技术领域

本发明涉及变电配电技术及电子元器件领域， 特别涉及一种半导体光电电能转换系统。 背景技术

在电力与电子系统中， 电能转换依靠变流与变压来实现， 该过程是常见且重要的环 节， 其中交流 /交流变压、 交流 /直流变流变压、 直流 /交流变流变压、 直流 /直流变压都 有很广泛的应用。

现有技术中， 交流 /交流变压通常釆用电磁场作为能量传输介盾� � 利用电磁感应原 理通过不同匝数的输入输出线圏之间的耦合实 现变压； 交流 /直流变流变压则釆用二极 管构成的整流桥电路来实现； 直流 /直流变压通过功率半导体器件与驱动电路、 储能用 的电感或电容等器件构成的变换器来实现； 直流 /交流变流变压则通过功率半导体器件 与驱动电路、 滤波电路来实现。 以上方案中， 均存在以下缺点： 所需的装置复杂， 元件 众多， 体积较大， 相位难同步， 有电磁辐射， 有一定能量损失， 不能耐高压、 稳定性较差 等。 为此， 开发一种能够电能转换的器件和系统， 以及相对应的封装形式具有非常重要 的价值。 发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问 题之一或至少提供一种有用的商业选择。 为此， 本发明的一个目的在于提出一种结构筒单、 电压和功率可灵活扩展的半导体光电电能 转换系统。

根据本发明实施例的半导体光电电能转换系统 ， 包括： 基板； 多个光电电能转换模块， 所述多个光电电能转换模块之间相互串联和 /或并联， 以实现电压和 /或功率的扩展， 其中， 所述光电电能转换模块进一步包括： 隔离层， 所述隔离层对所述光电电能转换模块的工作光 线透明； 形成在所述隔离层之上的一个或多个的电光转 换结构， 用于将输入电能转换为所述 工作光线发射； 和形成在所述隔离层之上的一个或多个的光电 转换结构， 用于将所述工作光 线转换为输出电能， 其中， 所述光电转换结构的吸收光语与所述电光转换 结构发射光语之间 频谱匹配。

在本发明的一个实施例中， 所述光电电能转换模块为 DC (直流） -DC型光电电能转换模 块、 AC (交流） -AC型光电电能转换模块、 AC-DC型光电电能转换模块或 DC-AC型光电电能 转换模块。 在本发明的一个实施例中， 所述光电电能转换模块中， 所述电光转换结构包括发光二极 管、 谐振发光二极管、 激光二极管、 量子点发光器件或有机发光器件。

在本发明的一个实施例中， 所述光电电能转换模块中， 所述光电转换结构包括半导体光 伏电池、 量子点光伏电池或有机材料光伏电池。

在本发明的一个实施例中， 所述光电电能转换模块中， 所述隔离层为绝缘材料， 所述电 光转换结构、 所述电光转换结构之间通过材料本身的绝缘特 性进行隔离； 或者， 所述隔离层 为半导体材料， 所述电光转换结构与所述隔离层之间、 所述光电转换结构与所述隔离层之间 通过反偏 PN结结构进行隔离。

在本发明的一个实施例中， 所述光电电能转换模块为扁平形状器件， 并且所述光电电能 转换模块的输入端和输出端呈对角线交叉分布 。

在本发明的一个实施例中， 所述半导体光电电能转换系统还包括： 调节模块， 所述调节 模块与所述多个光电电能转换模块的总输入端 和总输出端相连，用于通过监测所述总输出端 的工作参数 , 反馈调节所述总输入端的工作参数。

在本发明的一个实施例中， 所述光电电能转换模块中， 光线传播路径上的各层材料的折 射系数匹配。

在本发明的一个实施例中， 所述光电电能转换模块中， 还包括光学陷阱， 所述光学陷 阱用于将光线限制在所述光电电能转换模块内 部。

才艮据本发明实施例的半导体光电电能转换系 统至少具有如下优点：

( 1 )该系统包括多个光电电能转换模块， 每个模块不仅可以自身实现 DC-DC电能转换， 还可以实现 DC-AC、 AC-DC或 AC-AC电能转换， 并通过灵活串并联连接以实现功率和 /或电压 扩展。

( 2 )该系统中的光电电能转换模块和基板都为扁� �形状， 比表面积大， 利于散热。

( 3 )该系统釆用对角线电极分布封装， 连线之间筒洁美观不交叉， 为组装工作带来便 利， 同时可以降低相邻光电电能转换模块之间的电 压差， 增大电极之间的绝缘距离， 从而提 高绝缘特性， 能有效防止击穿。

