晶体二极管在太阳能利用方面的研究与应用

晶体二极管在太阳能利用方面的研究与应用

田振鹏邵贵芹

（山西漳泽电力侯马热电分公司新能源榆林项目部山西临汾043000）

摘要：太阳能光伏发电是一种直接将太阳能辐射转换成为电能的新型发电技术，我国该项技术在上世纪80年代中后期就已初具规模，现在进入快速发展时期，在诸如“西藏阳光计划”、“森林防火通信工程”等国家建设计划中大展拳脚。分散的户用光伏电源系统已开始以商品形式直接进入千家万户，光伏发电市场初步形成。太阳能光伏发电技术能量转换的关键器件是太阳能电池。成本高是太阳能电池发展的瓶颈，鼓励发展民用光伏系统，扩大生产规模以降低成本是光伏发电市场未来的发展方向。基于此，本文主要阐述了太阳能利用的理论基础、二极管提高光能转换效率和节能的应用技术，以供参考。

关键词：晶体二极管；太阳能；应用

一、太阳能利用的理论基础

1.1太阳能发电理论基础

太阳电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。

1.2光伏发电原理

太阳能电池发电的主要原理是半导体的光电效应。硅原子有4个电子，如果在纯硅中掺入有5个电子的原子如磷原子，就成为带负电的N型半导体；若在纯硅中掺入有3个电子的原子如硼原子，形成带正电的P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P-N结后，空穴由N极区往P极区移动，电子由P极区向N极区移动，形成电流。2、太阳能电极板工作原理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子转换反应。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，光电转换率越高，太阳能电池板发电越大，提高光电转换率是降低光伏成本的主要原因。

1.3太阳能利用中影响转化效率的因素

在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重的破坏太阳电池。有光照的太阳电池所产生的部分能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。

1.4提高太阳能电池光电转换率

一般可见光都能相对通过太阳能电池转换电能，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。日照量在固定范围内，太阳能电池板板的温度升高，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，（具体请查阅太阳能发电与应用一书）光电转换效率的提高是降低成本的决定作用。温度会影响太阳能电池板的光电转换效率，一般可见光都通过太阳能电池转换为电能，而红外线更容易转变成物质内能，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，但能阻止阳光不能转换的红外线，我们可以利用透明玻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。只要几十元的透明玻璃以及相应的几个技架，就有了太阳能电池隔热增效罩。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。

1.5二极管的工作原理

晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。

二、二极管提高光能转换效率和节能的应用技术

2.1仿真实验测试

实验一：利用实验测出在不同照度下光伏模组的I-V和P-V数据，光伏模组在不同的光照强度下，等效于模组全部处于不同阴影下，光生电流和可输出的最大功率随着照度的降低而降低，I—V和I—P特性物质的变化。实验二：使光伏模组处于阴影中，光伏模组的质将会发生变化，实验中，使得光伏模组两个电池元处于不同的阴影中，测出其I—V和I—P特性曲线。从上到下依次为无阴影（550w），80%的阴影（350W），60%的阴影（300W），40%的阴影（100W），20%的阴影（80W）。

I/V特性曲线值达到最大后迅速减小，达到一定时刻曲线变得平坦，该部分光生电流接近于阴影中的电池元的光生电流。在550W—300W阴影区域时，模组电池组最大功率电位于曲线左侧，在100W以下，模组电池组最大功率位于曲线最大值右侧，在该区域模组电池组产生的光生电流应用于阴影部分的模组电池板的负载电压，可能使得部分模组电池板形成热斑效应，损坏模组电池板。

2.2旁路二极管的应用

模组电池板在应用中很容易受到阴影的影响，使得部分电池元成为负载，有时甚至会形成热斑效应，不利于有效地利用太阳能，最大限度地把电能输送出去。为了提高模组电池的输出能力，通常在各电池元间串联或者并联旁路二极管。使得电池元端的电压不接近电池元的反向雪崩击穿电压。让流过电池元的电流小于光生电流，避免形成热斑效应，保护电池元，提高模组的电能输出能力。理论上可知道：并联旁路二极管后不仅可以保护电池元而且能够大大提高模组的输出能力，并联的旁路二极管愈多，模组的输出能力受到阴影的影响愈少。

三、结束语

综上所述，太阳能电池方阵组的输出随太阳辐射照度和太阳能电池方阵表面温度而变动，因此，在应用跟踪太阳能电池方阵工作点进行控制，使方阵始终处于最大输出，以获得最大的功率输出。随着太阳能电池新材料领域科学技术的发展和太阳能电池更先进的生产工艺技术的发展，一方面太阳能电池效率将会更高、成本将更低，另一方面性能稳定、转换效率高、成本低的薄膜太阳能电池等将会被研制开发成功并投入商品化生产。

参考文献：

[1]石卓.晶体二极管的特性及典型应用[J].科技创业月刊，2015（24）

[2]张武勤.晶体二极管开关转换过程分析[J].现代电子技术，2010（09）