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提高太阳能电池板光电转化率的研究
摘要：文章论述了太阳能电池板的发电原理及如何应用其作为发电系统，提出了提高多晶硅太阳能电池板光能利用率的多种方法。本文重点讨论了如何使用追光系统来提高太阳能电池板光能利用率等方法。
关键词：多晶硅；太阳能电池板；效率；追光系统
引言
上世纪60年代，科学家们已经将太阳能电池用于空间技术--通信卫星供电。上世纪末，在人类不断自我反省的过程中，对光伏发电这种清洁又直接的能源形式已愈加亲切，不仅在空间应用，而且在众多领域中已大显身手，如：太阳能庭院灯、光伏水泵、通信电源 、石油输油管道阴极保护、海水淡化系统 、高速公路路标等。欧美等先进国家将光伏发电并入城市用电系统并将边远地区自然界村落供电系统纳为其科技发展方向。可见现今太阳能电池与建筑系统的结合已经形成产业趋势。
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1 太阳能电池应用的理论基础
太阳能电池发电原理：利用光伏发电，即通过一对有光响应的器件将光能转换成电能。太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组，光伏系统电池控制器，蓄电池和交直流逆变器等主要部件组成，其中的核心元件是光伏电池组和控制器。
各部件在系统中的作用。光伏电池：光电转换。太阳能电池主要由晶硅材料做作成类似二极管中的P-N结，工作原理与二极管类似。在二极管中，推动P-N结空穴和电子运动的是外部电场，而在太阳能电池中推动P-N结空穴和电子运动的是太阳光子和光辐射热。也就是通常所说的光电伏特效应原理。
控制器：作用于整个系统的过程控制。光伏发电系统中使用的控制器类型很多，而我国目前使用的大都是设计较简单的控制器，其中智能型控制器仅用于通信系统和较大型的光伏电站。
蓄电池：蓄电池是光伏发电系统中的关键部分，用来存储由光伏电池转换来的电能。目前我国还没有用于光伏系统的专用蓄电池，而是使用常规的铅蓄电池。
交直流逆变器：用于交直流转换，因此这个部件的重要指标是转换效率。例如并网逆变器采用最大功率跟踪技术，最大限度地把光伏电池转换的电能送入电网。
2 太阳电池基本性质：
光电转换效率η%为评估太阳电池好坏的重要因素。目前使用的太阳能电池实验室：η≈24%，产业化：η≈15%。
填充因子FF%为评估太阳电池负载能力的重要因素。 FF=(Im×Vm)/(Isc×Voc)。其中：Isc-短路电流，Voc-开路电压，Im-最佳工作电流，Vm-最佳工作电压；
标准光强与地面环境温度：AM1.5光强，1000W/m2 ，t= 25℃；
光照强度对电池性质的影响，例如：在室温为30℃，在光照强度大时某电池板输出功率测得为80W，如果光照强度减小时，则电池板输出功率就明显的比80W小。
温度对电池性质的影响，例如：在标准状况下,AM1.5光强，t=25℃某电池板输出功率测得为100W,如果电池温度升高至45℃时，则电池板输出功率就不到100W。
3 提高太阳能电池板利用率的方法：
太阳能电池板中电子在通过P-N结后，如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属材料，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖P-N结（如图1梳状电极），即能减小电阻降低损耗又能增加入射光的面积，增大工作效率。
硅的表面非常光滑，大量的太阳光会被反射，则太阳能电池板的工作功率会减小。为减少阳光的反射，则在硅表面涂上一层反射系数非常小的保护膜（图1梳状电极），将反射损失将大大减小。然而，一块电池所能提供的电流和电压有限，则可以将很多电池并联或串联起来使用以达到提高太阳能光电板的利用率。
当太阳能电池板温度升高，太阳能电池板的转换率降低。若在太阳能电池板上加隔热保护罩，有利于阻止太阳能电池板板体的温度升高，从而提高太阳能电池板光电转换率（利用光电材料吸收光能后转换成电能的效率叫光电转换率）。太阳能电池板的工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应。光电转换率越高，太阳能电池板发电量越大，提高光电转换率是降低光伏成本主要原因。太阳能电池能将可见光的光能转换为电能，而红外线的频率比可见光更接近固体物质的固有频率，因此更容易引起分子的共振，红外线更容易变成物质的内能，引起太阳能电池板板体的温度升高。那么阻止红外线对太阳能电池板板体的照射是降低太阳能电池板板的温度的关键。
透明玻璃可以绝大部分透过可见光，并能阻止阳光不能转换的红外线，我们可以利用透明璃来降低太阳能电池板板体的温度，从而提高太阳能电池板光电转换率。它主要特征是在太阳能电池板上方架设一块透明玻璃。日照量在固定范围内，太阳能电池板的温度升高，太阳能电池板的输出电压以及电流都会降低，也就是说太阳能电池板板体的温度也会影响太阳能电池板光电转换效率。
太阳能电池板的发电量与太阳光入射角有关，当太阳光线与太阳电池板平面垂直时转换率最高。采用自动追光系统转换率可提高40%。
自动追光系统的基本结构原理：
将传感器安装在太阳能电池板上，与电池板同步转动。光线方向一旦发生细微改变，系统输出信号就发生偏差，当偏差达到一定幅度时，传感器输出相应更正信号。执行中枢开始进行矫正，使光电传感器重新达到平衡--太阳能电池板与光线垂直时停止转动，完成一次调整周期。如此反复调整，太阳电池板时刻随着太阳光照方向的改变进行调整，实现“自动追光”功能。
系统性能。系统的全部信号来自传感器，系统无需起始定位。当达到一定光照强度时，系统就会在180°范围内自动跟踪，在任何方位再启动都不会迷失方向。跟踪精度与照度和时段有关，日照越强跟踪精度越高。阳光不足时，系统电路自动休眠等待，不盲目跟踪。当达到一定光照强度时，系统会在短时间内调整到位，实现“自动追光”。另外，再加铝外壳的光学衰减片保护电路元件，可抗紫外线和高温且可保证系统在一般环境中都能正常工作。
发电量对比。用两块参数相同的太阳能电池板，一块固定朝南略偏西放置，另一块安装在自动跟踪器上，分别测试这太阳能电池板的发电功率。下图是晴朗的天气下得到的上述两块太阳能光伏发电功率对比曲线图。
从图中可以看出，方向固定的太阳能电池板全天平均功率为605.78mW。自动跟踪的太阳能电池板全天平均功率为873.39mW，发电功率增加44.18%。方向固定的太阳能电池板全天只有3小时左右在辐射强度为1000W／㎡左右的情况下工作，而加了自动跟踪系统的太阳能电池板达到6小时左右，太阳能电池板的总功率明显增加；特别是在低辐射强度时，功率功率增加幅度超过了200%。
结束语：
太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色能源，即无污染又无副作用。但是太阳能电池板的光电转换率低，不能满足人们的用电需求，阻碍了太阳能技术的推广。而本文针对太阳能电池板的特性提出了采用多种方法来提高太阳能电池板的光电转换率。
太阳能追光系统它具有轻巧、廉价、高效、便于使用的特性。可用于太阳能自动化路灯、太阳能热水器、太阳能充电器等各方面。关于太阳能利用的研究近几年来已经成为炙手可热的话题，而提高光电转换率一直是人们重点研究的对象，采用自动跟踪系统将会掀起太阳能电池在各个领域应用的，市场前景广阔。
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