( 4 )该系统的输入电路提供一个固定的输入电压� �， 在输出电路上可设多个抽头， 同 时输出不同的电压， 满足不同使用需求。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部 分给出， 部分将从下面的描述中变得明 显， 或通过本发明的实践了解到。 附图说明

本发明的上述和 /或附加的方面和优点从结合下面附图对实施� �的描述中将变得明显和 容易理解， 其中：

图 1是本发明的半导体光电电能转换系统的结构� �意图；

图 2是本发明另一个半导体光电电能转换系统的� �构示意图；

图 3是本发明的半导体光电电能转换系统中的 DC-DC型光电电能转换模块的工作原理图 和侧视结构示意图；

图 4是本发明的半导体光电电能转换系统中的 AC-AC型光电电能转换模块的工作原理图 和侧视结构示意图；

图 5是本发明的半导体光电电能转换系统中的 AC-DC型光电电能转换模块的工作原理图 和侧视结构示意图；

图 6是本发明的半导体光电电能转换系统中的 DC-AC型光电电能转换模块的工作原理图 和侧视结构示意图；

图 Ί是本发明的一个实施例的半导体光电电能转� ��系统中的光电电能转换模块的结构示 意图；

图 8是本发明的另一个实施例的半导体光电电能� �换系统中的光电电能转换模块的结构 示意图；

图 9是本发明的另一个实施例的半导体光电电能� �换系统中的光电电能转换模块的结构 示意图；

图 1 0是本发明的具有调节模块的半导体光电电能� �换系统的结构示意图；

图 1 1是图 1 0的调节模块的原理示意图；

图 12是本发明的光电电能转换模块的外观示意图� ��

图 1 3是本发明的多个光电电能转换模块的串联连� �的示意图；

图 14是本发明的多个光电电能转换模块的先串联� ��并联连接的示意图； 和

图 1 5是本发明的多个光电电能转换模块的输出引� �的示意图。 具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例， 所述实施例的示例在附图中示出， 其中自始至终相同或 类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同 或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的 实施例是示例性的， 旨在用于解释本发明， 而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中， 需要理解的是， 术语 "中心"、 "纵向"、 "横向"、 "长度"、 "宽度，，、 "厚度，，、 "上，，、 "下，，、 "前，，、 "后，，、 "左，，、 "右，，、 "竖直"、 "水平"、 "顶，，、 "底" "内，，、 "外，，、 "顺时针"、 "逆时针" 等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方 位或位置关系， 仅是为 了便于描述本发明和筒化描述， 而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有 特定的方位、 以特定的方位构造和操作， 因此不能理解为对本发明的限制。

此外， 术语 "第一，，、 "第二，， 仅用于描述目的， 而不能理解为指示或暗示相对重要性或 者隐含指明所指示的技术特征的数量。 由此， 限定有 "第一，，、 "第二，， 的特征可以明示或者 隐含地包括一个或者更多个该特征。 在本发明的描述中， "多个，， 的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。

在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 术语 "安装"、 "相连"、 "连接"、 "固定" 等 术语应做广义理解， 例如， 可以是固定连接， 也可以是可拆卸连接， 或一体地连接； 可以是 机械连接， 也可以是电连接； 可以是直接相连， 也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个 元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员 而言， 可以根据具体情况理解上述术语在本发 明中的具体含义。

在本发明中， 除非另有明确的规定和限定， 第一特征在第二特征之 "上" 或之 "下" 可 以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括 第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之 间的另外的特征接触。 而且， 第一特征在第二特征 "之上"、 "上方" 和 "上面" 包括第一特 征在第二特征正上方和斜上方， 或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。 第一特征在第 二特征 "之下，，、 "下方，， 和 "下面，， 包括第一特征在第二特征正上方和斜上方， 或仅仅表示 第一特征水平高度小于第二特征。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，先对 现有技术与本发明的原理进行阐述和对比。 从物理原理上说， 传统的交流变压器利用的是电磁感应原理， 导体中的自由电子震荡产生电 磁场作为能量传递的， 通过主次线圏之间的耦合传递能量， 从而实现交流电压变换。 本发明 中的半导体光电电能转换系统遵循的是量子力 学原理，通过半导体材料中载流子在不同能级 间的跃迁产生光子，利用光子作为能量传递介 盾，再在另外的半导体材料中激发产生载流子 ， 从而实现电压变换。 因此， 由于传递能量介盾的不同， 粒子 （光子）特性取代波（电磁波） 的特性在本发明的直流变压器中成为基本的工 作原理。

