太阳能电池效率提升技巧的分析介绍

影响太阳能电池效率主要有电学损失和光学损失。光学损失主要是表面反射、遮挡损失和电池材料本身的光谱效应特性。电量转换损失来源包括载流子损失和欧姆损失。太阳光之所以只有很少的百分比转换为电能，原因归结于不管是哪一种材料的太阳能电池都不能将全部的太阳光转换为电流。晶体硅太阳能电池的光谱敏感最大值没有与太阳辐射强度的最大值完全重合。在光能临界值之上一个光量子只产生一个电子-空穴对，余下的能量又被转换为未利用的热量。由于光的反射，阳光中的一部分不能进入电池中。随温度升高，在PN结附近的厚度减少，从而电池的转换效率就会下降，所以电池的转换效率在冬季要高于炎热的夏天。目前提高太阳能电池效率的措施如下。

1.寻找光电转换新材料

研究人员发现，像氮化铟这类半导体的禁带比原先认为的明显要小，低于0.7e V。这一发现表明，以含有铟、镓和氮的合金（In1-xGax N）为基础的光电池将对所有太阳光谱的辐射——从近红外线一直到紫外线都灵敏。利用这种合金可以研制比较廉价的太阳能电池板，而且新型太阳能电池板将比现有的更结实和更高效。用氮化铟和氮化镓双层制成的多级太阳能电池可以达到理论极限最大效率的50%，如果能制成层数很多的太阳能电池，在每层中都具有自己的禁带，则太阳能电池的最大理论效率可达到70%以上。

2.太阳能电池加工工艺革新

一般工业晶体硅太阳能电池的光电转换效率为14%～16%，而采用新的激光加工技术能提高太阳能电池的光电转换效率。德国哈默尔恩太阳能研究所（Institut für Solarenergieforschung Hameln，简称ISFH）研究所的研究人员已经研制出一种制造太阳能电池的加工工艺，即背交叉单次蒸发（RISE）工艺，辅以激光加工技术，用该工艺制造的背接触式硅太阳能电池的光电转换效率达到22%。

3.最大功率点跟踪

最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）是并网发电中的一项重要的关键技术，它是指控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工作在最大功率点上。根据太阳能电池的特性，目前实现的跟踪方法主要有以下三种：

（1）恒电压法：因为太阳能电池在不同光照条件下的最大功率点的电压相差不大，近似为恒定。这种方法的误差很大，但是容易实现，成本较低。控制器确定MPPT的最常用算法是干扰电池板的工作电压，并检测输出。算法要在MPP点周围留出一个足够大的振荡范围，避免当天空掠过云彩时控制器对本地电源发出错误的扰动。扰动和检测算法的效率并不高，这是由于在每个周期内输出点都会偏离MPP。可以采用增量感应算法作为替代，这种方法可以很好地解决由于振荡导致的低效率，但又会设定一个本地峰值而不是真实的MPPT，从而引发其他问题。将这两种算法结合起来，可以保持增量感应算法的高效率，同时又可以以一定间隔在很大范围内扫描，避免选择本地的峰值。

（2）爬山法：通过周期性不断地给太阳能电池阵列的输出电压施加扰动，并观察其功率输出的改变，然后决定下一次扰动的方向。这种方法的追踪速度较慢，只适合于光强变化较小的环境。

（3）导纳微分法（又称增量电导法）：通过调整工作点的电压，使之逐步接近最大功率点电压来实现最大功率点的跟踪，该方法能够判断工作电压与最大功率点电压的相对位置，能够快速地跟踪光强迅速变化引起的最大功率点变化，相对于恒电压法和爬山法有高速稳定的跟踪特性，但是该控制算法较复杂，对控制系统性能和传感器精度要求较高，硬件实现难。

上述三种方法各有特点，但是都不同时具有低成本、高稳定性、快速追踪的特性。第一种方法只是粗略估计了最大功率点的位置，在光强变化到很大或较小时都会产生很大的误差。后两种方法本质上都是通过判断当前工作点是否处于最大工作点来决定是否继续调整及调整的方向，因此最终的结果是逆变器始终工作在最大功率点的左右，来回振荡，而不是真正工作在最大功率点处，导致太阳能电池阵列的输出电压或电流总是以一个直流电平为中心上下跳跃，波形很不稳定，而且在光强变化速度较快时，不能及时反应。

