TWI550844B - 一種半導體光電電能轉換器 - Google Patents

Description

一種半導體光電電能轉換器

本發明涉及電流電壓變壓領域，特別涉及一種半導體光電電能轉換器。

在電力與電子系統中，變流與變壓為常見且重要的環節。目前技術方案中，變壓與變流無法同時進行，需要分割開來分別完成。具體地，

AC(交流)-AC變壓：僅需實現變壓功能，多通過主次線圈之間的電磁耦合實現能量的傳遞和變壓，缺點是體積大，重量大，能量密度低，並且對交流電的頻率有一定要求，頻率越低則體積越大，效率越低，對於很低頻的電流無法實現變壓。而過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較窄的範圍。

DC(直流)-DC變壓：傳統技術無法實現直流變壓，最近有研究者利用功率半導體裝置作為開關，利用電感電容作為儲能元件，在驅動電路的控制下通過電路的原理實現DC-DC的電壓變換，缺點是裝置複雜，需要體積重量較大的無源元件，成本較高，電磁干擾及其引起的電磁相容性問題比較嚴重。

AC-DC變流變壓：需要先變壓後變流，變壓需要單獨的變 壓的電路和裝置，變流多是通過多個二極體構成的整流橋電路來實現的，整流橋電路只能實現變流功能，無法實現變壓功能。

DC-AC變流變壓：需要先變流後變壓，變壓需要單獨的變壓電路和裝置，變流多是通過功率半導體裝置做開關，結合濾波電路實現的，該部分也是只能實現變流功能，無法實現變壓功能。

本發明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一，特別是提出一系列結構簡單、體積小、性能安全可靠的半導體光電電能轉換器。

本發明提出一種半導體光電電能轉換器，包括：AC輸入模組，所述AC輸入模組包括多個半導體電光轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括電光轉換層，所述AC輸入模組用於將輸入交流電能轉換為光能；AC輸出模組，所述AC輸出模組包括多個半導體光電轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括光電轉換層，所述AC輸出模組用於將所述光能轉換為輸出交流電能。

在本發明的一個實施例中，其中，所述半導體電光轉換結構的發射光譜與所述半導體光電轉換結構的吸收光譜之間頻譜匹配。

在本發明的一個實施例中，所述AC輸入模組包括：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週期，其中，所述第一輸入支路包括M₁個串聯的所述半導體電光轉換結構，其中，M₁為正整數；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並聯，且所述第二輸入支路工作在輸入交流電流的負半週期，其中，所述第二輸入支路包括M₂個串聯的所述半導體電光轉換結構，其中，M₂為正整數。

在本發明的一個實施例中，所述AC輸出模組包括：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成光學通路，且所述第一輸出支路包括N₁個串聯的所述半導體光電轉換結構，其中，N₁為正整數；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並聯，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成光學通路，且所述第二輸出支路包括N₂個串聯的所述半導體光電轉換結構，其中，N₂為正整數。

本發明提出一種半導體光電電能轉換器，包括：AC輸入模組，所述AC輸入模組包括多個半導體電光轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括電光轉換層，所述AC輸入模組用於將輸入交流電能轉換為光能；DC輸出模組，所述DC輸出模組包括一個或多個半導體光電轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括光電轉換層，所述DC輸出模組用於將所述光能轉換為輸出直流電能。在本發明的一個實施例中，其中，所述半導體電光轉換結構的發射光譜與所述半導體光電轉換結構的吸收光譜之間頻譜匹配。

在本發明的一個實施例中，所述AC輸入模組包括：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週期，其中，所述第一輸入支路包括M₁個串聯的半導體電光轉換結構，其中，M₁為正整數；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並聯，且所述第二輸入支路工作在輸入交流電流的負半週期，其中，所述第二輸入支路包括M₂個串聯的半導體電光轉換結構，其中，M₂為正整數。

在本發明的一個實施例中，所述DC輸出模組包括：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成光學通路，且所 述第一輸出支路包括N₁個串聯的所述半導體光電轉換結構，其中，N₁為正整數；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並聯，並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成光學通路，並且所述第二輸出支路包括N₂個串聯的所述半導體光電轉換結構，其中，N₂為正整數。

本發明提出一種半導體光電電能轉換器，包括：DC輸入模組，所述DC輸入模組包括多個半導體電光轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括電光轉換層，所述DC輸入模組用於將輸入直流電能轉換為光能；AC輸出模組，所述AC輸出模組包括多個半導體光電轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括光電轉換層，所述AC輸出模組用於將所述光能轉換為輸出交流電能。在本發明的一個實施例中，其中，所述半導體電光轉換結構的發射光譜與所述半導體光電轉換結構的吸收光譜之間頻譜匹配。

在本發明的一個實施例中，所述DC輸入模組包括：第一輸入支路，所述第一輸入支路包括M₁個串聯的半導體電光轉換結構和第一控制開關，所述第一控制開關控制所述第一輸入支路在輸出交流電流的正半週期內導通，其中，M₁為正整數；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並聯，所述第二輸入支路包括M₂個串聯的半導體電光轉換結構和第二控制開關，所述第二控制開關控制所述第二輸入支路在輸出交流電流的負半週期內導通，其中，M₂為正整數。

在本發明的一個實施例中，所述AC輸出模組包括：第一輸出支路，在正半週期內所述第一輸出支路與所述第一輸入支路之間構成光學通路，且所述第一輸出支路包括N₁個串聯的所述半導體光電轉換結構， 其中，N₁為正整數；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並聯，所述第一輸出支路和第二輸出支路的極性相反，在負半週期內所述第二輸出支路與所述第二輸入支路之間構成光學通路，且所述第二輸出支路包括N₂個串聯的所述半導體光電轉換結構，其中，N₂正整數。

