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光伏发电中光电转换效率问题的探讨
工　程　技　术
光伏发电中光电转换效率问题的探讨
田晓飞　　杨海洋　　周慧
（空军工程大学电讯学院　　陕西西安　　７１００７７）
摘　要：从太阳能发电的技术原理——光伏效应出发，刨析现在广泛采用的太阳能板材料对光电转换效率的制约，进而从结构改进和创新、开发新材料、采用全新构思三个方面，探讨进一步提高光电转换效率的一些实践方法，为以后太阳能行业的研究发展提供思路。关键词：光伏效应　　叠层非晶硅　　量子点超晶格结构
中图分类号：ＴＱ１文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００８）０８（ａ）－０１１５－０１
１　光电转换的技术原理
光伏效应是现在主要太阳能电池的技术
基础。当太阳光照射太阳能电池表面时，一部
分光子（能量大于材料禁带宽度）的能量被材
料吸收，使内部电子发生了越迁，成为自由电
子，形成的新的空穴－电子对在ｐ－ｎ结内部
电势垒的作用下，空穴流向ｐ区，电子流向ｎ
区，在Ｐ－Ｎ结两侧集聚形成了电位差，形成
光生伏特效应。接通电路后就形成电流，从而
完成光能向电能的转换。针对现在常用的硅、
锗材料，存在有两个制约光电转换效率提高
的内在因素：
１．１　材料的光谱特性造成的限制
由于材料各自禁带宽度的限制，入射到
硅、锗光电池材料表面的太阳光只有一部分
能被吸收，进而发生光电转换，并且只有对一
种材料对应的峰值波长光子表现出较高的转
换效率，这样就制约了太阳能的充分利用和
向电能的高效转换。
硅光电池对波长在０．４－１．１５微米区域中
的光子能有效吸收，进行光电转换，并且只在
峰值０．８微米左右光电转换率最大；锗光电
池则只能对波长在０．５微米左右很窄范围内的
入射光子高效吸收利用。
１．２　材料内部载流子的复合造成的限制
受光照的Ｐ－Ｎ结，所激发出的电子－空
穴对有存在结区的，也有在Ｐ区、Ｎ区的。在
结区的电子－空穴对很容易被内建电场分离，
从而在势垒两侧形成电荷积累；但是产生于Ｐ
区或者是Ｎ区的电子－空穴对就要通过浓度
梯度导致的扩散到达结界面处，之后内建电
场才能把它们分开。这就导致产生于Ｐ区或者
是Ｎ区的电子－空穴对只有满足离ＰＮ结的距
离小于它的扩散长度，才有一定的概率能够
扩散到结界面处，对电荷积累有贡献。
实际上，对于光电池中普遍使用的硅、
锗，由于材料ＰＮ结结构以及载流子寿命的原
因，导致在材料吸收的有限光子中只有部分
能对最终光生电流的产生做出贡献，进一步
地阻碍了光电转换效率的提高。
２　通过结构改进和创新来提高转换效率
非晶硅尽管是一种很好的太阳能电池材
料，但由于其光学带隙为１．７ｅＶ，　使得材料
本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限
制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，光
电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所
谓的光致衰退Ｓ一Ｗ效应，使得电池性能不
稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太
阳能电池。
叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不率同禁带宽度的材料组台在一起，提高了光谱传统的太阳能板既负责收集太阳能，又的响应范围；②顶电池的ｉ层较薄，光照产生负责将太阳能转化成电能，这样由于单一太的电场强度变化不大，保证ｉ层中的光生载流阳能板材料的限制必然导致太阳能吸收效率、子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池转化效率的不理想。如果将这两个过程进行的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电分离，分别用一个高效的装置去完成，将很大池各子电池是串联在一起的。目前三叠层结程度提高效率。集热器可由多面镜子制成、弯构非晶硅太阳能电池转换效率达到１３％，创曲成一定的弧度，形成特殊的“聚光镜”，使下新的记录。吸收光能的效率呈很大倍数的增加；而转化叠层结构做为提高非晶硅太阳能电池稳器则使用高效器件，达到将大量热能转化成定性及转换效率的一种有效解决方案，正是电能。这样，就能很好的完成提高转换效率的立足问题实质，实现不同禁带的材料有效整任务。这个用于提高太阳能发电效率的新方合，不仅有效扩大了光谱相应范围，还能通过案，在世界上已经得到了应用，建立了最新应上下层不同的构造达到减小光致衰退效应。用这项成果的太阳能发电基地。４．２　采用量子点超晶格型来提高转换效率３　开发新材料来提高转换效率针对一般材料光谱特性导致的只对入射３．１　聚合物多层修饰电极型太阳能电池光中的部分高效率吸收利用，可以采用新发光电池硅材料的昂贵，不利于太阳能器展的量子点超晶格结构来有效解决。