本发明提出了一种半导体光电电能转换系统， 包括： 基板； 多个光电电能转换模块， 所 述多个光电电能转换模块之间相互串联和 /或并联， 以实现电压和 /或功率的扩展， 其中， 所 述光电电能转换模块进一步包括： 隔离层， 所述隔离层对所述光电电能转换模块的工作光 线 透明； 形成在所述隔离层之上的一个或多个的电光转 换结构， 用于将输入电能转换为所述工 作光线发射； 和形成在所述隔离层之上的一个或多个的光电 转换结构， 用于将所述工作光线 转换为输出电能， 其中， 所述光电转换结构的吸收光语与所述电光转换 结构发射光语之间频 谱匹配。

本发明中的半导体光电电能转换系统的总体能 量转换效率主要由三个因素决定： 电光能 量转换效率， 光电能量转换效率， 光能量损失。 由于 LED和光伏电池技术的发展， 现在先进 的半导体器件的电光转换效率和光电转换效率 已经达到了很高的水平，例如 AlGalnP材料制 备的红光 LED的内量子效率已经接近 100%, GaN材料制备的蓝光 LED 内量子效率也已达到 80%, 而 I I I-V族光伏电池的内量子效率也已接近 100%, 因此光能量损失就成为了限制本发 明直流变压器能量转换效率的主要因素，因此 本发明中提出了三种技术来尽量减小光能量损 失， 提高能量转换效率， 分别是： 电光转换结构发射光语与光电转换结构吸收光 语之间的频 谱匹配以减少光子的非吸收损失和热损失，光 线传播路径上的各个材料的折射系数匹配以减 少全反射临界角损失和菲涅耳损失， 光陷阱以减少光线泄露引起的能量损失。 这些在下文中 有具体的说明。

下面结合附图对本发明的实施例的半导体光电 电能转换系统做进一步阐释。

如图 1所示， 本发明的半导体光电电能转换系统包括： 基板 1和多个光电电能转换模块 2。 其中， 基板 1用于支撑和散热， 材料可为金属， 陶瓷或者塑料， 优选密度小、 热导率好 的铝合金或铜。 多个光电电能转换模块 1整齐排布地固定在基板 1上，单个光电电能转换模 块 1的输出输入电压与功率是固定的，多个光电� �能转换模块 1之间通过灵活连接方式实现 不同的输出输入电压比与功率扩展。

优选地， 如图 2所示， 本发明的半导体光电电能转换系统可也以由多 个基板 1和多个光 电电能转换模块 1组成， 多个基板排列成堆叠状， 可以使有限空间中容纳更多光电电能转换 模块 2 , 实现高电压或者大电流的高功率输出。

本发明的半导体光电电能转换系统中的光电电 能转换模块 2可以有 DC-DC型电能转换模 块（参考图 3 )、 AC-AC型电能转换模块（参考图 4 )、 AC-DC型电能转换模块（参考图 5 ) 以 及 DC-AC型电能转换模块（参考图 6 ) 四种， 四者的主要区别在于其中的电光转换结构和光 电转换结构之间的连接方式不同， 本领域技术人员在实际应用中可以需求灵活设 置。 需要说 明的是， 图 6中的控制开关元件 K1和 K2可以有多种形式， 例如 M0S管等等， 可以很方便地 片上集成。 图 6所示的 DC-AC电能转换的光电电能转换模块的工作状态� ��： K1与 K2轮流导 通， 以使输出端轮流呈现正半周期和负半周期， 即产生交流输出。 下面以最筒单最实用的 DC-DC电能转换功能的光电电能转换模块为例， 详细阐述介绍其发明的光电电能转换模块的 基本结构。

图 3 )为 DC-DC型光电电能转换模块的工作原理图， 其中箭头表示工作光线。 在输入 端的每个电光转换结构 21上输入直流电压 VI , 以在电光转换结构 21 中注入载流子复合产 生光子， 光子传输至光电转换结构 22 , 以在光电转换结构 22中激发产生不同的载流子， 并 通过内建电场分离，每个光电转换结构 11上输出直流电压 V2 ,从而利用光波实现能量传输。 需要指出的是， 电光转换结构 21 与光电转换结构 22 的工作光线应当匹配。 在该能量传 输过程中，一方面， VI和 V2的数值取决于电光转换结构 21和光电转换结构 11的材料特性 参数， 如材料种类、 应变特性、 禁带宽度、 掺杂浓度等， 故通过调节相应的特性参数以 实现能量转换效率最优化； 另一方面， 通过在输入端和输出端分别串联一定数目的电 光转 换结构 21和光电转换结构 22, 利用二者的数目比例实现直流变压。 例如， 假设电光转 换结构 21为 m个，光电转换结构 11为 n个，则输出总电压 /输入总电压 =(n*V2)/(m*Vl)。 在本发明的一个实施例中， 电光转换结构可为一个， 光电转换结构可为多个； 在本发明 的另一个实施例中， 电光转换结构可为多个， 光电转换结构可为一个； 在本发明的再一 个实施例中， 电光转换结构及半导体光电转换结构可为均为 多个。