本發明提出一種半導體光電電能轉換器，包括：DC輸入模組，所述DC輸入模組包括M個半導體電光轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括電光轉換層，所述DC輸入模組用於將輸入直流電能轉換為光能，其中，M為正整數；DC輸出模組，所述DC輸出模組包括N個半導體光電轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括光電轉換層，所述DC輸出模組用於將所述光能轉換為輸出直流電能，其中，N為正整數。在本發明的一個實施例中，其中，所述半導體電光轉換結構的發射光譜與所述半導體光電轉換結構的吸收光譜之間頻譜匹配。

在本發明的一個實施例中，所述半導體電光轉換結構包括發光二極體、諧振發光二極體、鐳射二極體、量子點發光裝置或有機發光裝置。

在本發明的一個實施例中，所述半導體光電轉換結構包括半導體光伏裝置、量子點光伏裝置或有機材料光伏裝置。

在本發明的一個實施例中，所述電光轉換層的材料為：AlGaInP，GaN，InGaN，InGaN，AlGaInN，ZnO，AlGaInAs，GaAs，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaInSb，InGaAsNSb以及其他III-V族，II-VI族半導體材料，有機發光材料或量子點發光材料。

在本發明的一個實施例中，所述光電轉換層的材料為： AlGaInP、InGaAs、InGaN、AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合，有機光伏材料或量子點光伏材料。

在本發明的一個實施例中，還包括：隔離層，所述半導體電光轉換結構位於所述隔離層的一側，所述半導體光電轉換結構位於所述隔離層的另一側，其中，所述隔離層為絕緣材料，所述半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構之間通過所述隔離層材料本身的絕緣特性進行隔離，或者，所述隔離層為半導體材料，所述半導體電光轉換結構與所述隔離層之間，以及所述半導體光電轉換結構與所述隔離層之間通過反偏PN結結構進行隔離。

在本發明的一個實施例中，還包括：襯底層，所述半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構位於所述襯底層的同一側，所述襯底層具有反光結構，所述反光結構用於將所述半導體電光轉換結構的發射光反射到所述半導體光電轉換結構上，其中，所述襯底層為絕緣材料，所述半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構之間通過所述襯底層材料本身的絕緣特性進行隔離，或者，所述襯底層為半導體材料，所述半導體電光轉換結構與所述襯底層之間，以及所述半導體光電轉換結構與所述襯底層之間通過反偏PN結結構進行隔離。

在本發明的一個實施例中，還包括：光學陷阱，所述光學陷阱用於將光限制在所述半導體光電電能轉換器內部，以防止光洩露引起的能量損失。

在本發明的一個實施例中，光線傳播路徑上的各層材料的折 射係數匹配。

根據本發明的半導體光電電能轉換器，具有體積小，重量輕，結構簡單，可以同時實現交流變壓的功能，安全可靠，使用壽命長，安裝維護方便的優點。更具體地，本發明應用於AC-AC場合時，與現有技術相比，無頻率限制，從極低頻到極高頻的電流都可以處理；對各種波形適應能力強，例如如方波、鋸齒波、正弦波以及各種調製信號等都可以不失真的處理。本發明應用於DC-DC場合時，與現有技術相比，直接實現了直流電壓的變換。本發明應用於AC-DC以及DC-AC場合時，與現有技術相比，變流的同時可以實現電壓變換。

本發明附加的方面和優點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，或通過本發明的實踐瞭解到。

1‧‧‧半導體電光轉換結構

2‧‧‧半導體光電轉換結構

3‧‧‧襯底層

4‧‧‧光學陷阱

21‧‧‧電光轉換結構

22‧‧‧光電轉換結構

31‧‧‧反光結構

100、104、108、112‧‧‧電極層

101、111‧‧‧反射層

102‧‧‧電光轉換層

106、107‧‧‧隔離層

110、110A、110B‧‧‧光電轉換層

K1、K2‧‧‧控制開關

本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：第1圖是本發明的第一實施例半導體光電電能轉換器的工作原理圖和結構示意圖；第2圖是本發明的第二實施例半導體光電電能轉換器的工作原理圖和結構示意圖；第3圖是本發明的第三實施例半導體光電電能轉換器的工作原理圖和結構示意圖；第4圖是本發明的第四實施例半導體光電電能轉換器的工作原理圖和結構示意圖； 第5圖是本發明的具有隔離層的雙面結構半導體光電電能轉換器的結構示意圖；第6圖是本發明的具有襯底層的單面結構半導體光電電能轉換器的結構示意圖；第7圖是本發明的具有光學陷阱的半導體光電電能轉換器的結構示意圖；第8圖是本發明的第五實施例半導體光電電能轉換器的結構示意圖；第9圖是本發明的第六實施例半導體光電電能轉換器的結構示意圖；以及第10圖是本發明的第七實施例半導體光電電能轉換器的結構示意圖。

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。

下文的公開提供了許多不同的實施例或例子用來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子的部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，並且目的不在於限制本發明。此外，本發明可以在不同例子中重複參考數位和/或字母。這種重複是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實施例和/或設置之間的關係。此外， 本發明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領域普通技術人員可以意識到其他工藝的可應用於性和/或其他材料的使用。

為使本領域技術人員更好地理解本發明，先對現有技術與本發明的原理進行闡述和對比。從物理原理上說，傳統的交流變壓器利用的是電磁感應原理，導體中的自由電子震盪產生電磁場作為能量傳遞介質，通過主次線圈之間的耦合傳遞能量，從而實現交流電壓變換。本發明中的半導體光電電能轉換器遵循的是量子力學原理，通過半導體材料中載流子在不同能級間的躍遷產生光子，利用光子作為能量傳遞介質，再在另外的半導體材料中激發產生載流子，從而實現電壓電流的變換。因此，由於傳遞能量介質的不同，粒子(光子)特性取代波(電磁波)的特性在本發明的電能轉換器器中成為基本的工作原理。

