提高太陽能電池板光電轉化率的研究

摘要：文章論述了太陽能電池板的發電原理及如何應用其作為發電系統，提出了提高多晶硅太陽能電池板光能利用率的多種方法。本文重點討論了如何使用追光系統來提高太陽能電池板光能利用率等方法。

關鍵詞：多晶硅；太陽能電池板；效率；追光系統

引言

上世紀60年代，科學家們已經將太陽能電池用于空間技術--通信衛星供電。上世紀末，在人類不斷自我反省的過程中，對光伏發電這種清潔又直接的能源形式已愈加親切，不僅在空間應用，而且在眾多領域中已大顯身手，如：太陽能庭院燈、光伏水泵 、通信電源 、石油輸油管道陰極保護、海水淡化系統 、高速公路路標等。歐美等先進國家將光伏發電并入城市用電系統并將邊遠地區自然界村落供電系統納為其科技發展方向。可見現今太陽能電池與建筑系統的結合已經形成產業趨勢。

1 太陽能電池應用的理論基礎

太陽能電池發電原理：利用光伏發電，即通過一對有光響應的器件將光能轉換成電能。太陽能光伏發電系統主要由太陽能光伏電池組，光伏系統電池控制器，蓄電池和交直流逆變器等主要部件組成，其中的核心元件是光伏電池組和控制器。

各部件在系統中的作用。光伏電池：光電轉換。太陽能電池主要由晶硅材料做作成類似二極管中的P-N結，工作原理與二極管類似。在二極管中，推動P-N結空穴和電子運動的是外部電場，而在太陽能電池中推動P-N結空穴和電子運動的是太陽光子和光輻射熱。也就是通常所說的光電伏特效應原理。

控制器：作用于整個系統的過程控制。光伏發電系統中使用的控制器類型很多，而我國目前使用的大都是設計較簡單的控制器，其中智能型控制器僅用于通信系統和較大型的光伏電站。

蓄電池：蓄電池是光伏發電系統中的關鍵部分，用來存儲由光伏電池轉換來的電能。目前我國還沒有用于光伏系統的專用蓄電池，而是使用常規的鉛蓄電池。

交直流逆變器：用于交直流轉換，因此這個部件的重要指標是轉換效率。例如并網逆變器采用最大功率跟蹤技術，最大限度地把光伏電池轉換的電能送入電網。

2 太陽電池基本性質：

光電轉換效率η%為評估太陽電池好壞的重要因素。目前使用的太陽能電池實驗室：η≈24%，產業化：η≈15%。

填充因子FF%為評估太陽電池負載能力的重要因素。 FF=(Im×Vm)/(Isc×Voc)。其中：Isc-短路電流，Voc-開路電壓，Im-最佳工作電流，Vm-最佳工作電壓；

標準光強與地面環境溫度：AM1.5光強，1000W/m2 ，t = 25℃；

光照強度對電池性質的影響，例如：在室溫為30℃，在光照強度大時某電池板輸出功率測得為80W，如果光照強度減小時，則電池板輸出功率就明顯的比80W小。

溫度對電池性質的影響，例如：在標準狀況下，AM1.5光強，t=25℃某電池板輸出功率測得為100W，如果電池溫度升高至45℃時，則電池板輸出功率就不到100W。

3 提高太陽能電池板利用率的方法：

太陽能電池板中電子在通過P-N結后，如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬材料，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋P-N結（如圖1梳狀電極），即能減小電阻降低損耗又能增加入射光的面積，增大工作效率。

硅的表面非常光滑，大量的太陽光會被反射，則太陽能電池板的工作功率會減小。為減少陽光的反射，則在硅表面涂上一層反射系數非常小的保護膜（圖1梳狀電極），將反射損失將大大減小。然而，一塊電池所能提供的電流和電壓有限，則可以將很多電池并聯或串聯起來使用以達到提高太陽能光電板的利用率。

