(lán)光、380nm的紫光，以有利于運(yùn)用成熟的現(xiàn)有技術(shù)制造電光轉(zhuǎn)換層。例如電光轉(zhuǎn)換層102可以采用具有高量子效率、高電光轉(zhuǎn)換效率的結(jié)構(gòu)和材料。具體地，可以為L(zhǎng)ED結(jié)構(gòu)或激光器結(jié)構(gòu)，一般包括有源層，限制層，電流分散層，P型和N型接觸等結(jié)構(gòu)，其中有源層可以為多量子阱結(jié)構(gòu)，激光器結(jié)構(gòu)的電光轉(zhuǎn)換層還包括諧振腔，LED結(jié)構(gòu)包括諧振LED結(jié)構(gòu)。電光轉(zhuǎn)換層102的材料選擇基于材料自身特性(如缺陷密度、能帶結(jié)構(gòu)等)和所需要的光波特性(如波長(zhǎng)范圍)，例如可以采用紅黃光的AlGaInP,紫外的GaN和InGaN、藍(lán)紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO、紅光或紅外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs,以及其它III族氮系化合物、III族As系或磷系化合物半導(dǎo)體材料及其組合，其中缺陷密度低、光轉(zhuǎn)換效率高的材料(如AlGalnP、InGaN, GaN)為優(yōu)選。
[0075]其中，光電轉(zhuǎn)換層110用以將光轉(zhuǎn)換為電以實(shí)現(xiàn)變壓。光電轉(zhuǎn)換層110的材料包括 AlGalnP，InGaAs, InGaN, AlGaInN, InGaAsP, InGaP,以及其它 II1-V 族直接禁帶半導(dǎo)體材料及其組合。電光轉(zhuǎn)換層102—般可以選用直接禁帶半導(dǎo)體材料，其能帶結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換層110的能帶結(jié)構(gòu)相匹配以使電光轉(zhuǎn)換層102發(fā)出的工作光線(xiàn)的波段與光電轉(zhuǎn)換層110吸收效率最高的波段相匹配，以達(dá)到最高的能量轉(zhuǎn)換效率。
[0076]其中，第一隔離層106、第二電極層104和第三電極層108對(duì)電光轉(zhuǎn)換層102發(fā)出的工作光線(xiàn)透明。在本發(fā)明實(shí)施例中，第二電極層104、第一隔離層106和第三電極層108材料的禁帶寬度大于電光轉(zhuǎn)換層102發(fā)出的工作光線(xiàn)的光子能量，以防止第二電極層104、隔離106層和第三電極層108對(duì)所述工作光線(xiàn)的吸收，提高能量轉(zhuǎn)換效率。
[0077]此外，第一隔離層106、第二電極層104和第三電極層108的材料折射系數(shù)與電光轉(zhuǎn)換層102和光電轉(zhuǎn)換層110的材料折射系數(shù)匹配，以避免光傳播過(guò)程中在界面處發(fā)生全反射。由于當(dāng)且僅當(dāng)光線(xiàn)從折射系數(shù)較大的材料進(jìn)入折射系數(shù)較小的材料時(shí)發(fā)生全反射，故在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉(zhuǎn)換層110的材料折射系數(shù)相同，以避免光從電光轉(zhuǎn)換層102傳輸至光電轉(zhuǎn)換層110時(shí)在各界面處發(fā)生全發(fā)射；在本發(fā)明一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施例中，第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉(zhuǎn)換層110的材料折射系數(shù)梯次增加。所述“梯次增加”的含義是:每個(gè)所述層的材料折射系數(shù)不小于其前一個(gè)所述層的材料折射系數(shù)，即某些所述層的材料折射系數(shù)可以與其前一個(gè)所述層相同，但所述各層的材料折射系數(shù)整體呈遞增趨勢(shì)；在本發(fā)明一個(gè)更優(yōu)選的實(shí)施例中，第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉(zhuǎn)換層110的材料折射系數(shù)逐漸增加。通過(guò)上述更優(yōu)選的實(shí)施例，一方面避免光從電光轉(zhuǎn)化層102向光電轉(zhuǎn)換層110方向傳輸時(shí)(包括電光轉(zhuǎn)換層102產(chǎn)生的光以及所述各電極層和各反射層反射的光)發(fā)生全反射，以提高光的傳輸效率；另一方面促使光從光電轉(zhuǎn)換層Iio向電光轉(zhuǎn)換層102方向傳輸時(shí)(主要包括光電轉(zhuǎn)換層110的第三和第四電極以及第二反射層反射的光)發(fā)生全發(fā)射，以將更多的光限制在光電轉(zhuǎn)化層Iio中，從而提高光轉(zhuǎn)換為電的效率。
[0078]另外，本發(fā)明還可以采用在不同材料層的界面處通過(guò)粗糙化或規(guī)則的圖形如光子晶體結(jié)構(gòu)等來(lái)減低全反射。故在本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例中，電光轉(zhuǎn)換層102、第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉(zhuǎn)換層110中的至少一個(gè)具有粗糙化表面或光子晶體結(jié)構(gòu)，以增大光透射率，降低光的全反射。
