基于提高太陽能發電效率的研究綜述

摘 要：石油煤礦資源的枯竭、生態環境的破壞逐漸證明了傳統的發展模式存在的弊端，尋找和采用新的能源已迫在眉睫。風能，太陽能應運而生，但由于風能存在的局限性比較大，所以利用太陽能成為一種大的發展趨勢。早期太陽能沒有發展起來，一方面是由于它的高成本，另一方面則是它的光電轉換效率低。但隨著科技的不斷發展，太陽能發電的成本不斷降低。文章則對太陽能的發電效率的提高進行綜述。

關鍵詞：太陽能；光伏發電；發電效率

1 概述

隨著全球能源需求不斷增長，經過測算如果按照現在的需求水平，石油能夠使用的時間不足50年，然而經科學家研究證明，太陽每年輻射在地表的能量相當于130萬億噸的標準煤。如果這些能量能夠集中存儲利用起來，那么煤礦的枯竭現象會稍加緩解，生態環境也不會那么快惡化。早期太陽能發電沒有利用起來，是由于它的成本高，但隨著科技的日益發達，太陽能發電的成本在不斷降低，所以太陽能發電成為了這個社會環境下必不可少的產物。

1839年，法國科學家貝克雷爾發現了“光伏效應”，但到1954年，在美國貝爾實驗室才首次制成了實用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉換為電能的實用技術，將人類使用太陽能發電推進了一大步。但是，早期由于太陽能的發電成本太高，只是被使用在衛星電源，鐵路信號燈而已。從1980年開始，國家開始對光伏產業的發展給以支持，光伏產業進入上升期，開始廣泛應用于通信、交通、石油等各個領域。2002年，國家啟動的“西部省區無電鄉通電計劃”，解決了西部800多個無電鄉的用電問題，其中光伏發電占據著主導地位。

目前我們的光伏產業遍布的行業已經涉及到很多方面，比如太陽能路燈，通信，家電方面等。其他國家光伏發展現狀也是如日中天，像德國等國家推出的“太陽能屋頂計劃”，更是推動了全球太陽能用電的發展。

隨著環境和能源問題的日益突出，我國對太陽能光伏發電的政策支持力度也在不斷擴大，鼓勵各級地方政府，因地制宜地利用廢棄土地，荒山野嶺建筑屋頂等就地建設分布式的光伏電站。

太陽能發電的局限性，就是光電轉換效率低。目前想在太陽能發電方面有所突破，就必須要解決這光電轉換效率低的問題。

2 光伏發電組成和原理

太陽能電池的內部存在PN結，當太陽光入射的能量大于硅禁帶寬度的時候，射入電池內部的太陽光子把電子從價帶激發到導帶，產生一個電子空穴對。電子空穴對被內電場分離，N型半導體中的電子和P型半導體中的空穴分別向對方擴散，最后電子則會留在N型半導體中，空穴留在P型半導體中，形成一個內建電場。內建電場使得N型半導體中的空穴和P型半導體中的電子被分別推向對方的區域，使得N型半導體積累了過剩的電子，P型半導體中積累了過剩的空穴，在PN結兩端產生電勢。

太陽能光伏系統通常由光伏板，控制器，逆變器，蓄電池等設備組成。光伏板作為整個光伏發電的核心部分，提供電能，供負載使用，一般只有在有陽光照射的情況下才會輸出能量，所以為了避免發電量不足，采用蓄電池作為儲能元件?？刂破饕话闶怯沙潆婋娐罚烹婋娐泛妥畲蠊β士刂平M成，是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，避免過充電和過放電的現象發生。逆變器的作用則是將直流電經過逆變器轉換成交流電，為交流負載提供電能。（圖1）

圖1

3 采用新型的電池原料

太陽能電池材料的要求需要半導體材料的禁帶不能太寬，要有較高的轉換效率，要對環境不造成污染，便于工業化的使用，結合這些要求，人們發現硅是最理想的材料。但是人們進一步的發現像氮化銦這種半導體的禁帶比剛開始認為的還要小，這一發現，使得以銦，鎵和氮的合金為基礎的光電池對所有的太陽光譜的輻射都比較靈敏。通過這種合金研制出的太陽能電池，不僅成本比較低，而且這種新型的太陽能電池比現有的更加高效。有關人員指出，用氮化銦和氮化鎵雙層制成的多級太陽能電池的效率可以達到理論極限最大效率的50%。