4.聚光技术

使用聚光光学元件形成聚光光伏电池，能极大提高光电转换效率，减小电池使用面积，同时由于小尺寸电池可以利用现有集成电路制作工艺来进行加工，从而使太阳能光伏发电总体成本大幅度降低。聚光是降低光伏电池利用总成本的一种措施。通过聚光器使较大面积的阳光聚在一个较小的范围内形成“焦斑”或“焦带”，并将光伏电池置于“焦斑”或“焦带”上，以增加光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能输出。

（1）聚光太阳能电池。

聚光电池的种类很多，而且器件理论、制造和应用都与常规电池有很大不同。下面仅简单介绍平面结聚光硅太阳能电池。

一般说来，硅太阳能电池的输出功率基本上与光强成比例增加。一个直径为3cm的圆形常规电池，在1个太阳辐照度（系指光强为1000W/m2的阳光，下同）下输出功率约为70m W。同样面积的聚光电池，如在100个太阳辐照度（指光强为100kW/m2的阳光）下工作，则可输出约7W。聚光电池的短路电流基本上与光强成比例增加。处于高光强下工作的电池，开路电压也有提高。填充因子同样取决于电池的串联电阻，聚光电池的串联电阻与光强的大小及光的均匀性密切相关。聚光电池对其串联电阻的要求很高，一般要求特殊的密栅线设计和制造工艺，以减少串联电阻的影响。高光强可以提高填充因子，但电池上各处光强不均匀也会降低填充因子。

（2）聚光器。

聚光器是利用透镜或反射镜将太阳光聚集到太阳能电池上。根据光学原理，聚光器可以分为折射聚光器、反射聚光器、混合聚光器、荧光聚光器、热光伏聚光器和全息聚光器等，其中，折射聚光器和反射聚光器是应用最广泛的两种聚光器。

折射聚光器包括菲涅尔透镜和普通透镜，其中菲涅尔透镜是平面化的聚光镜，与普通透镜相比，菲涅尔透镜具有质量轻，成本低，应用结构简单等优点。菲涅尔透镜没有光学元件所定义的焦平面，可以产生远好于传统成像光学的光强度增益。菲涅尔透镜包括弓形和平面形两种，其中弓形菲涅尔透镜具有更好的光学性能，但是加工难度相对较高。折射聚光器的透光效率受到透镜材料、加工工艺、厚度以及太阳照射时间的影响，一般在80%～93%之间。另外，使用折射聚光器存在不同程度的色散现象，即波长不同，光的聚焦位置不同。

反射聚光器包括抛面镜、平板、抛物槽、组合抛物面（CPC）等几种类型。反射材料主要是镀银或镀铝玻璃，或在高分子材料的表面制备高反射率薄膜作为反射面。反射式聚光器不存在色散现象，光斑辐照分布均匀，反射效率可以接近100%。但是，太阳能电池要安装在反射面的上方，因此太阳能电池及其固定装置会在反射面上产生投影，进而在太阳能电池表面产生投影。此外，如果反射面受到污损，反射率会急剧下降，从而导致光伏系统的输出下降。

很多聚光系统采用二级聚光设计，例如先使用折射聚光镜将光线会聚于电池上方，再利用安装于电池边沿的反射镜将光线会聚于电池表面，这样到达电池表面的光更均匀。有的聚光系统利用色散现象，将不同波长的光会聚于不同的电池上，例如卡塞格林透镜可以在相对较小的尺寸实现较大的聚光比，通过二次反射透镜提高聚光率，然后以光谱分离装置实现对太阳辐射的分光，最后投射在不同禁带宽度的太阳能电池上，提高整个系统的光电转换效率，但其缺点是结构相对复杂，对跟踪精度要求较高。