图 3 (b)为 DC-DC型光电电能转换模块的侧视结构示意图， 该图对应图 1中光电电能转 换模块 2在 A-A'处截得的侧视图。 从图 3 (b) 中可以看到， 光电电能转换模块 2进一步包 括： 隔离层 23, 形成在隔离层 23 之上的多个串联的电光转换结构 21, 以及形成在隔离层 23之上的多个串联的光电转换结构 22。 具体地：

电光转换结构 21可为发光二极管（ LED )、谐振发光二极管（RC-LED)或激光二极管（ LD )、 有机发光器件或量子点发光器件。 这几种器件均能够有效地将电能转换为光能， 工作性能稳 定可靠， 并且热效应少， 并且 RC-LED进一步具有方向性好、 调变速度较高的优点， LD进一 步具有单色性好、 亮度较高的优点。 电光转换结构 21 包括电光转换层， 其材料可为红黄 光的 AlGalnP, 紫外的 GaN和 InGaN, 蓝紫光的 InGaN、 AlGalnN和 ZnO, 红光或红外光 的 AlGaInAs、 GaAS、 InGaAs、 InGaAsP、 AlGaAs、 InGaAsNSb 以及其它 III族氮系化合 物、 III族砷系或磷系化合物半导体材料及其组合， 有机发光材料或量子点发光材料。

光电转换结构 22 可为具有背接触 ( back contact ) 或埋接触 ( buried contact ) 的单面引出电极结构的半导体光伏电池、 量子点光伏电池或有机材料光伏电池。 具有背接 触或埋接触的单面引出电极结构的光电池， 其受光面可以避免受到电极遮光影响， 故能 量转换效率更高， 并且受光面更加均一美观， 可以降低组装难度， 提高组装密度。 光电 转换结构 11包括光电转换层，其材料可为 AlGalnP, InGaAs, InGaN, AlGalnN, InGaAsP, GaAs, GaSb, InGaP, InGaAs, InGaAsP, AlGaAs, AlGaP, InAlP, AlGaAsSb, InGaAsNSb, 其它 III一 V族直接禁带半导体材料及其组合， 有机光伏材料或量子点光伏材料。

隔离层 23对电光转换结构 21发出的工作光线透明， 用于电光转换结构 21与光电转换 结构 22之间的电气隔离。 隔离原理可以是利用材料本身的绝缘特性进行 隔离， 还可以通过 在多个电光转换结构 21、 多个光电转换结构 22之间设置反偏 PN结结构进行隔离。 在本发 明的一个实施例中，隔离层 23可以为绝缘材料，例如固态透明绝缘介盾的 A 1 ₂ 0 ₃ , A1N, Si0 ₂ , MgO, Si ₃ N ₄ , BN, 金刚石， LiA10 ₂ , LiGa0 ₂ , GaAs, SiC, Ti0 ₂ , Zr0 ₂ , SrTi0 ₃ , Ga ₂ 0 ₃ , ZnS, SiC, MgAl ₂ 0 ₄ , LiNb0 ₃ , LiTa0 ₃ , 乙铝石榴石（YAG)晶体， KNb0 ₃ , LiF, MgF ₂ , BaF ₂ , GaF ₂ , LaF ₃ , BeO, GaP, GaN以及稀土氧化物 REO 中的一种及其组合， 也可以为填充在壳体中 的液态透明绝缘介盾的纯水， CC1 ₄ , CS ₂ 或者 SF ₆ 等气态透明绝缘介盾。 在本发明的另一 实施例中， 隔离层 23可以为半导体材料， 例如 GaP , GaAs , InP , GaN , S i , Ge , GaSb以 及其它对工作光线透明的半导体材料， 通过对隔离层 23 进行掺杂、 注入等工艺， 以在 多个电光转换结构 21与隔离层 23之间， 以及多个光电转换结构 22与 23之间形成 PN结， 然后将 PN结置于反偏状态以禁止导通电流的出现， 从而实现多个电光转换结构 21与多 个光电转换结构 22之间的电气隔离。