本發明中的半導體光電電能轉換器的總體能量轉換效率主要由三個因素決定：電光能量轉換效率，光電能量轉換效率，光能量損失。 由於LED和光伏電池技術的發展，現在先進的半導體裝置的電光轉換效率和光電轉換效率已經達到了很高的水準，例如AlGaInP材料製備的紅光LED的內量子效率已經接近100%，GaN材料製備的藍光LED內量子效率也已達到80%，而III-V族光伏電池的內量子效率也已接近100%，因此光能量損失就成為了限制本發明直流變壓器能量轉換效率的主要因素，因此本發明中提出了三種技術來儘量減小光能量損失，提高能量轉換效率，分別是：電光轉換結構發射光譜與光電轉換結構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，光線傳播路徑上的各個材料的折射係數匹配以減少全反射臨界角損失和菲涅耳損失，光陷阱以減少光線洩露引起的能量損 失。這些在下文中有具體的說明。

下面參考第1圖來介紹本發明的第一實施例半導體光電電能轉換器，該半導體光電電能轉換器用於交流/交流變壓的情況。

如第1圖(a)所示，本發明提出一種半導體光電電能轉換器，包括AC輸入模組和AC輸出模組。其中，AC輸入模組包括多個半導體電光轉換結構1，半導體電光轉換結構1包括電光轉換層，該AC輸入模組用於將輸入交流電能轉換為光能；AC輸出模組包括多個半導體光電轉換結構2，半導體電光轉換結構2包括光電轉換層，該AC輸出模組用於將光能轉換為輸出交流電能。在本發明的實施例中，半導體電光轉換結構1的發射光譜與半導體光電轉換結構2的吸收光譜之間頻譜匹配。

具體地，AC輸入模組包括：相互並聯的第一輸入支路AA’和第二輸入支路BB’。其中，第一輸入支路AA’工作在正半週期，第一輸入支路AA’包括M₁個串聯的所述半導體電光轉換結構1，其中，M₁為正整數。第二輸入支路BB’工作在負半週期，第二輸入支路BB’包括M₂個串聯的所述半導體電光轉換結構1，其中，M₂為正整數。優選地，M₁=M₂。在本發明的優選實施例中，半導體電光轉換結構1和半導體光電轉換結構2為多個，在本發明的其他實施例中，半導體電光轉換結構1和半導體光電轉換結構2也可為一個。並且，在本發明的優選實施例中，多個半導體電光轉換結構1和多個半導體光電轉換結構2為相互串聯，而在本發明的其他實施例中，多個半導體電光轉換結構1和多個半導體光電轉換結構2也可為相互並聯，或者相互串並聯。在以下的實施例中也是同樣的，因此之後不再贅述。

具體地，AC輸出模組包括：相互並聯的第一輸出支路CC’ 和第二輸出支路DD’，並且第一輸出支路CC’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’之間構成光學通路，且第一輸出支路CC’包括N₁個串聯的半導體光電轉換結構2，其中，N₁為正整數。第二輸出支路DD’與第二輸入支路BB’之間構成光學通路，且第二輸出支路DD’包括N₂個串聯的半導體光電轉換結構2，其中，N₂為正整數。優選地，N₁=N₂。

第1圖(b)進一步示出了本發明的第一實施例半導體光電電能轉換器的內部結構，特別是揭示了各部分之間的相對位置和相互連接關係。如圖所示，該半導體光電電能轉換器中，兩個半導體電光轉換結構1串聯構成第一輸入支路，另外兩個半導體電光轉換結構1串聯構成第二輸入支路，第一輸入支路與第二輸入支路互相並聯進而構成AC輸入模組。四個半導體光電轉換結構2構成第一輸出支路，另外四個半導體光電轉換結構2構成第二輸出支路，第一輸出支路與第二輸出支路互相並聯進而構成AC輸出模組。需要說明的是，第1圖(b)中的M₁、M₂取值為2，N₁、N₂取值為4，但該數值僅僅是作為示例的方便，而非本發明的限定。第1圖(b)中的連線方式可以在不改變原理的前提下根據實際情況作適應性修改。還包括了隔離層3，有關隔離層3的闡述在後文中再做詳細介紹。

在上述的半導體光電電能轉換器中，假設在AC輸入模組的每個半導體電光轉換結構1上輸入直流電壓V₁，以在半導體電光轉換結構1中注入載流子複合產生光子，光子傳輸至半導體光電轉換結構2，激發產生不同的載流子，並通過內建電場分離，每個半導體光電轉換結構2上輸出直流電壓V₂，從而利用光波實現能量傳輸。在該能量傳輸過程中，一方面， V₁和V₂的數值取決於半導體電光轉換結構1和半導體光電轉換結構2的材料特性參數，如材料種類、應變特性、禁帶寬度、摻雜濃度等，故通過調節相應的特性參數以實現能量轉換效率最優化；另一方面，利用二者的數目比例實現變壓。例如，第1圖(b)所示的實施例，輸出總電壓/輸入總電壓=2(V₂/V₁)。本發明的其他半導體光電電能轉換器的也可根據同樣原理計算輸出總電壓/輸入總電壓，後文不再贅述。

下面參考第2圖來介紹本發明的第二實施例半導體光電電能轉換器，該半導體光電電能轉換器用於交流/直流變流變壓的情況。

如第2圖(a)所示，本發明提出一種半導體光電電能轉換器，包括：AC輸入模組和DC輸出模組。其中，AC輸入模組包括多個半導體電光轉換結構1，半導體電光轉換結構1包括電光轉換層，該AC輸入模組用於將輸入交流電能轉換為光能；DC輸出模組包括一個或多個半導體光電轉換結構2，半導體電光轉換結構2包括光電轉換層，該DC輸出模組用於將光能轉換為輸出直流電能。在本發明的實施例中，半導體電光轉換結構1的發射光譜與半導體光電轉換結構2的吸收光譜之間頻譜匹配。在本發明的一個實施例中，半導體電光轉換結構可為多個，半導體光電轉換結構可為一個；在本發明的另一個實施例中，半導體電光轉換結構及半導體光電轉換結構可均為多個。在以下的實施例中，將以多個半導體電光轉換結構及半導體光電轉換結構為例進行描述，但需要說明的是以下實施例僅是示意性地，並不是對本發明的限制。

