[发明专利]太阳能电池系统、电子装置以及结构

说明书

技术领域

本公开涉及一种太阳能电池(solar cell)系统、一种电子装置以及一种结构，例如，一种适合于与染料敏化太阳能电池(dye-sensitized solarcell)一起使用的太阳能电池系统，以及具有该太阳能电池系统的一种电子装置和一种结构。

背景技术

作为用于将太阳光转换成电能的光电转换元件的太阳能电池使用太阳光作为能源。因此，太阳能电池对全球环境具有非常小的影响，并且期望得到进一步的普及。在过去，使用单晶硅或多晶硅的基于晶体硅的太阳能电池或基于非晶硅的太阳能电池已经被主要地用作太阳能电池。

另一方面，在1991年由Gratzel等人提出的染料敏化太阳能电池已经引起注意，因为染料敏化太阳能电池可以提供高的光电转换效率，并且在过去制造基于非硅的太阳能电池时，可以在不需要大型装置的情况下以低成本来制造(例如，见1991年自然杂志(Nature)第353期第737-740页)。

染料敏化太阳能电池通常具有包括由光敏化染料被粘合到其上的氧化钛(TiO₂)等制成的多孔电极和在这些电极之间填充的电解液的电解层的结构。常常使用通过将包括诸如碘(I₂)、碘离子(I^-)等的氧化还原核素的电解质溶解在溶剂中而得到的电解液。

太阳能电池具有电流-电压输出特性(I-V输出特性)，使得可被提取的电流的值由连接到太阳能电池的负荷的电压的值来确定。太阳能电池的发电输出P通过太阳能电池的发电电压V和发电电流I的乘积来表示。因此，当太阳能电池处于开路状态时，例如，发电电流I不流动，也就是说，I＝0，使得发电输出P为P＝0。另一方面，当太阳能电池处于短路状态时，发电电流I的值变得非常大，而发电电压V为V＝0，再次使得发电输出P为P＝0。也就是说，对于太阳能电池的有效发电，连接到太阳能电池的负荷在开路状态下不应该为零负荷，在短路状态下也不应该为超负荷，并且该负荷为适当的负荷是很重要的。

图21是示出了在恒定光源之下的太阳能电池的I-V输出特性和电力-电压输出特性(P-V输出特性)的示例的图。

如图21中所示，横坐标轴指示在太阳能电池中发生的发电电压V，而纵坐标轴指示太阳能电池的发电电流I和发电输出P。当关注涉及P-V输出特性时，将来自太阳能电池的输出电力最大化的操作点为P-V输出特性的顶点，并且通常被称为最大电力点(MPP)。也就是说，可以说的是，当太阳能电池总是以MPP正在发电时实现了最高的发电效率。

然而，太阳能电池的P-V输出特性取决于太阳辐射的强度、温度、负荷条件等而大大地变化，并且MPP对应地大大地变化。因此，最大电力点跟踪(MPPT)控制对于使太阳能电池总是以高效率发电是必须的。具体地，MPPT控制找到作为将发电输出P最大化的发电电压V和发电电流I的组合的MPP，继续将适当的负荷施加到太阳能电池以便总是维持该状态，并且因此使太阳能电池总是以最大效率操作。换句话说，MPPT控制是在没有浪费的情况下将太阳能转换成电能，并且实际上是对于驱动太阳能电池不可缺少的控制中的一个。

被用作为MPPT控制电路的电子电路被大体上分类成以下两种系统。一种是将发电电压设置为控制变量并且执行反馈控制使得发电电压的值为设定值的电路。另一种是将发电电流设置为控制变量并且执行反馈使得发电电流的值为设定值的电路。在电化学领域中，这些控制方法分别被称为电位调节控制(恒电位控制)和电流调节控制(恒电流控制)。

当实际地设计MPPT控制电路时，不可抵抗地使用前者的电位调节控制。根据发电电压和发电电流与照度的依赖性来解释此原因。通常期望太阳能电池在以从办公室内的约0.5W/m²的照度到在盛夏中的直接太阳光下的约1000W/m²的照度的几个数量级扩展的一照度范围内稳定地操作。因为太阳能电池的特性，在MPP处的发电电流I_max大体上与照度成比例。另一方面，在MPP处的发电电压V_max大体上与照度的对数成比例。也就是说，发电电流随着照度的改变而急剧地改变几个数量级，而发电电压被用对数压缩并且因此在减小的范围内变化。因此，发电电压易于作为控制变量来处理，并且当控制发电电压时，控制电路变得更简单。