其中， 光电转换结构 11的数目与电光转换结构 21的数目成比例以实现变压， 且光电转 换结构 11的吸收光谱与电光转换结构 21的发射光谱之间频谱匹配。 所谓频谱匹配是指， 电 光转换结构 21发出的光线要与光电转换结构 22光电转换效率最优化的光线特性匹配， 以使电光 -光电能量转换效率较高， 转换过程中的光子的能损较少。 具体地： 电光转换 结构 21的发射光可以是与光电转换结构 22的吸收效率最大处对应的单色光， 也可能为 其他频率的、 能使光电转换结构 22发生量子效率大于 1 的光伏效应的特定频率光线， 一种优化的情况是电光转换层发射的光子能量 的大小既能确保光子可以被光电转换层吸收， 又不会由于光子能量过高导致多余能量作为热 损失掉，一种可能的理想状况是电光转换层与 光电转换层有源材料的禁带宽度一致，从而既 能确保光线吸收又不会 I起剩余光子能量的损 失。 需要说明的是， 上述 "单色光" 具有一定的光谱宽度， 例如， 对于红光 LED来说具 有 20nm左右的光谱宽度， 而非限定某个具体的频率点， 此为公知技术， 在此不再赘述。

需要说明的是， 虽然图 3示出的是多个电光转换结构 21与多个光电转换结构 22位于隔 离层 23两侧的情况， 但在本发明另一些实施例中， 也可以是多个电光转换结构 21与多个光 电转换结构 11位于隔离层 23的同一侧， 并在隔离层 23底部设置反光结构以使多个电光转 换结构 21的发射光经反光结构后发送至多个光电转换� ��构 22。

优选地， 在光电电能转换模块 2中， 光线传播路径上的各层材料的折射系数匹配。 换 言之， 电光转换结构 21、 隔离层 23以及光电转换结构 11的折射率满足匹配条件。 所谓匹 配是指三者的折射系数类似， 或者三者的折射系数沿着光路传播的方向各层 材料的折射 系数逐渐递增， 这样可有效避免光传播过程中在各层界面处发 生全反射现象， 获得良好 的光电能量转换效率。

优选地， 光电电能转换模块 2中还可进一步包括光学陷阱， 该光学陷阱用于将工作光 线限制在光电电能转换模块 2 内部， 特别是限制在实现能量转换过程的电光转换层 和光 电转换层之间， 防止漏光带来的光能量损失， 提高能量转换效率。

为使本发明的光电电能转换模块 2更好地被本领域技术人员理解， 发明人将本发明 中的半导体电光转换结构 21和半导体光电转换结构 22进一步划分为多个层次进行详细 介绍。 需要说明的是， 下文对本发明的阐述侧重于各层次的材料及用 途， 为筒便起见， 设定半导体光电变压器为双面结构， 半导体电光转换结构和半导体光电转换结构的 数目 均为一个。 图 7所示为才 居本发明一个实施例的光电电能转换模块 2的结构示意图。该光电电能转 换模块 1包括： 第一电极层 100; 形成在第一电极层 100之上的电光转换层 102; 形成在电 光转换层 102之上的第二电极层 104; 形成在第二电极层 104之上的第一隔离层 106; 形成 在第一隔离层 106之上的第三电极层 108; 形成在第三电极层 108之上的光电转换层 110; 以及形成在光电转换层 110之上的第四电极层 112。

其中， 电光转换层 102用以将输入的直流电转换为光， 发出所需要的波长范围的工作光 线。 工作光线包括从 lOOnm的紫外光到 10画的红外光的整个光语范围中的一个或多个� ��段 的组合， 优选为单频率的光线， 例如 620nm的红光、 460nm的蓝光、 380nm的紫光， 以有利 于运用成熟的现有技术制造电光转换层。 例如电光转换层 102可以釆用具有高量子效率、 高 电光转换效率的结构和材料。 具体地， 可以为 LED结构或激光器结构， 一般包括有源层， 限 制层， 电流分散层， PN 结等结构， 其中有源层可以为多量子阱结构， 激光器结构的电光转 换层还包括谐振腔， LED结构包括谐振 LED结构。 电光转换层 102的材料选择基于材料自 身特性（如缺陷密度、 能带结构等）和所需要的光波特性（如波长范 围）， 例如可以釆用红 黄光的 AlGalnP, 紫外的 GaN和 InGaN、 蓝紫光的 InGaN和 AlGaInN、 ZnO、 红光或红外 光的 AlGaInAs、 GaAS、 InGaAs 、 以及其它 111族氮系化合物、 III族 As 系或碑系化合 物半导体材料及其组合，其中缺陷密度低、光 转换效率高的材料（如 AlGaInP、 InGaN, GaN) 为优选。