具體地，AC輸入模組包括：相互並聯的第一輸入支路AA’和第二輸入支路BB’。其中，第一輸入支路AA’工作在正半週期，第一輸 入支路AA’包括M₁個串聯的半導體電光轉換結構1，其中，M₁為正整數。 第二輸入支路BB’工作在負半週期，第二輸入支路BB’包括M₂個串聯的半導體電光轉換結構1，其中，M₂為正整數。優選地，M₁=M₂。

具體地，DC輸出模組包括：相互並聯的第一輸出支路CC’和第二輸出支路DD’，並且第一輸出支路CC’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’之間構成光學通路，且第一輸出支路CC’包括N₁個串聯的半導體光電轉換結構2，其中，N₁為正整數。第二輸出支路DD’與第二輸入支路BB’之間構成光學通路，且第二輸出支路DD’包括N₂個串聯的半導體光電轉換結構2，其中，N₂為正整數。優選地，N₁=N₂。

需要說明的是，輸出支路可以為僅有一個支路，該支路與第一、第二輸入支路組成光學通路，還可以是兩個支路相並聯，這兩個支路分別與第一、第二輸入支路組成光學通路。但在後一種情況之中，為防止出現“一個輸出支路工作、提供電壓，另一個輸出支路不工作、成為負載”的回路現象，需要在每個輸出支路中串聯一個用於防止逆流的二極體。

第2圖(b)進一步示出了本發明的第二實施例半導體光電電能轉換器的內部結構，特別是揭示了各部分之間的相對位置和相互連接關係。如圖所示，該半導體光電電能轉換器中，四個半導體電光轉換結構1構成第一輸入支路和第二輸入支路，進而構成AC輸入模組。八個半導體光電轉換結構2構成輸出支路，進而構成DC輸出模組。第2圖(b)中還包括了隔離層3，有關隔離層3的闡述在後文中再做詳細介紹。需要說明的是，第2圖(b)中的半導體電光/光電轉換結構的數目，以及其間的連接方式僅是出於 示例的方便，而非本發明的限定。

下面參考第3圖來介紹本發明的第三實施例半導體光電電能轉換器，該半導體光電電能轉換器用於直流/交流變流變壓的情況。

如第3圖(a)所示，本發明提出一種半導體光電電能轉換器，包括：DC輸入模組和AC輸出模組。其中，DC輸入模組包括多個半導體電光轉換結構1，半導體電光轉換結構1包括電光轉換層，該DC輸入模組用於將輸入直流電能轉換為光能；AC輸出模組包括多個半導體光電轉換結構2，半導體電光轉換結構2包括光電轉換層，該AC輸出模組用於將光能轉換為輸出交流電能。在本發明的實施例中，半導體電光轉換結構1的發射光譜與半導體光電轉換結構2的吸收光譜之間頻譜匹配。

具體地，DC輸入模組包括：相互並聯的第一輸入支路AA’和第二輸入支路BB’，並且第一輸出支路CC’和第二輸出支路DD’的極性相反。其中，第一輸入支路AA’包括M₁個串聯的半導體電光轉換結構1和第一控制開關K1，第一控制開關K1控制第一輸入支路AA’在正半週期內導通，其中，M₁為正整數。第二輸入支路包括M₂個串聯的半導體電光轉換結構1和第二控制開關K2，第二控制開關K2控制第二輸入支路BB’在負半週期內導通，其中，M₂為正整數。優選地，M₁=M₂。

具體地，AC輸出模組包括：相互並聯的第一輸出支路CC’和第二輸出支路DD’。其中第一輸出支路CC’，在正半週期內第一輸出支路CC’與第一輸入支路AA’之間構成光學通路，且第一輸出支路CC’包括N₁個串聯的半導體光電轉換結構2，其中，N₁為正整數。第二輸出支路DD’，在負半週期內第二輸出支路DD’與第二輸入支路BB’之間構成光 學通路，且第二輸出支路DD’包括N₂個串聯的半導體光電轉換結構2，其中，N₂為正整數。優選地，N₁=N₂。

第3圖(b)進一步示出了本發明的第三實施例半導體光電電能轉換器的內部結構，特別是揭示了各部分之間的相對位置和相互連接關係。如圖所示，該半導體光電電能轉換器中，四個半導體電光轉換結構1和控制開關K1、K2構成第一輸入支路和第二輸入支路，進而構成DC輸入模組。八個半導體光電轉換結構2構成第一輸出支路和第二輸出支路，進而構成AC輸出模組。第3圖(b)中還包括了隔離層3，有關隔離層3的闡述在後文中再做詳細介紹。需要說明的是，第3圖(b)中的半導體電光/光電轉換結構的數目，以及期間的連接方式僅是出於示例的方便，而非本發明的限定。

下面參考第4圖來介紹本發明的第四實施例半導體光電電能轉換器，該半導體光電電能轉換器用於直流/直流變壓的情況。

如第4圖(a)所示，本發明提出一種半導體光電電能轉換器，包括：DC輸入模組和DC輸出模組。其中，DC輸入模組包括M個半導體電光轉換結構1，半導體電光轉換結構1包括電光轉換層，該DC輸入模組用於將輸入直流電能轉換為光能，其中，M為正整數。DC輸出模組包括N個半導體光電轉換結構2，半導體電光轉換結構2包括光電轉換層，該DC輸出模組用於將光能轉換為輸出直流電能，其中，M為正整數。在本發明的實施例中，半導體電光轉換結構1的發射光譜與半導體光電轉換結構2的吸收光譜之間頻譜匹配。在本發明的一個實施例中，半導體電光轉換結構可為一個，半導體光電轉換結構可為多個；在本發明的另一個實施例中，半導體電光 轉換結構可為多個，半導體光電轉換結構可為一個；在本發明的再一個實施例中，半導體電光轉換結構及半導體光電轉換結構可為均為多個。在以下的實施例中，將以多個半導體電光轉換結構及半導體光電轉換結構為例進行描述，但需要說明的是以下實施例僅是示意性地，並不是對本發明的限制。