件的推广利用，而以有机聚合物代替无机材在ｐ－ｎ结之间层叠多个量子点层的量子料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究点超晶格型产品，如在１ｃｍ见方的ＧａＡｓ底板方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料上交替叠加了３０层ＧａＮＡｓ和３０层ＩｎＡｓ的超来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用晶格结构。这种超晶格结构导致量子点之间太阳能，提供廉价电能具有重要意义。产生结合后，在传导帯上形成微能带，使利用贝尔实验室的科学家利用一种含碳基的各种波长的光成为可能。在筑波大学进行的有机物质ｐｅｎｔａｃｅｎｅ来取代太阳能电池中的这项新研究已经成功的将转换效率提高到８．矽。Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ是一种很具潜力的半导体物５４％。如果能解决以下问题：（１）缩小中间层质，因为当它吸收了光线后的光电转换过程的膜厚，强化量子点之间的结合；（２）使量子中，能同时传导正与负电荷的两种粒子点紧密排列；（３）叠加更多的层，则可以使转（ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ　ａｎｄ　ｈｏｌｅｓ）。　研究人员制把换效率进一步得到提高。ｐｅｎｔａｃｅｎｅ制成一种三明治式的结构，并且发现界面的空隙中假如有少量的溴存在，５　结语Ｐｅｎｔａｃｅｎｅ太阳能电池的效率会更佳。提高光电转换效率是太阳能应用中的关ｐｅｎｔａｃｅｎｅ太阳能电池效率不高，但是键。为了进一步提高太阳能电池的效率，不论ｐｅｎｔａｃｅｎｅ的薄膜可以涂抹在塑胶的表面上以是上文上文提及的设计新的结构、发现新的增加价格的便宜，可以弯曲的特性更可在大材料、提出新的构思，还是其它技术创新，都范围的区域上使用。必须从源头上重视基础研究创新。这是我们有机物化制造光电池的结果，将使得太这样一个能源消耗大国，在将来的太阳能开阳能的利用变得更便宜与充满前景．发利用的大争夺中立于不败之地的根本。３．２　纳米晶太阳能电池纳米材料也能应用在太阳池技术中。纳参考文献米ＴｉＯ２晶体化学能太阳能电池是新近发展［１］　潘英俊，邹建．光电子技术［Ｍ］．重庆：重庆的，优点在于廉价的成本和简单的工艺及稳大学出版社，２００３．定的性能。其光电效率稳定在１０％以上，制［２］　曾光宇，张志伟，张存林．光电检测技术［Ｍ］．作成本仅为硅太阳电池的１／５～１／１０．寿命北京：清华大学出版社，２００５．能达２年以上。尽管类电池的研究和开发刚刚起步，还存在不少的问题要解决（如何进一步提高转换效率和使用寿命），但也许在不久的的将来会逐步走上市场。４　采用全新的构思来提高转换效率４．１　改进传统太阳能发电系统来提高转换效
　科技创新导报　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ１１５
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【关键词】光伏发电系统;效率提升;光电转换效率;有效...的瓶颈,因此如何最大限度地提升效率是关键问题所在[...[5]中对轴取南北横向方向的系统进行了自行设置,对...它利用太阳光照射在光伏发电系统中的光伏电池上产生光...太阳能电池组件的光电转换效率提升空间不大, 因此 可以..., 因此在多云或者阴天环境下回出现 无法跟踪的问题...化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度不...人类生产 、生活用电的三分之一将取自光伏发电。 ...出现了光电转换效率的影响因素 ,即吸收过程中的光学...如利用太阳光发电,将太阳 能转换为电能 , 这种能源...本文主要论述太阳电池片光电转换效率的问题 。 表面...中 , 理想的光伏电池并不存在 , 所以在设计过程中...为光伏发电最核心的问题, 则成为太阳能技术研究的重点...原材料本身的缺陷等, 都能导致其光电转换效率降低。...配电变压器负载率、 效率与经济运行的探讨[J].电工...太阳能光伏发电投资中硅材料占总投资 的 60 %, ...4 提高太阳能光伏发电效率需进一步 解决的问题目前,...光电转化效率; )(2 研究太阳能光伏电池最大功率跟踪...*光电转化效率 这里面有 2 个因素电池面积和光电转化效率,这里面的转化效率对...8 减少线路损失 在光伏系统中,线缆占很少一部分,但是线缆对发电量的影响也不容...光伏组件的光电转换效率、组件标称功率偏差,组件的...1.2 组件安装 在地面光伏站中, 光伏组件多种安装...表 1:造成光伏发电损失的某些因素及其典型值(国际可...能光伏发电能否提高光电转换效率、 经济高效地利用太阳能 是首先要解决的问题。...单轴太阳能跟踪系统只能东西跟踪 太阳, 也就是只考虑太阳在一天当中方位角的变...电池的效率是普遍关注的问题,提高其效率, 一种办法是在上游解决光电转换效率,...光伏发电技术也越来越受 到人们的关注,随着光伏组件价格的不断 降低和光伏技术...当前位置是：
云遮雾罩的光伏电池、光热转换效率数据竞赛：卫星放在地上还是天上?