根据聚光形式，聚光器可分为线聚光器和点聚光器。线聚光器通常包括条形透镜、抛物槽或线聚光组合抛物面，聚光倍数通常较低。也有的线聚光器采用二级聚光器设计，可以达到较高（＞300）的聚光率。线聚光器采用单轴跟踪器即可满足对太阳跟踪的要求。点聚光器也叫轴向聚光器，在点聚光器中，用以聚光的透镜或反射镜和太阳能电池处于同一条光学轴线上，聚光倍数通常比较高。点聚光器通常采用双轴跟踪器对太阳进行跟踪。

根据几何聚光率，聚光器可以分为低倍聚光（1.5～10）、中倍聚光（10～100）和高倍聚光（＞100）器。低于10倍的聚光器可以不需跟踪太阳或者对跟踪精度要求相对较低，而且可以在一定程度上利用太阳辐射中的散射光，适用于太阳直射辐射条件不太好的地区。大于10倍的聚光器可以节约90%面积的电池，能更好地降低成本，但是只能利用太阳辐射中的直射光部分，而且聚光倍数越高，对太阳跟踪精度的要求也越高。

5.跟踪装置

随着聚光比的提高，聚光光伏系统所接收到光线的角度范围就会变小，为了更加充分地利用太阳光，使太阳总是能够精确地垂直入射在聚光电池上，尤其是对于高倍聚光系统，必须配备跟踪装置。

太阳每天从东向西运动，高度角和方位角在不断改变，同时在一年中，太阳赤纬角还在-23.45°～+23.45°之间来回变化。当然，太阳位置在东西方向的变化是主要的，在地平坐标系中，太阳的方位角每天差不多都要改变180°，而太阳赤纬角在一年中的变化也只有46.90°。所以跟踪方法又有单轴跟踪和双轴跟踪之分，单轴跟踪只在东西方向跟踪太阳，双轴跟踪则除东西方向外，同时还在南北方向跟踪。显然，双轴跟踪的效果要比单轴跟踪好，当然双轴跟踪的结构比较复杂，价格也较高。太阳能自动跟踪聚焦式光伏系统的关键技术是精确跟踪太阳，其聚光比越大，跟踪精度要求就越高，聚光比为400时跟踪精度要求小于0.2°。在一般情况下，跟踪精度越高，跟踪装置的结构就越复杂，控制要求也越高，造价也就越贵，有的甚至要高于光伏系统中太阳能电池的造价。

点聚焦型聚光器一般要求双轴跟踪，线聚焦型聚光器仅需单轴跟踪，有些简单的低倍聚光系统也可不用跟踪装置。

跟踪装置主要包括机械结构和控制部分，有多种形式。例如，有的采取用以石英晶体为振荡源，驱动步进机构，每隔4min驱动1次，每次立轴旋转1°，每昼夜旋转360°的时钟运动方式，进行单轴、间歇式主动跟踪。比较普遍的是采用光敏差动控制方式，主要由传感器、方位角跟踪机构、高度角跟踪机构和自动控制装置等组成。当太阳光辐照度达到工作照度时自动开机，在太阳光线发生倾斜时，高灵敏探头将检测到的“光差变化”信号转换成电信号，并传给自动跟踪太阳控制器，自动跟踪控制器驱使电动机开始工作，通过机械减速及传动机构，使太阳能电池板旋转，直到正对太阳的位置时，光差变化为零，高灵敏探头给自动跟踪控制器发出停止信号，自动跟踪控制器停止输出高电平，使其主光轴始终与太阳光线相平行。当太阳西下且亮度低于工作照度时，自动跟踪系统停止工作。第二天早晨，太阳从东方升起，跟踪系统转向东方，再自东向西转动，实现自动跟踪太阳的目的。常见的三种跟踪系统如下（图3-11）：

图3-11　三种常见的跟踪系统

（a）水平单轴跟踪系统；（b）极轴式单轴跟踪系统；（c）阵列式极轴跟踪系统

（1）水平单轴跟踪系统：是指光伏方阵可以绕一根水平轴东西方向跟踪太阳。跟踪系统主要由太阳能电池组件安装支架、水平转轴、转动驱动机构、风速检测装置和跟踪控制器组成。