其中， 光电转换层 110用以将光转换为电以实现变压。 光电转换层 110的材料包括 AlGalnP, InGaAs, InGaN, AlGalnN, InGaAsP, InGaP, 以及其它 III-V族直接禁带半 导体材料及其组合。 电光转换层 102—般可以选用直接禁带半导体材料， 其能带结构和 光电转换层 110的能带结构相匹配以使电光转换层 102发出的工作光线的波段与光电转 换层 110吸收效率最高的波段相匹配， 以达到最高的光波能量转换效率。

其中， 第一隔离层 106、 第二电极层 104和第三电极层 108对电光转换层 102发出 的工作光线透明。 在本发明实施例中， 第二电极层 104、 第一隔离层 106和第三电极层 108材料的禁带宽度大于电光转换层 102发出的工作光线的光子能量， 以防止第二电极 层 104、 隔离 106层和第三电极层 108对所述工作光线的吸收， 提高光波转换效率。

此外， 第一隔离层 106、 第二电极层 104和第三电极层 108的材料折射系数与电光 转换层 102和光电转换层 110的材料折射系数匹配， 以避免光传播过程中在界面处发生 全反射。 由于当且仅当光线从折射系数较大的材料进入 折射系数较小的材料时发生全反射， 故在本发明一个优选的实施例中， 第二电极层 104、 第一隔离层 106、 第三电极层 108 和光电转换层 110的材料折射系数相同， 以避免光从电光转换层 102传输至光电转换层 110 时在各界面处发生全发射； 在本发明一个更优选的实施例中， 第二电极层 104、 第 一隔离层 106、 第三电极层 108和光电转换层 110的材料折射系数梯次增加。 所述 "梯 次增加 "的含义是：每个所述层的材料折射系数不小� �其前一个所述层的材料折射系数， 即某些所述层的材料折射系数可以与其前一个 所述层相同，但所述各层的材料折射系数 整体呈递增趋势； 在本发明一个更优选的实施例中， 第二电极层 104、 第一隔离层 106、 第三电极层 108和光电转换层 110的材料折射系数逐渐增加。通过上述更优选 的实施例， 一方面避免光沿电光转化层 102向光电转换层 110方向传输时（包括电光转换层 102产 生的光以及所述各电极层和各反射层反射的光 ）发生全反射， 以提高光的传输效率； 另 一方面促使光从光电转换层 110向电光转换层 102方向传输时（主要包括光电转换层 110 的第三和第四电极以及第二反射层反射的光） 发生全发射， 以将更多的光限制在光电转 化层 110中， 从而提高光转换为电的效率。

另外， 本发明还可以釆用在不同材料层的界面处通过 粗糙化或规则的图形如光子晶体 结构等来减低全反射。 故在本发明优选的实施例中， 电光转换层 102、 第二电极层 104、 第一隔离层 106、 第三电极层 108和光电转换层 110中的至少一个具有粗糙化表面或光 子晶体结构， 以增大光透射率， 降低光的全反射。

第一隔离层 106用于实现电光转换层 102和光电转换层 110的电气隔离， 使输入电 压和输出电压不相互影响， 同时对工作光线透明， 使携带能量的光线能够从光电转换层 102传输到电光转换层 110, 实现能量的传输， 最终实现电压变换。 第一隔离层 106的 厚度取决于输入输出的电压的大小以及绝缘要 求， 第一隔离层越厚， 绝缘效果越好， 能 承受的击穿电压越高， 但同时对光的衰减可能越大， 因此绝缘层厚度的确定原则为： 在 满足绝缘要求下越薄越好。 基于上述要求， 在本发明实施例中， 第一隔离层 106的材料 优选为 A 1 ₂ 0 ₃ , A1N, Si0 ₂ , MgO, Si ₃ N ₄ , BN, 金刚石， LiA10 ₂ , LiGa0 ₂ , 半绝缘的 GaAs、 SiC或 GaP, GaN 中的一种及其组合， 以及稀土氧化物 RE0及其组合。 第二电极层 104 和第三电极层 108的材料可以为重掺杂的 GaAs、GaN、GaP,AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs, 或者导电透明金属氧化物材料 IT0 (铟锡氧化物） 、 Sn0 ₂ 、 ZnO及其组合等。