发布时间： & 来源：华夏能源网
　　28%，34.5%，40%，46%，50%，70%……　　创纪录，最高纪录，刷新世界记录，高达，惊人的……　　在这一连串的数字前面，再加上各种眼花缭乱的形容词、修饰词，时不时曝出的光伏电池转换效率纪录冲击着人们的眼球，更展示着人类对光电粒子得心应手的驾驭能力：看吧，人类全部利用太阳能的时代就在眼前!　　而实际上，据记者了解，目前中国国内大规模光伏电站使用的电池转换效率最高不超过20%，这基本代表了光伏电池工业运用的领先水平。而那些更高的数据背后，一般都会加上“实验室数据”这样的限定，这基本上就是不可捉摸、无法验证的代名词和遮羞布。　　在这种种超高数据背后，实则是以数据宣传公司产品，进而包装企业机构实力，达到宣传炒作的目的。这种拔高数据的宣传总能吸引到不少人的关注，但这些数据的真实性谁来保障?眼花缭乱的数据背后，又有多少成果可以拿来实际运用?光电转换效率数据竞赛乱象应引起重视。　　数据“放卫星”：电池转换效率达80%?　　2009年4月份，在一次新能源内部会议上，上海市高层发现了一个据说要改变整个新能源产业的爆炸性项目：一个海归带着技术回到上海，他的技术可以让发电价格降至0.21元/度，电池光电转化率达到80%。　　这是一个天文数字!但上海高层还是决定尝试，指定了张江集团火速投资3000万来推进该项目的前期工作。　　在秘密推进两年之后，2011年《21世纪经济报道》称：“可靠的消息称，该项目大规模试运行已在2011年4月份，一旦成功可以推广，且应用规模极大，将极大地带动上海新能源产业的发展。”　　《21世纪经济报道》甚至还报道说：接近该项目的知情人士透露，这一项目的技术已经通过了科技部等部门的审查和测试，国家层面的领导人也视察了这一项目。　　现如今，五年时间过去了，那个转换效率高达80%的项目、有望改写整个产业格局的神秘新能源技术在哪里呢?　　现在回头看，这是一个让人笑掉大牙的大笑话。　　而类似这样的在转换效率上“数”不惊人死不休的光电、光热技术，并不在少数。随便在互联网上搜索一下，各种到处刷新记录的新技术就层出不穷，你追我赶好不热闹：　　欧洲某某团队研发出新型高效太阳能电池，该电池转化效率超过28%，创造了新的世界纪录;　　美国某某实验室研发出了太阳能反应堆装置，据介绍，这套装置的光电转化率比常规太阳能电池板的20%光电转化率高出3倍多;　　以色列某某学院在新太阳能电池取得了突破，把现有的光伏电池效率提高至70%之多……　　无独有偶，国内的一些企业或项目研究同样喜欢以夸张的数据彰显光电、光热项目的显赫成绩。某企业宣称，其研发的第二代太阳能发电技术宣称能“使光电转化率超过40%”。另一能源企业称自家产品光电转发率超过50%，将改变整个新能源产业。　　对于这种种不可思议的“放卫星”式的数据竞赛，你是不是有种置身科幻世界的感觉?　　乱象背后：什么样的数据可采信?　　光电、光热转换效率，都需要通过介质完成转化，光伏发电通过半导体的光生伏特效应将光能转变为电能，主要元件是太阳能电池。大多数据造假背后，都是在电子元件上做文章。　　2015年6月，国家能源局、工信部、认监委联合下发的《关于促进先进光伏技术产品应用和产业升级的意见》中，对光电转化率有明确的规定：　　多晶硅组件光电转换效率和单晶硅组件光电转换效率分别不低于15.5%和16%，一年内衰减分别不高于2.5%和3%，之后每年衰减均不能高于0.7%，项目全生命周期内衰减都不能高于20%;“领跑者”计划则对两种产品的光电转换效率要求16.5%和17%以上。　　这样的要求，是根据当前光伏技术进步的实际情况做出的，基本上反映的是光伏电池实际的转换效率水平。据了解，光伏发电转换效率一般在13%-18%，高的19%。