4 優化生產工藝

電池片生產的每個步驟對太陽能電池的轉換效率都會產生影響。硅片的檢測：硅片的質量直接決定了太陽能電池轉換效率的高低，在生產電池片之前就必須對硅片表面不平整度、少子壽命、電阻率等這些參數進行在線測量。制絨：太陽能電池制造的第一道常規工序即是去除硅片表面損傷層，目前主要采用化學腐蝕中的堿腐蝕，不僅可以有效地去除由于切片造成的表面損傷，而且還可在硅片表面形成一個具有限光作用的金字塔式的表面絨面構造，能夠有效的減少光的反射作用。制作PN結：把三氯氧磷作為一種雜質源，進行磷擴散形成型層。這種擴散方法生產效率較高。鍍膜：光照射在硅片的表面時，因為反射會使光損失約1/3，所以在硅背面需制備一層減反射膜，可以減少光的反射作用，電池的短路電流和輸出就能夠增加，效率也相應的有所提高。印刷：實際上就是制作太陽能電池的正負兩個電極。在印刷的過程中，可以通過增加柵線的數量，來達到最大的限度的收集光電流，并且盡可能的降低串聯電阻的大小，所以柵線應越密越粗越好，然而這必然減少了硅電池的受光面積，大大增加成本。因此柵線的設計應是受光面積與收集光電流及降低串聯電阻之間的合理匹配。燒結：使得電極的接觸具有電阻特性，提高轉換效率。

5 提高太陽輻射度

太陽能電池的發電量取決于它的輸出功率，當輻射度變強時，電池開路電壓出現微弱的上升，短路電流明顯提升，從而使得輸出功率增大。下面從光跟蹤技術方面來提高太陽的輻射度，使得它的轉換效率進一步提高。

目前光跟蹤技術主要有兩種方法：視日運行軌道跟蹤辦法和光電自動跟蹤辦法。視日運行軌道跟蹤技術的原理是電池陣列繞軸轉動，跟蹤太陽方位角的變化，使得電池陣列方位角和太陽方位角相同。

光電跟蹤技術是通過光傳感元件如光敏電阻等感知太陽光，由于太陽光入射角度的變化，會使傳感器之間產生偏差信號，信號經過放大器放大后，輸入到控制單元，控制單元計算出位置的偏差值，然后再驅動裝置調整電池陣列的位置保持它與太陽光垂直。

6 最大功率跟蹤法

最大功率跟蹤法是指控制改變太陽電池陣列的輸出電壓或者電流的方法使陣列始終工作在最大功率點上。這里只介紹電導增量法，光伏陣列在某一條件下的PV曲線，曲線上存在一個最高點，從理論上來說這點就是功率輸出的最大點。擾動觀察法只是在理想的狀態下才能達到最佳的效果，它只是將太陽能電池的功率的改變與電壓擾動相聯系，使工作點慢慢靠近最大的功率點，這種方法不知道△U的方向，不是怎么精確，容易產生偏差。而電導增量法是以最大功率點的電壓作為依據，改變實際的工作電壓[1]。從PV曲線圖中可知，曲線為單峰值的曲線，在PMAX點處，功率對電壓的一階倒數為0，通過這種方法可以實施正確的跟蹤方向。電導增量法控制的靈敏度，穩定度都比擾動觀察法好，減少了功率振蕩的問題。

7 降低電池組件的溫度

光伏發電的效率對電池組件的溫度比較敏感，從圖2中可以發現，當溫度上升的時候，電池組件中的熱激發電子占主導地位，電池短路電路稍加提升，開路電壓嚴重的下降，使得輸出功率下降。

經過研究表明，在20-100攝氏度的范圍之內，溫度大約每升1攝氏度，光伏電池的開路電壓將減小2mV，短路電流將增加千分之一，總的來說，溫度每升高1攝氏度，則功率減小0.35%。因此人們很快就想出使用冷卻系統進行降溫，保證光伏組件運行在低溫的狀態下。這種冷卻系統被分為兩類：一種是主冷卻系統，還有一種是被動冷卻系統，兩種冷卻系統相比較，主冷卻系統結構復雜，但是能夠最大化的利用太陽能，可靠性相對于被動的冷卻系統來說較差，被動冷卻系統在成本以及可靠性方面具有明顯優勢。

8 結束語

隨著各國政府新能源政策實施力度的加強，以及太陽能發電技術的成熟，太陽能發電將在成本、性能和可靠性方面達到平衡，太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲量大，壽命長，無污染的優點，成為最具潛力的一種新能源。而且太陽能發電在能源結構中占的比例越來越大。從文中可以看出可以從多方面來進一步提高太陽能的轉換效率，如制作的材料，生產工藝，外界的環境，還有太陽電池的裝置等各個方面。

參考文獻

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