特点及应用：这种跟踪装置结构特点是结构简单，成本较低，更适合于纬度较低的地区，发电效率比固定纬角的固定式结构高30%左右。可以安装在地面也可以安装在屋顶。

（2）极轴式单轴跟踪系统：具有一根固定纬角的转轴，光伏方阵可以绕该转轴东西向旋转跟踪太阳。跟踪系统主要由光伏组件安装支架、转轴、支架、电动推杆、风速探头及跟踪控制器组成。

特点及应用：这种跟踪系统的特点是结构最简单，造价最低。比较适合纬度较高的地区使用，发电效率比固定纬角的固定式系统高30%以上。可以安装在地面也可以安装在屋顶。

（3）阵列式极轴跟踪系统：这种系统具有一根南北方向的纵向转轴和固定在纵向轴上的多根横向转轴组成，每块太阳能组件小方阵既可绕纵向轴东西向转动又可绕横向转轴上下旋转。跟踪系统主要由纵向转轴、横向转轴、东西向推杆、高度角推杆、连杆、支架、组件安装支架、向日跟踪探头、风速探头及跟踪控制器组成。

特点及应用：与水平单轴跟踪相比，实现了双轴跟踪，发电效率更高，比固定纬角的固定结构高45%以上，与立柱式跟踪相比，系统的高度更低，抗风性能更好，单位面积的安装功率更高。既可安装在地面也可安装在屋顶。

6.冷却器

在高光强下工作时，电池的温度会上升很多，此时必须使太阳能电池强制降温，并且由于需要对太阳进行跟踪，需要额外的动力、控制装置和严格的抗风措施。一般可采用自然冷却或通水冷却等方法，在低倍聚光时，也可以不配备专门的冷却器。对于硅太阳能电池，聚光比在100以下时，可采用在组件背面安装适当大小的散热片的方法，在太阳能电池工作时，产生的热量通过铜散热器传到壳体，再通过辐射和对流方式将热量散掉，使电池温度保持在100℃以下。

7.聚光光伏发电系统的最新发展状况

进入20世纪90年代后，聚光光伏发电系统开始慢慢被商业应用，并出现了一些有影响力的公司，如Entech、Amonix、Concentrix Solar Gmb H等。美国Amonix公司研发的集成高效率聚光硅光伏电池发电系统（IHCPV），已经应用到很多场所。该系统的核心技术是：10mm点接触绒面硅光伏电池的光电转换效率高达25%～27%；所使用的聚光式菲涅耳透镜由普通丙烯酸塑料模压制而成，制造简单，价格便宜。因此，集成高聚光光伏技术是现有实用的各种光伏技术中发电成本最低的一种。

德国Concentrix Solar Gmb H公司于2008年进行聚光光伏系统模型试验，其聚光系统采用的是FLATCON聚光模块，实质上就是由玻璃注塑成型的菲涅尔透镜，聚光比为500，电池集成封装基底上的精度为25m，采用了电路板工艺和绝缘玻璃技术，使成本效益相对合算并且使用多年后系统仍可保持性能稳定可靠，示范模型的效率高于27%。

中国自主研发了一种先进技术——“4倍聚光+跟踪”的光伏发电技术。已有测量数据证明：在4倍光强的条件下，光电池的输出量是平均电池输出量的3.3倍。如果再加上跟踪装置，可比平板电池提高30%，也就是说一块光电池能产生4.3倍的电力。“4倍聚光+跟踪”光伏发电系统的成本已降到0.8元/kWh。

为什么这一4倍聚光技术能在短期内获得成功？原因在于以下四个方面：①仅要求“4倍”而不是“高倍”聚光，可用目前市场上供应充分的光伏电池，不必要求有能承受10～20倍聚光的“特殊”电池；②这一光漏斗能保证太阳光在光电池表面有均匀的光强分布，这就极大地减少了由于热应力的不均匀和受热量的不均匀而带来的“光漏斗”在制作和散热方面的困难。事实上，如果选择市场上随便买来的劣质光电池，4倍聚光会扭曲成“碗”；③由于这是光的均匀“折叠”，仅要求太阳光的垂直输入，使“光漏斗”成为“向日葵”；④只需将地球绕太阳公转和自转的高精密的运行公式输入芯片，就能将阳光垂直送进光漏斗，不必采用“测量”和“反馈”等复杂而又不甚精密的控制方案，也大幅度降低了跟踪成本。