[0079]第一隔離層106用于實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換層102和光電轉(zhuǎn)換層110的電氣隔離，使輸入電壓和輸出電壓不相互影響，同時(shí)對(duì)工作光線(xiàn)透明，使攜帶能量的光線(xiàn)能夠從光電轉(zhuǎn)換層102傳輸?shù)诫姽廪D(zhuǎn)換層110，實(shí)現(xiàn)能量的傳輸，最終實(shí)現(xiàn)電壓變換。第一隔離層106的厚度取決于輸入輸出的電壓的大小以及絕緣要求，第一隔離層越厚，絕緣效果越好，能承受的擊穿電壓越高，但同時(shí)對(duì)光的衰減可能越大，因此絕緣層厚度的確定原則為:在滿(mǎn)足絕緣要求下越薄越好?；谏鲜鲆?，在本發(fā)明實(shí)施例中，第一隔離層106的材料優(yōu)選為Al2O3,A1N，SiO2, MgO, Si3N4, BN,金剛石，LiAlO2, LiGaO2,半絕緣的 GaAs, SiC 或 GaP，GaN 中的一種及其組合，以及稀土氧化物REO及其組合。第二電極層104和第三電極層108的材料可以為重?fù)诫s的GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導(dǎo)電透明金屬氧化物材料ITO(銦錫氧化物)、SnO2、ZnO及其組合等。
[0080]在本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，第一電極層100和電光轉(zhuǎn)換層102之間還包括第一反射層101，第四電極層112和光電轉(zhuǎn)換層110之間還包括第二反射層111，如圖8所示。所述第一和第二反射層將光限制在電光轉(zhuǎn)換層102和光電轉(zhuǎn)換層110之間來(lái)回反射，以防止光泄露，提高光的能量轉(zhuǎn)換效率。反射層的材料需要滿(mǎn)足對(duì)工作光線(xiàn)反射效率高、材料性能穩(wěn)定、界面接觸電阻低、導(dǎo)電性好等要求。具體可以通過(guò)以下兩種方式實(shí)現(xiàn):一種是布拉格反射鏡結(jié)構(gòu)，利用多層折射率不同的材料層實(shí)現(xiàn)反射，比如采用兩種不同折射率的材料(例如折射率相差的0.6的GaAs和AlAs，折射率相差2.2的Si和稀土氧化物RE0)制成多層結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)反射；一種是金屬全反射鏡結(jié)構(gòu)，可以直接淀積高導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率的金屬實(shí)現(xiàn)反射，例如Ag、Au、Cu、N1、Al、Sn、Co、W及其組合等。由于與反射層相接觸的背電極層(即第一電極層100和第四電極層112)的厚度較厚，故反射層采用金屬全反射鏡結(jié)構(gòu)同時(shí)兼具散熱的功能，可以將變壓器內(nèi)部產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出來(lái)。
[0081]其中，第一電極層100和第四電極層112用作引出電極以輸入輸出電流，由于不需要對(duì)工作光線(xiàn)透明，故可以采用金屬、合金、陶瓷、玻璃、塑料、導(dǎo)電氧化物等材料形成單層和/或多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中優(yōu)選為低電阻率的金屬，例如Cu。優(yōu)選地，可以通過(guò)增加金屬電極層的厚度以降低電阻，同時(shí)起到熱沉的作用以散熱。
[0082]需指出的是，由于該半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的輸入閾值電壓和輸出電壓決定于光電轉(zhuǎn)換層和電光轉(zhuǎn)換層的材料特性參數(shù)，如禁帶寬度、摻雜濃度等，故通過(guò)調(diào)節(jié)相應(yīng)的特性參數(shù)以實(shí)現(xiàn)變壓。進(jìn)一步地，可以根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)調(diào)整電光轉(zhuǎn)換層102和光電轉(zhuǎn)換層110的數(shù)目比以提高變壓幅度，實(shí)現(xiàn)預(yù)期變壓，例如，如圖9所示，半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)電光轉(zhuǎn)換層102和兩個(gè)光電轉(zhuǎn)換層IlOA和110B，該結(jié)構(gòu)相對(duì)于包含相同單個(gè)電光轉(zhuǎn)換層和單個(gè)光電轉(zhuǎn)換層的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，增加了垂直結(jié)構(gòu)的變壓，故變壓比更大。
[0083]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，將第一電極層100、形成在第一電極層100之上的電光轉(zhuǎn)換層102、以及形成在電光轉(zhuǎn)換層102之上的第二電極層104作為一個(gè)電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；同理將第三電極層108、形成在第三電極層108之上的光電轉(zhuǎn)換層110、以及形成在光電轉(zhuǎn)換層110之上的第四電極層112作為一個(gè)光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。該半導(dǎo)體直流光電變壓器還可以在垂直方向上包括多層交替堆疊的電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。每相鄰的電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間包括隔離層，以進(jìn)一步提高直流電壓變壓比。其中，多個(gè)電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(或多個(gè)光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu))相互串聯(lián)，每個(gè)電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(或每個(gè)光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu))的結(jié)構(gòu)可以參考上述實(shí)施例所述的結(jié)構(gòu)。