用于商业的多晶硅电池一般是15-17%，单晶硅则通常在16-20%，非晶硅是6-10%。　　那些号称光电转化率能达到30%甚至更高的，都严重超过行业标准，真实性基本上是经不起考验。那些号称可以实现50%甚至80%光电转化的，可以直接定性为是造假的骗子。　　对此，中山大学教授沈辉在接受华夏能源网(微信号sinoergy_com)记者采访时表示，太阳电池的效率测试有相关国际标准。研究人员发表的数据如果只是自己测试的数据，那么仅可作为参考。那些创造世界纪录的电池效率必须由国际权威机构测试才能被采信。我国也有几个国家光伏检测中心，如果在国内要获得认可必须经过这些机构测试才行。　　当然，也不排除有些科研成果的光电转化率确实高，但也不能超过合理范围。作为技术含量极高的新能源行业，更需要严谨的科学态度，若时不时以掺水的敷衍态度应对，信誉度又何在?　　互相比吹牛：太阳能产业技术进步怎能靠神棍?　　云遮雾罩下各种光电、光热转化效率数据乱象，给当前正进行得如火朝天的新能源行业蒙上“假大空”的阴影。　　有严谨的数据和科学的理论做支撑检验，新能源产品才更容易被市场接纳。但各种夸大的数据吹嘘项目或博取关注或吸引资本，长期以往，对新能源行业产生的影响和破坏性将不可估量。　　数据造假损害的不仅是行业信誉，还影响到政府的规划，市场规划和经营利润。可再生能源能带来巨大的投资和丰厚的利润，但也可能因各种“惊人之数据”而影响人们对新能源行业的认知和判断，影响市场对其的接纳度，最终受伤害的还是太阳能行业自己。　　在缺乏有效监督管理的情况下，层出不穷的数据吹牛背后是否有有效的解决办法?华夏能源网(微信号sinoergy_com)记者采访了多位业内专家，大家给出的“药方”是：　　首先，需要太阳能行业从业者有行业自律性，对于研发项目有严谨的科学态度。　　其次，数据需要有权威的专业性的监测支撑，或者具有信服力的专家学者予以证实。一般具有权威性的第三方检验机构的数据，才可以拿来做产品宣传。　　再次，若有行业协会或科研机构给出统一的衡量标准，数据鉴定备案并公布数据，外界可以查证，杜绝数据造假就不再是难事了。　　当光电转化率的数据变成一场场为了面子而拼命追逐的竞赛，无论国内国外，对新能源行业都是一种损害。在新技术没有经过大规模利用或实证，就宣布自己的技术刷新世界纪录、颠覆产业格局，这样不负责任的吹嘘需要尽快被杜绝，太阳能技术进步不能依靠神棍术。
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盘点提高光伏发电系统转换效率的若干方法
目前比较常见的提高光伏发电系统的发电效率手段主要有：提高光电转换效率、提高光板有效接受面积和最大功率点跟踪技术等。
　　增量电导法（IncCond法），根据在最大功率点附近功率对电压的导数接近于零这一原则来进行判断。这个方法避免了的盲目性，同时可以判断出工作点电压与最大功率点电压之间的关系。这种控制算法的最大优点是阵列组件的输出端电压能以平稳的方式随着日照强度的变化而变化，其电压摆动的幅度相对扰动观察法来说要小。但是该算法实现起来相对复杂，且检测精度和速度在一定的程度上会影响跟踪的精度和速度。　　而另一种思路的算法是基于数学或数值模型提出来的。比如由Ahmed团队提出的斐波那契数列（Fibonacci sequence numbers）法，是一种通过对斐波那契序列号码的不断定义和改变搜索范围来获得最大功率点的峰值搜索方法。还有一种方法是根据Kobayashi等人提出的技术，然后通过测量开路电压、短路电流，估计最佳运行电阻Rpm。另一方面，目前开发了一种新的基于使用Lambert W-function的部分阴影条件下的板数值模型。但是目前为止，以上这些方法还没有应用于最大功率点的跟踪，因为它们都没有达到最优的效果。