第4圖(b)進一步示出了本發明的第四實施例半導體光電電能轉換器的內部結構，特別是揭示了各部分之間的相對位置和相互連接關係。如圖所示，該半導體光電電能轉換器中，四個半導體電光轉換結構1構成DC輸入模組。八個半導體光電轉換結構2構成DC輸出模組。第4圖(b)中還包括了隔離層3，有關隔離層3的闡述在後文中再做詳細介紹。需要說明的是，第4圖(b)中的半導體電光/光電轉換結構的數目，以及期間的連接方式僅是出於示例的方便，而非本發明的限定。

上述四個實施例的半導體光電電能轉換器中，主要差異在於半導體電光轉換結構1與半導體光電轉換結構2之間的連接細節有所不同，並無本質差異。根據本發明的半導體光電電能轉換器還具有如下技術特徵。

根據本發明的半導體光電電能轉換器，其半導體電光轉換結構1包括發光二極體、諧振發光二極體、鐳射二極體、量子點發光裝置或有機發光裝置。半導體電光轉換結構1中的電光轉換層的材料可為：AlGaInP，GaN，InGaN，InGaN，AlGaInN，ZnO，AlGaInAs，GaAs，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaInSb，InGaAsNSb以及其他III族氮系化合物、III族砷系或磷系化合物半導體材料及其組合，有機發光材料或量子點發光材料。

根據本發明的半導體光電電能轉換器，其半導體光電轉換結構2包括半導體光伏裝置、量子點光伏裝置或有機材料光伏裝置。半導體光電轉換結構2中的光電轉換層的材料可為：AlGaInP、InGaAs、InGaN、AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合，有機光伏材料或量子點光伏材料。

需要指出的是，光電轉換層的吸收光譜與所述電光轉換層的發射光譜之間頻譜匹配，即電光轉換層發出的光線要與光電轉換層光電轉換效率最優化的光線特性匹配，以使裝置的電光-光電能量轉換效率較高，轉換過程中光子的能損較少。具體地：電光轉換層的發射光可以是與光電轉換層的吸收效率最大處一致對應的單色光，也可能為其他頻率的、能使光電轉換層發生光伏效應的量子效率大於1的特定頻率光線，一種優化的情況是電光轉換層發射的光子能量的大小既能確保光子可以被光電轉換層吸收，又不會由於光子能量過高導致多餘能量作為熱損失掉，一種可能的理想狀況是電光轉換層與光電轉換層有源材料的禁帶寬度一致，從而既能確保光線吸收又不會引起剩餘光子能量的損失。需要說明的是，在本發明的實施例中單色光具有一定的光譜寬度，例如，對於紅光LED來說具有20nm左右的光譜寬度，而非限定某個具體的頻率點，此為公知技術，在此不再贅述。

根據本發明的半導體光電電能轉換器，可以為第5圖所示的具有隔離層3的雙面結構半導體光電電能轉換器，其中，半導體電光轉換結構1與半導體光電轉換結構2分別位於隔離層3的兩側。隔離層3對電光轉換 層的發射光透明，所謂透明是指隔離層材料的禁帶寬度大於光子的能量，這樣能夠保證不會引起能帶躍遷，導致作為能量載體的光子的損耗。隔離層3用於半導體電光轉換結構1與半導體光電轉換結構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行隔離，還可以通過在電光轉換結構21、光電轉換結構22之間設置反偏PN結結構進行隔離。在本發明的一些實施例中，隔離層3可以為絕緣材料，例如固態透明絕緣介質的Al₂O₃，AlN，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透明絕緣介質的純水，CCl₄，CS₂，或者SF₆等氣態透明絕緣介質。在本發明的另一些實施例中，隔離層3可以為半導體材料，例如GaP，GaAs，InP，GaN，Si，Ge，GaSb以及其他對工作光線透明的半導體材料，通過對隔離層3進行摻雜、注入等工藝，以在電光轉換結構1與隔離層3之間，以及光電轉換結構2與隔離層3之間形成PN結，然後將PN結置於反偏狀態以禁止導通電流的出現，從而實現電氣隔離。

根據本發明的半導體光電電能轉換器，還可以為第6圖所示的具有襯底層3的單面結構半導體光電電能轉換器，其中，半導體電光轉換結構1與半導體光電轉換結構2位於襯底層3的同側，以及襯底層3中具有反光結構31。襯底層3對電光轉換層的發射光透明，所謂透明是指隔離層材料的禁帶寬度大於光子的能量，這樣能夠保證不會引起能帶躍遷，導致作為能量載體的光子的損耗。反光結構31能使電光轉換層的發射光改變傳播方 向而轉向光電轉換層，實現能量傳遞。襯底層3除支撐作用之外還用於半導體電光轉換結構1與半導體光電轉換結構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行隔離，還可以通過在電光轉換結構21、光電轉換結構22之間設置反偏PN結結構進行隔離。在本發明的一些實施例中，襯底層3可以為絕緣材料，例如固態透明絕緣介質的Al₂O₃，AlN，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透明絕緣介質的純水，CCl₄，CS₂或者SF₆等氣態透明絕緣介質。在本發明的另一些實施例中，襯底層3可以為半導體材料，例如GaP，GaAs，InP，GaN，Si，Ge，GaSb以及其他對工作光線透明的半導體材料，通過對襯底層3進行摻雜、注入等工藝，以在電光轉換結構1與襯底層3之間，以及光電轉換結構2與襯底層3之間形成PN結，然後將PN結置於反偏狀態以禁止導通電流的出現，從而實現電氣隔離。

根據本發明的半導體光電電能轉換器，優選地，還可以包括光學陷阱，該光學陷阱用於將工作光線限制在半導體光電電能轉換器內部，特別是限制在實現能量轉換過程的電光轉換層和光電轉換層之間，防止漏光帶來的光能量損失，提高能量轉換效率。第7圖示出了一種具有光學陷阱的半導體光電電能轉換器，其中光學陷阱4可為反光材料層，用於將光線限制在半導體變壓內部。