圖10所不為在垂直方向上具有兩個(gè)電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和一個(gè)光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體直流光電變壓器結(jié)構(gòu)示意圖，其中，電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間分別包括第一隔離層106和第二隔離層107。需指出的是，在該結(jié)構(gòu)中，除首個(gè)和末個(gè)電光(或光電)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之外，中間每個(gè)電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的第一電極層和第四電極層不能選用金屬電極，而選用與第二和第三電極層相同的重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料GaAs、GaN、GaP, AlGalnP、AlGaInN, AlGaInAs,或者導(dǎo)電透明金屬氧化物材料ITO、SnO2, ZnO及其組合，從而有利于光線(xiàn)傳播。
[0084]本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，通過(guò)在半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器的輸入端設(shè)置電光轉(zhuǎn)換層，利用半導(dǎo)體電子能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的光輻射，將直流電轉(zhuǎn)換為光進(jìn)行傳輸，在輸出端設(shè)置光電轉(zhuǎn)換層以將光轉(zhuǎn)化為電能輸出，由于輸入端與輸出端單位單兀的電壓分別取決于電光轉(zhuǎn)換層和光電轉(zhuǎn)換層材料的特性參數(shù)及數(shù)目，故該變壓器可直接實(shí)現(xiàn)直流電壓的變壓，而通過(guò)連接方式的改變，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)交流到直流變流變壓，直流到交流變流變壓，以及交流變壓。
[0085]根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變流變壓的功能，安全可靠，使用壽命長(zhǎng)，安裝維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。更具體地，本發(fā)明應(yīng)用于A(yíng)C-AC場(chǎng)合時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，無(wú)頻率限制，從極低頻到極高頻的電流都可以處理；對(duì)各種波形適應(yīng)能力強(qiáng)，如方波、鋸齒波、正弦波以及各種調(diào)制信號(hào)等都可以不失真的處理。本發(fā)明應(yīng)用于DC-DC場(chǎng)合時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，直接實(shí)現(xiàn)了直流電壓的變換。本發(fā)明應(yīng)用于A(yíng)C-DC以及DC-AC場(chǎng)合時(shí)，與現(xiàn)有技術(shù)相比，變流的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電壓變換。
[0086]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器,其特征在于,包括:AC輸入模塊，所述AC輸入模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，所述AC輸入模塊用于將輸入交流電能轉(zhuǎn)換為光能；AC輸出模塊，所述AC輸出模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，所述AC輸出模塊用于將所述光能轉(zhuǎn)換為輸出交流電能。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜與所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的吸收光譜之間頻譜匹配。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述AC輸入模塊包括:第一輸入支路，所述第一輸入支路工作在輸入交流電流的正半周期，其中，所述第一輸入支路包括M1個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，M1為正整數(shù)；以及第二輸入支路，所述第二輸入支路與所述第一輸入支路并聯(lián)，且所述第二輸入支路工作在輸入交流電流的負(fù)半周期，其中，所述第二輸入支路包括M2個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，M2為正整數(shù)。
4.如權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述AC輸出模塊包括:第一輸出支路，所述第一輸出支路與所述第一輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，且所述第一輸出支路包括N1個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N1為正整數(shù)；以及第二輸出支路，所述第二輸出支路與所述第一輸出支路并聯(lián)，且所述第一輸出支路和第二輸出支路的極性相反，所述第二輸出支路與所述第二輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，且所述第二輸出支路包括N2 個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N2為正整數(shù)。