在本发明一个优选的实施例中， 第一电极层 100和电光转换层 102之间还包括第一 反射层 101, 第四电极层 112和光电转换层 110之间还包括第二反射层 111, 如图 7所 示。所述第一和第二反射层将光限制在电光转 换层 102和光电转换层 110之间来回反射， 以防止光泄露， 提高光的能量转换效率。 反射层的材料需要满足对工作光线反射效率高 、 材料性能稳定、 界面接触电阻低、 导电性好等要求。 具体可以通过以下两种方式实现： 一种 是布拉格反射镜结构， 利用多层折射率不同的材料层实现反射， 比如釆用两种不同折射率的 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 成多层结构以实现反射； 一种是金属全反射镜结构， 可以直接淀积高导电率和导热率的金 属实现反射， 例如 Ag、 Au、 Cu、 Ni、 Al、 Sn、 Co、 W及其组合等。 由于与反射层相接触的背 电极层 （即第一电极层 100和第四电极层 112 ) 的厚度较厚， 故反射层釆用金属全反射 镜结构同时兼具散热的功能， 可以将变压器内部产生的热量传导出来。

其中， 第一电极层 100和第四电极层 112用作引出电极以输入输出电流， 由于不需要 对工作光线透明， 故可以釆用金属、 合金、 陶瓷、 玻璃、 塑料、 导电氧化物等材料形成单层 和 /或多层复合结构， 其中优选为低电阻率的金属， 例如 Cu。 优选地， 可以通过增加金属电 极层的厚度以降低电阻， 同时起到热沉的作用以散热。

需指出的是， 由于该光电电能转换模块 2的输入阈值电压和输出电压决定于光电转换� � 和电光转换层的材料特性参数， 如禁带宽度、 掺杂浓度等， 故通过调节相应的特性参数以实 现变压。 进一步地， 可以根据实际需要， 通过调整电光转换层 102和光电转换层 110的数 目比以提高变压幅度， 实现预期变压， 例如， 如图 8所示， 光电电能转换模块 2 包括一 个电光转换层 102和两个光电转换层 110A和 110B , 该结构相对于包含相同单个电光转 换层和单个光电转换层的光电电能转换模块 2 , 增加了垂直结构的变压， 故变压比更大。

在本发明的一个实施例中， 将第一电极层 1 00、 形成在第一电极层 100之上的电光 转换层 102、以及形成在电光转换层 1 02之上的第二电极层 104作为一个电光转换结构； 同理将第三电极层 108、 形成在第三电极层 108之上的光电转换层 110、 以及形成在光 电转换层 1 10之上的第四电极层 1 12作为一个光电转换结构。 该半导体直流光电变压器 还可以在垂直方向上包括多层交替堆叠的电光 转换结构和光电转换结构。每相邻的电光 转换结构和光电转换结构之间包括隔离层， 以进一步提高直流电压变压比。 其中， 多个 电光转换结构 （或多个光电转换结构） 相互串联， 每个电光转换结构 （或每个光电转 换结构）的结构可以参考上述实施例所述的结 构。 图 9所示为在垂直方向上具有两个电 光转换结构和一个光电转换结构的半导体直流 光电变压器结构示意图， 其中， 电光转换 结构和光电转换结构之间分别包括第一隔离层 106和第二隔离层 107。 需指出的是， 在 该结构中， 除首个和末个电光（或光电）转换结构之外， 中间每个电光转换结构和光电 转换结构的第一电极层和第四电极层不能选用 金属电极， 而选用与第二和第三电极层相 同的重掺杂的半导体材料 GaAs、 GaN、 GaP , A lGa InP、 A lGa I nN、 A lGa lnAs , 或者导电透 明金属氧化物材料 I T0、 Sn0 ₂ 、 ZnO及其组合， 从而有利于光线传播。

本发明提供一种光电电能转换模块 2 , 通过在光电电能转换模块 1 的输入端设置电 光转换层， 利用半导体电子能级间跃迁产生的光辐射， 将直流电转换为光进行传输， 在 输出端设置光电转换层以将光转化为电能输出 ， 由于输入端与输出端单位单元的电压分 别取决于电光转换层和光电转换层材料的特性 参数及数目， 故该变压器可直接实现直流 电压的变压。