根據本發明的半導體光電電能轉換器，優選地，光線傳播路 徑上的各層材料的折射係數匹配。換言之，半導體電光轉換結構1、隔離層(襯底層)3以及半導體光電轉換結構2的折射率滿足匹配條件。所謂匹配是指三者的折射係數類似，或者三者的折射係數沿著光路傳播的方向各層材料的折射係數逐漸遞增，這樣可有效避免光傳播過程中在各層介面處發生全反射現象，獲得良好的光電能量轉換效率。

為使本發明的半導體光電電能轉換器更好地被本領域技術人員理解，發明人將本發明中的半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構進一步劃分為多個層次進行詳細介紹。需要說明的是，下文對本發明的闡述側重於各層次的材料及用途，為簡便起見，設定半導體光電變壓器為雙面結構，半導體電光轉換結構和半導體光電轉換結構的數目均為一個。

第8圖所示為根據本發明第五實施例的半導體光電電能轉換器的結構示意圖。該半導體光電電能轉換器包括：第一電極層100；形成在第一電極層100之上的電光轉換層102；形成在電光轉換層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之上的光電轉換層110；以及形成在光電轉換層110之上的第四電極層112。

其中，電光轉換層102用以將輸入的直流電轉換為光，發出所需要的波長範圍的工作光線。工作光線包括從100nm的紫外光到10um的紅外光的整個光譜範圍中的一個或多個波段的組合，優選為單頻率的光線，例如620nm的紅光、460nm的藍光、380nm的紫光，以有利於運用成熟的現有技術製造電光轉換層。例如電光轉換層102可以採用具有高量子效率、高電光轉換效率的結構和材料。具體地，可以為LED結構或雷射器結 構，一般包括有源層，限制層，電流分散層，P型和N型接觸等結構，其中有源層可以為多量子阱結構，雷射器結構的電光轉換層還包括諧振腔，LED結構包括諧振LED結構。電光轉換層102的材料選擇基於材料自身特性(如缺陷密度、能帶結構等)和所需要的光波特性(如波長範圍)，例如可以採用紅黃光的AlGaInP，紫外的GaN和InGaN、藍紫光的InGaN和AlGaInN、ZnO、紅光或紅外光的AlGaInAs、GaAS、InGaAs、以及其他III族氮系化合物、III族As系或磷系化合物半導體材料及其組合，其中缺陷密度低、光轉換效率高的材料(如AlGaInP、InGaN，GaN)為優選。

其中，光電轉換層110用以將光轉換為電以實現變壓。光電轉換層110的材料包括AlGaInP，InGaAs，InGaN，AlGaInN，InGaAsP，InGaP，以及其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合。電光轉換層102一般可以選用直接禁帶半導體材料，其能帶結構和光電轉換層110的能帶結構相匹配以使電光轉換層102發出的工作光線的波段與光電轉換層110吸收效率最高的波段相匹配，以達到最高的能量轉換效率。

其中，第一隔離層106、第二電極層104和第三電極層108對電光轉換層102發出的工作光線透明。在本發明實施例中，第二電極層104、第一隔離層106和第三電極層108材料的禁帶寬度大於電光轉換層102發出的工作光線的光子能量，以防止第二電極層104、隔離106層和第三電極層108對所述工作光線的吸收，提高能量轉換效率。

此外，第一隔離層106、第二電極層104和第三電極層108的材料折射係數與電光轉換層102和光電轉換層110的材料折射係數匹配，以避免光傳播過程中在介面處發生全反射。由於當且僅當光線從折射係數較 大的材料進入折射係數較小的材料時發生全反射，故在本發明一個優選的實施例中，第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉換層110的材料折射係數相同，以避免光從電光轉換層102傳輸至光電轉換層110時在各介面處發生全發射；在本發明一個更優選的實施例中，第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉換層110的材料折射係數梯次增加。所述“梯次增加”的含義是：每個所述層的材料折射係數不小於其前一個所述層的材料折射係數，即某些所述層的材料折射係數可以與其前一個所述層相同，但所述各層的材料折射係數整體呈遞增趨勢；在本發明一個更優選的實施例中，第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉換層110的材料折射係數逐漸增加。通過上述更優選的實施例，一方面避免光從電光轉化層102向光電轉換層110方向傳輸時(包括電光轉換層102產生的光以及所述各電極層和各反射層反射的光)發生全反射，以提高光的傳輸效率；另一方面促使光從光電轉換層110向電光轉換層102方向傳輸時(主要包括光電轉換層110的第三和第四電極以及第二反射層反射的光)發生全發射，以將更多的光限制在光電轉化層110中，從而提高光轉換為電的效率。

另外，本發明還可以採用在不同材料層的介面處通過粗糙化或規則的圖形如光子晶體結構等來減低全反射。故在本發明優選的實施例中，電光轉換層102、第二電極層104、第一隔離層106、第三電極層108和光電轉換層110中的至少一個具有粗糙化表面或光子晶體結構，以增大光透射率，降低光的全反射。

第一隔離層106用於實現電光轉換層102和光電轉換層110的 電氣隔離，使輸入電壓和輸出電壓不相互影響，同時對工作光線透明，使攜帶能量的光線能夠從光電轉換層102傳輸到電光轉換層110，實現能量的傳輸，最終實現電壓變換。第一隔離層106的厚度取決於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，但同時對光的衰減可能越大，因此絕緣層厚度的確定原則為：在滿足絕緣要求下越薄越好。基於上述要求，在本發明實施例中，第一隔離層106的材料優選為Al₂O₃，AlN，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的材料可以為重摻雜的GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO(銦錫氧化物)、SnO₂、ZnO及其組合等。