5.—種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器,其特征在于,包括:AC輸入模塊，所述AC輸入模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，所述AC輸入模塊用于將輸入交流電能轉(zhuǎn)換為光能；DC輸出模塊，所述DC輸出模塊包括一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，所述DC輸出模塊用于將所述光能轉(zhuǎn)換為輸出直流電能。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜與所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的吸收光譜之間頻譜匹配。
7.如權(quán)利要求5或6所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器,其特征在于,所述AC輸入模塊包括:第一輸入支路，所述第一輸入支路工作在輸入交流電流的正半周期，其中，所述第一輸入支路包括M1個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，M1為正整數(shù)；以及第二輸入支路，所述第二輸入支路與所述第一輸入支路并聯(lián)，且所述第二輸入支路工作在輸入交流電流的負(fù)半周期，其中，所述第二輸入支路包括M2個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，M2為正整數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器,其特征在于,所述DC輸出模塊包括:第一輸出支路，所述第一輸出支路與所述第一輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，且所述第一輸出支路包括N1個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N1為正整數(shù)；以及第二輸出支路，所述第二輸出支路與所述第一輸出支路并聯(lián)，并且所述第一輸出支路和第二輸出支路的極性相同，所述第二輸出支路與所述第二輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，并且所述第二輸出支路包括N2個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N2為正整數(shù)。
9.一種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，包括:DC輸入模塊，所述DC輸入模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，所述DC輸入模塊用于將輸入直流電能轉(zhuǎn)換為光能；AC輸出模塊，所述AC輸出模塊包括多個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，所述AC輸出模塊用于將所述光能轉(zhuǎn)換為輸出交流電能。
10.如權(quán)利要求9所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜與所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的吸收光譜之間頻譜匹配。
11.如權(quán)利要求9或10所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述DC輸入模塊包括:第一輸入支路，所述第一輸入支路包括M1個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和第一控制開(kāi)關(guān)，所述第一控制開(kāi)關(guān)控制所述第一輸入支路在輸出交流電流的正半周期內(nèi)導(dǎo)通，其中，M1為正整數(shù)；以及第二輸入支路， 所述第二輸入支路與所述第一輸入支路并聯(lián)，所述第二輸入支路包括M2個(gè)串聯(lián)的半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和第二控制開(kāi)關(guān)，所述第二控制開(kāi)關(guān)控制所述第二輸入支路在輸出交流電流的負(fù)半周期內(nèi)導(dǎo)通，其中，M2為正整數(shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述AC輸出模塊包括:第一輸出支路，在正半周期內(nèi)所述第一輸出支路與所述第一輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，且所述第一輸出支路包括NI個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N1為正整數(shù)；以及第二輸出支路，所述第二輸出支路與所述第一輸出支路并聯(lián)，所述第一輸出支路和第二輸出支路的極性相反，在負(fù)半周期內(nèi)所述第二輸出支路與所述第二輸入支路之間構(gòu)成光學(xué)通路，且所述第二輸出支路包括N2個(gè)串聯(lián)的所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其中，N2正整數(shù)。