在本发明的一个优选实施例中， 如图 10所示， 半导体光电电能转换系统还包括调节模 块 3 , 调节模块 3可以固定在基板 1上， 也可独立设置。 调节模块 3与多个光电电能转换模 块 2的总输入端 （in )和总输出端（out)相连， 用于通过监测总输出端的工作参数， 反馈调 节总输入端的工作参数， 以维持半导体光电电能转换系统进行稳压或调 压， 或者使光电电能 转换模块 1工作在最佳状态或特定工作点上。图 11是图 10所示的半导体光电电能转换系统 的工作原理图。 如图 11所示， 调节模块 3首先探测输出端的多个光电转换结构 22的电流电 压值， 随后调节模块 3中的微处理芯片对探测值做计算处理得出相� �指令， 控制元件根据指 令对输入端的多个电光转换结构 21进行调控。 具体地， 调节元件可为功率 MOSFET, JFET, 晶闸管， BJT, 可变电阻等。 在本发明的一个优选实施例中， 光电电能转换模块 2为扁平型器件， 并且其输入端和输 出端呈对角线交叉分布。具体地， 如图 12 (a)所示， 光电电能转换模块 2可为扁平矩形片状， 其输入正极与输入负极位于主体的一条对角线 L 1上， 其输出正极和输出负极位于主体的另 一条对角线 L2上。 优选地， 还可以将输入正负极、 输出正负极分别设置在靠近顶面和底面 的位置。 需要说明的是， 光电电能转换模块 2还可以为扁平的圆形片状、 扁平的圆角矩形片 状等。 图 12 (b)为图 12 (a)所示的光电电能转换模块 2的顶面视图； 图 12 (c)为图 12 (a)所示 的光电电能转换模块 2的底面视图。 该实施例中， 扁平型器件的设计， 一方面增大了工作光 线的传输面积， 另一方面有利于封装集成后的半导体光电电能 转换系统的散热； 输入端和输 出端的引线呈对角线分布， 则有利于各个模块之间直线连接， 布线清晰， 线路产生的感抗等 千扰较小， 并且模块内部的电极之间绝缘距离长， 绝缘特性较好。

在本发明的一个实施例中， 为了扩展输出电压， 可如图 1 3示， 将多个光电电能转换模 块 2顺次串联。 多个光电电能转换模块 2正面朝上和反面朝上交替排布， 可以通过较短的、 不交叉的引线顺次相连， 以减少线材耗用， 并减少电磁千扰。

在本发明的一个实施例中， 为了扩展输出功率， 可如图 14示， 先将多个光电电能转换 模块 2串联后， 然后将若千个串联支路进行并联。 优选地， 在每一个串联支路上还可以串联 防逆流元件 D。 未设置防逆流元件 D时， 当某一个串联支路故障时由于其自身具有一定 阻值 可视为一个负载， 此时其他串联支路可作为电源， 加载在该 "负载，， 上， 不能得到正常的电 压输出。 设置防逆流元件 D后， 由于其单向导通特性， 可以避免上述情况的发生， 保证正常 的电压输出。

在本发明的一个实施例中，半导体光电电能转 换系统可通过对输入端和输出端釆用共地 或不共地以形成隔离电源或非隔离电源。 对于普通的变压系统， 隔离电源较难实现； 而本发 明的半导体光电电能转换系统由于其自身特点 ， 很容易实现。

在本发明的一个实施例中， 如图 15所示， 半导体光电电能转换系统在多个光电电能转 换模块 2之间设置多条输出端引线， 输出不同的输出电压， 适用于同时为多种不同工作电压 的设备供电的情况。

才艮据本发明实施例的半导体光电电能转换系 统至少具有如下优点：

( 1 )该系统包括多个光电电能转换模块， 每个模块不仅可以自身实现 DC-DC电能转换， 还可以实现 DC-AC、 AC-DC或 AC-AC电能转换， 并通过灵活串并联连接以实现功率和 /或电压 扩展。

( 2 )该系统中的光电电能转换模块和基板都为扁� �形状， 比表面积大， 利于散热。

( 3 )该系统釆用对角线电极分布封装， 连线之间筒洁美观不交叉， 为组装工作带来便 利， 同时可以降低相邻光电电能转换模块之间的电 压差， 增大电极之间的绝缘距离， 从而提 高绝缘特性， 能有效防止击穿。

( 4 )该系统的输入电路提供一个固定的输入电压� �， 在输出电路上可设多个抽头， 同 时输出不同的电压， 满足不同使用需求。

在本说明书的描述中， 参考术语 "一个实施例"、 "一些实施例"、 "示例"、 "具体示 例"、 或 "一些示例" 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体 特征、 结构、 材料或者 特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中 。在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。 而且， 描述的具体特征、 结构、 材料或者特点可以在任何 的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结 合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例， 可以理解的是， 上述实施例是示例性的， 不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技 术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下 在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化 、 修改、 替换和变型。