在本發明一個優選的實施例中，第一電極層100和電光轉換層102之間還包括第一反射層101，第四電極層112和光電轉換層110之間還包括第二反射層111，如第8圖所示。所述第一和第二反射層將光限制在電光轉換層102和光電轉換層110之間來回反射，以防止光洩露，提高光的能量轉換效率。反射層的材料需要滿足對工作光線反射效率高、材料性能穩定、介面接觸電阻低、導電性好等要求。具體可以通過以下兩種方式實現：一種是布拉格反射鏡結構，利用多層折射率不同的材料層實現反射，比如採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REO)製成多層結構以實現反射；一種是金屬全反射鏡結構，可以直接澱積高導電率和導熱率的金屬實現反射，例如Ag、Au、Cu、Ni、Al、Sn、Co、W及其組合等。由於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，故反射層採用金屬全反射鏡結構同時兼具散熱的功能，可以將變壓器內部產生的熱量傳導出來。

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，由於不需要對工作光線透明，故可以採用金屬、合金、陶瓷、玻璃、塑膠、導電氧化物等材料形成單層和/或多層複合結構，其中優選為低電阻率的金屬，例如Cu。優選地，可以通過增加金屬電極層的厚度以降低電阻，同時起到熱沉的作用以散熱。

需指出的是，由於該半導體光電電能轉換器的輸入閾值電壓和輸出電壓決定於光電轉換層和電光轉換層的材料特性參數，如禁帶寬度、摻雜濃度等，故通過調節相應的特性參數以實現變壓。進一步地，可以根據實際需要，通過調整電光轉換層102和光電轉換層110的數目比以提高變壓幅度，實現預期變壓，例如，如第9圖所示，半導體光電電能轉換器包括一個電光轉換層102和兩個光電轉換層110A和110B，該結構相對於包含相同單個電光轉換層和單個光電轉換層的半導體光電電能轉換器，增加了垂直結構的變壓，故變壓比更大。

在本發明的一個實施例中，將第一電極層100、形成在第一電極層100之上的電光轉換層102、以及形成在電光轉換層102之上的第二電極層104作為一個電光轉換結構；同理將第三電極層108、形成在第三電極層108之上的光電轉換層110、以及形成在光電轉換層110之上的第四電極層112作為一個光電轉換結構。該半導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換結構和光電轉換結構。每相鄰的電光轉換結 構和光電轉換結構之間包括隔離層，以進一步提高直流電壓變壓比。其中，多個電光轉換結構(或多個光電轉換結構)相互串聯，每個電光轉換結構(或每個光電轉換結構)的結構可以參考上述實施例所述的結構。第10圖所示為在垂直方向上具有兩個電光轉換結構和一個光電轉換結構的半導體直流光電變壓器結構示意圖，其中，電光轉換結構和光電轉換結構之間分別包括第一隔離層106和第二隔離層107。需指出的是，在該結構中，除首個和末個電光(或光電)轉換結構之外，中間每個電光轉換結構和光電轉換結構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摻雜的半導體材料GaAs、GaN、GaP，AlGaInP、AlGaInN、AlGaInAs，或者導電透明金屬氧化物材料ITO、SnO₂、ZnO及其組合，從而有利於光線傳播。

本發明提供一種半導體光電電能轉換器，通過在半導體光電電能轉換器的輸入端設置電光轉換層，利用半導體電子能級間躍遷產生的光輻射，將直流電轉換為光進行傳輸，在輸出端設置光電轉換層以將光轉化為電能輸出，由於輸入端與輸出端單位單元的電壓分別取決於電光轉換層和光電轉換層材料的特性參數及數目，故該變壓器可直接實現直流電壓的變壓，而通過連接方式的改變，可以進一步實現交流到直流變流變壓，直流到交流變流變壓，以及交流變壓。

根據本發明的半導體光電電能轉換器，具有體積小，重量輕，結構簡單，可以同時實現變流變壓的功能，安全可靠，使用壽命長，安裝維護方便的優點。更具體地，本發明應用於AC-AC場合時，與現有技術相比，無頻率限制，從極低頻到極高頻的電流都可以處理；對各種波形 適應能力強，如方波、鋸齒波、正弦波以及各種調製信號等都可以不失真的處理。本發明應用於DC-DC場合時，與現有技術相比，直接實現了直流電壓的變換。本發明應用於AC-DC以及DC-AC場合時，與現有技術相比，變流的同時可以實現電壓變換。

儘管已經示出和描述了本發明的實施例，對於本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發明的範圍由所附申請專利範圍及其等同限定。

100、104、108、112‧‧‧電極層

101、111‧‧‧反射層

102‧‧‧電光轉換層

106‧‧‧隔離層

110‧‧‧光電轉換層

Claims (22)