當太陽能電池板溫度升高，太陽能電池板的轉換率降低。若在太陽能電池板上加隔熱保護罩，有利于阻止太陽能電池板板體的溫度升高，從而提高太陽能電池板光電轉換率（利用光電材料吸收光能后轉換成電能的效率叫光電轉換率）。太陽能電池板的工作原理是利用光電材料吸收光能后發生光電轉換反應。光電轉換率越高，太陽能電池板發電量越大，提高光電轉換率是降低光伏成本主要原因。太陽能電池能將可見光的光能轉換為電能，而紅外線的頻率比可見光更接近固體物質的固有頻率，因此更容易引起分子的共振，紅外線更容易變成物質的內能，引起太陽能電池板板體的溫度升高。那么阻止紅外線對太陽能電池板板體的照射是降低太陽能電池板板的溫度的關鍵。

透明玻璃可以絕大部分透過可見光，并能阻止陽光不能轉換的紅外線，我們可以利用透明璃來降低太陽能電池板板體的溫度，從而提高太陽能電池板光電轉換率。它主要特征是在太陽能電池板上方架設一塊透明玻璃。日照量在固定范圍內，太陽能電池板的溫度升高，太陽能電池板的輸出電壓以及電流都會降低，也就是說太陽能電池板板體的溫度也會影響太陽能電池板光電轉換效率。

太陽能電池板的發電量與太陽光入射角有關，當太陽光線與太陽電池板平面垂直時轉換率最高。采用自動追光系統轉換率可提高40%。

自動追光系統的基本結構原理：

將傳感器安裝在太陽能電池板上，與電池板同步轉動。光線方向一旦發生細微改變，系統輸出信號就發生偏差，當偏差達到一定幅度時，傳感器輸出相應更正信號。執行中樞開始進行矯正，使光電傳感器重新達到平衡--太陽能電池板與光線垂直時停止轉動，完成一次調整周期。如此反復調整，太陽電池板時刻隨著太陽光照方向的改變進行調整，實現“自動追光”功能。

系統性能。系統的全部信號來自傳感器，系統無需起始定位。當達到一定光照強度時，系統就會在180°范圍內自動跟蹤，在任何方位再啟動都不會迷失方向。跟蹤精度與照度和時段有關，日照越強跟蹤精度越高。陽光不足時，系統電路自動休眠等待，不盲目跟蹤。當達到一定光照強度時，系統會在短時間內調整到位，實現“自動追光”。另外，再加鋁外殼的光學衰減片保護電路元件，可抗紫外線和高溫且可保證系統在一般環境中都能正常工作。

發電量對比。 用兩塊參數相同的太陽能電池板，一塊固定朝南略偏西放置，另一塊安裝在自動跟蹤器上，分別測試這太陽能電池板的發電功率。下圖是晴朗的天氣下得到的上述兩塊太陽能光伏發電功率對比曲線圖。

從圖中可以看出，方向固定的太陽能電池板全天平均功率為605.78mW。自動跟蹤的太陽能電池板全天平均功率為873.39mW，發電功率增加44.18%。方向固定的太陽能電池板全天只有3小時左右在輻射強度為1000W／㎡左右的情況下工作，而加了自動跟蹤系統的太陽能電池板達到6小時左右，太陽能電池板的總功率明顯增加；特別是在低輻射強度時，功率功率增加幅度超過了200%。

結束語：

太陽能是一種取之不盡，用之不竭的綠色能源，即無污染又無副作用。但是太陽能電池板的光電轉換率低，不能滿足人們的用電需求，阻礙了太陽能技術的推廣。而本文針對太陽能電池板的特性提出了采用多種方法來提高太陽能電池板的光電轉換率。

太陽能追光系統它具有輕巧、廉價、高效、便于使用的特性。可用于太陽能自動化路燈、太陽能熱水器、太陽能充電器等各方面。關于太陽能利用的研究近幾年來已經成為炙手可熱的話題，而提高光電轉換率一直是人們重點研究的對象，采用自動跟蹤系統將會掀起太陽能電池在各個領域應用的高潮，市場前景廣闊。

參考資料

[1]方榮生等編著.太陽能應用技術.北京：中國農業機械出版社，1985年9月

[2]李安定.太陽能光伏發電系統工程.北京：北京工業大學出版社，2001年

[3]許穎.非晶體/單晶體異質結合電池的研究.中科院半導體所，2007年