13.—種半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器,其特征在于,包括:DC輸入模塊，所述DC輸入模塊包括M個(gè)半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括電光轉(zhuǎn)換層，所述DC輸入模塊用于將輸入直流電能轉(zhuǎn)換為光能，其中，M為正整數(shù)；DC輸出模塊，所述DC輸出模塊包括N個(gè)半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電轉(zhuǎn)換層，所述DC輸出模塊用于將所述光能轉(zhuǎn)換為輸出直流電能，其中，N為正整數(shù)。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，其中，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的發(fā)射光譜與所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的吸收光譜之間頻譜匹配。
15.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括發(fā)光二極管、諧振發(fā)光二極管、激光二極管、量子點(diǎn)發(fā)光器件或有機(jī)發(fā)光器件。
16.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體光伏器件、量子點(diǎn)光伏器件或有機(jī)材料光伏器件。
17.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述電光轉(zhuǎn)換層的材料為:AlGaInP, GaN, InGaN, InGaN, AlGaInN, ZnO, AlGaInAs, GaAs, InGaAs,InGaAsP，AlGaAs, AlGaIn Sb, InGaAsNSb 以及其它 II1-V 族，I1-VI 族半導(dǎo)體材料，有機(jī)發(fā)光材料或量子點(diǎn)發(fā)光材料。
18.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換層的材料為:AlGaInP、InGaAs> InGaN、AlGaInN, InGaAsP, GaAs, GaSb, InGaP, InGaAs,InGaAsP, AlGaAs, AlGaP, InAlP, AlGaAsSb, InGaAsNSb，其它 II1-V 族直接禁帶半導(dǎo)體材料及其組合，有機(jī)光伏材料或量子點(diǎn)光伏材料。
19.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，還包括:隔離層，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)位于所述隔離層的一側(cè)，所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)位于所述隔離層的另一側(cè)，其中，所述隔離層為絕緣材料，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間通過(guò)所述隔離層材料本身的絕緣特性進(jìn)行隔離，或者，所述隔離層為半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述隔離層之間，以及所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述隔離層之間通過(guò)反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。
20.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，還包括:襯底層，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)位于所述襯底層的同一側(cè)，所述襯底層具有反光結(jié)構(gòu)，所述反光結(jié)構(gòu)用于將所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的發(fā)射光反射到所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上，其中，所述襯底層為絕緣材料，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)之間通過(guò)所述襯底層材料本身的絕緣特性進(jìn)行隔離，或者，所述襯底層為半導(dǎo)體材料，所述半導(dǎo)體電光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述襯底層之間，以及所述半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述襯底層之間通過(guò)反偏PN結(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隔離。
21.如權(quán)利要求1-14中 任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，還包括:光學(xué)陷阱，所述光學(xué)陷阱用于將光限制在所述半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器內(nèi)部，以防止光泄露引起的能量損失。
22.如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體光電電能轉(zhuǎn)換器，其特征在于，光線(xiàn)傳播路徑上的各層材料的折射系數(shù)匹配。
【文檔編號(hào)】H01L31/167GK103456828SQ201210452127
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月10日
【發(fā)明者】郭磊 申請(qǐng)人:郭磊