1. 一種半導體光電電能轉換器，其特徵在於，包括：AC輸入模組，所述AC輸入模組包括多個半導體電光轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括電光轉換層，所述AC輸入模組用於將輸入交流電能轉換為光能；AC輸出模組，所述AC輸出模組包括多個半導體光電轉換結構，所述半導體光電轉換結構包括光電轉換層，所述AC輸出模組用於將所述光能轉換為輸出交流電能。
2. 如申請專利範圍第1項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，其中，所述半導體電光轉換結構的發射光譜與所述半導體光電轉換結構的吸收光譜之間頻譜匹配。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，所述AC輸入模組包括：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週期，其中，所述第一輸入支路包括M₁個串聯的所述半導體電光轉換結構，其中，M₁為正整數；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並聯，且所述第二輸入支路工作在輸入交流電流的負半週期，其中，所述第二輸入支路包括M₂個串聯的所述半導體電光轉換結構，其中，M₂為正整數。
4. 如申請專利範圍第3項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，所述AC輸出模組包括：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成光學通路，且所述第一輸出支路包括N₁個串聯的所述半導體光電轉換結構，其中，N₁為正整數；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並聯，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成光學通路，且所述第二輸出支路包括N₂個串聯的所述半導體 光電轉換結構，其中，N₂為正整數。
5. 一種半導體光電電能轉換器，其特徵在於，包括：AC輸入模組，所述AC輸入模組包括多個半導體電光轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括電光轉換層，所述AC輸入模組用於將輸入交流電能轉換為光能；DC輸出模組，所述DC輸出模組包括一個或多個半導體光電轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括光電轉換層，所述DC輸出模組用於將所述光能轉換為輸出直流電能。
6. 如申請專利範圍第5項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，其中，所述半導體電光轉換結構的發射光譜與所述半導體光電轉換結構的吸收光譜之間頻譜匹配。
7. 如申請專利範圍第5項或第6項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，所述AC輸入模組包括：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週期，其中，所述第一輸入支路包括M₁個串聯的半導體電光轉換結構，其中，M₁為正整數；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並聯，且所述第二輸入支路工作在輸入交流電流的負半週期，其中，所述第二輸入支路包括M₂個串聯的半導體電光轉換結構，其中，M₂為正整數。
8. 如申請專利範圍第7項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，所述DC輸出模組包括：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成光學通路，且所述第一輸出支路包括N₁個串聯的所述半導體光電轉換結構，其中，N₁為正整數；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並聯，並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 入支路之間構成光學通路，並且所述第二輸出支路包括N₂個串聯的所述半導體光電轉換結構，其中，N₂為正整數。
9. 一種半導體光電電能轉換器，其特徵在於，包括：DC輸入模組，所述DC輸入模組包括多個半導體電光轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括電光轉換層，所述DC輸入模組用於將輸入直流電能轉換為光能；AC輸出模組，所述AC輸出模組包括多個半導體光電轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括光電轉換層，所述AC輸出模組用於將所述光能轉換為輸出交流電能。
10. 如申請專利範圍第9所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，其中，所述半導體電光轉換結構的發射光譜與所述半導體光電轉換結構的吸收光譜之間頻譜匹配。
11. 如申請專利範圍第9項或第10項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，所述DC輸入模組包括：第一輸入支路，所述第一輸入支路包括M₁個串聯的半導體電光轉換結構和第一控制開關，所述第一控制開關控制所述第一輸入支路在輸出交流電流的正半週期內導通，其中，M₁為正整數；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並聯，所述第二輸入支路包括M₂個串聯的半導體電光轉換結構和第二控制開關，所述第二控制開關控制所述第二輸入支路在輸出交流電流的負半週期內導通，其中，M₂為正整數。
12. 如申請專利範圍第11項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，所述AC輸出模組包括：第一輸出支路，在正半週期內所述第一輸出支路與所述第一輸入支路之間構成光學通路，且所述第一輸出支路包括N₁個串聯的所述半導體光電轉換結構，其中，N₁為正整數；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並聯，所述第一輸出支路和第二輸出支路的極性相反，在負半週期內所述第二輸出支路與所述第二輸入支路之間構成光學通路，且所述第二輸出支路包括N₂個串聯的所述半導體光電轉換結構，其中，N₂正整數。
13. 一種半導體光電電能轉換器，其特徵在於，包括：DC輸入模組，所述DC輸入模組包括M個半導體電光轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括電光轉換層，所述DC輸入模組用於將輸入直流電能轉換為光能，其中，M為正整數；DC輸出模組，所述DC輸出模組包括N個半導體光電轉換結構，所述半導體電光轉換結構包括光電轉換層，所述DC輸出模組用於將所述光能轉換為輸出直流電能，其中，N為正整數。
14. 如申請專利範圍第13項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，其中，所述半導體電光轉換結構的發射光譜與所述半導體光電轉換結構的吸收光譜之間頻譜匹配。
15. 如申請專利範圍第14項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，所述半導體電光轉換結構包括發光二極體、諧振發光二極體、鐳射二極體、量子點發光裝置或有機發光裝置。
16. 如申請專利範圍第14項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，所述半導體光電轉換結構包括半導體光伏裝置、量子點光伏裝置或有機材料光伏裝置。
17. 如申請專利範圍第14項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，所述電光轉換層的材料為：AlGaInP，GaN，InGaN，InGaN，AlGaInN，ZnO，AlGaInAs，GaAs，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaInSb，InGaAsNSb以及其他III-V族，II-VI族半導體材料，有機發光材料或量子點發光材料。
18. 如申請專利範圍第14項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，所述光電轉換層的材料為：AlGaInP、InGaAs、InGaN、AlGaInN，InGaAsP，GaAs，GaSb，InGaP，InGaAs，InGaAsP，AlGaAs，AlGaP，InAlP，AlGaAsSb，InGaAsNSb，其他III-V族直接禁帶半導體材料及其組合，有機光伏材料或量子點光伏材料。
19. 如申請專利範圍第14項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，還包括：隔離層，所述半導體電光轉換結構位於所述隔離層的一側，所述半導體光電轉換結構位於所述隔離層的另一側，其中，所述隔離層為絕緣材料，所述半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構之間通過所述隔離層材料本身的絕緣特性進行隔離，或者，所述隔離層為半導體材料，所述半導體電光轉換結構與所述隔離層之間，以及所述半導體光電轉換結構與所述隔離層之間通過反偏PN結結構進行隔離。
20. 如申請專利範圍第14項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，還包括：襯底層，所述半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構位於所述襯底層的同一側，所述襯底層具有反光結構，所述反光結構用於將所述半導體電光轉換結構的發射光反射到所述半導體光電轉換結構上，其中，所述襯底層為絕緣材料，所述半導體電光轉換結構與半導體光電轉換結構之間通過所述襯底層材料本身的絕緣特性進行隔離，或者，所述襯底層為半導體材料，所述半導體電光轉換結構與所述襯底層之間，以及所述半導體光電轉換結構與所述襯底層之間通過反偏PN結結構進行隔離。
21. 如申請專利範圍第14項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，還包括：光學陷阱，所述光學陷阱用於將光限制在所述半導體光電電能轉換器內部，以防止光洩露引起的能量損失。
22. 如申請專利範圍第14項所述的半導體光電電能轉換器，其特徵在於，光線傳播路徑上的各層材料的折射係數匹配。