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太阳能光伏发电系统效率优化方法研究
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太阳能光伏发电系统效率优化方法研究
官方公共微信浅谈影响太阳能光伏发电效率的因素
　　摘要：伴随经济的不断进步，人们的意识也在发生着很大变化，这主要体现在人们越来越重视开发新能源，以解决现在存在着的环境污染和能源短缺的问题。在开发新能源的时候，太阳能成为了重要的新能源，因此就出现了太阳能光伏发电，但是很多的影响因素，阻碍着太阳能的光伏发电效率。　　关键词：太阳能；发电效率；影响因素　　在经济和社会的发展过程中，面临着非常大的难题，就是能源短缺的问题。在以前的经济发展的过程中，人们对于能源的开发和使用并没有一个度的认识，认为能源是源源不断的，可是在现在，人们又不得不为过度的开发能源进行弥补的工作。过去的经济建设中还存在着环境的污染和生态破坏的问题，所以现在发展新能源成为了促进经济发展的重点。太阳能作为一种新能源而且还是一种可再生的能源受到了人们的关注，在使用太阳能的过程中不会对环境造成太多的破坏，而且这种能源是可以循环利用的。但是在太阳能的光伏发电的过程中会出现很多的因素对发电的功率进行影响。　　1太阳能光伏发电的发电原理　　太阳能的光伏发电系统是由非常多的部件组成的，这其中包括太阳能的电池、电池的充和放电的控制器，计算机的监控设备和蓄电池以及一些辅助的设备。太阳能的光伏发电的原理主要是利用阳光的照射，在阳光照射太阳能电池的表面的时候，太阳光中的光子就会被太阳能电池的硅材料吸收，这样光子的能量就会通过硅原子使得太阳能电池内的电子发生变化。在太阳能电池与外部的电路相连接的时候，就是产生一定的输出功率，这个过程就是一个光能转化为电能的过程。太阳能电池连接着蓄电的电池组，这样就可以将光能转化为电能的能源储存起来。进而通过电能的输送装置输送到电网中，以便人们使用。　　2太阳能光伏发电的优缺点　　利用太阳能进行发电具有很多其他能源开发没有的优点，首先，太阳能是无处不在的，在世界的任何地方都是有太阳光的存在的。其次，太阳能发电想比较其他能源来说，它是没有污染的，这样是符合现在世界各国的可持续发展的战略的。最后，太阳能发电的可利用时间是非常的久的。但是太阳能光伏发电还是存在着一些缺点的，太阳能发电就一定离不开太阳光，但是有些地区的时间周期是非常的短的，一天内太阳光的照射时间是非常的短的，而且太阳能光伏发电还受到气象条件的制约，有些地区是常年阴雨的这样就不利于太阳能发电。　　3影响太阳能光伏发电效率的因素　　3.1自然条件的影响　　3.1.1太阳高度角和地理纬度的影响　　太阳高度角可以直接影响太阳的辐射强度，在纬度高的地区太阳的高度角就会越小，太阳的辐射强度就会越弱；在纬度低的地区，太阳高度角就会越大，这样太阳的辐射强度就会越强，因此在纬度低的地区，开发太阳能光伏发电更加具有可行性。　　3.1.2大气透明度和海拔高度的影响　　大气的透明度是太阳光透过大气的一个参数，在天空晴朗的时候，大气的透明度就非常的高，太阳光对于地面的辐射就会强一些，反之则少；海拔高度越高时，空气就越稀薄，大气透明度就越大。因此海拔越高，太阳辐射能量也就越大，这些地区就更加适合开发太阳能光伏发电。　　3.1.3日照时数的影响　　日照时数也是影响地面太阳能的一个重要因素。一般日照时间长，地面所获得的太阳总辐射量就多。　　3.2逆变器整机效率对发电效率的影响　　大功率的逆变器在满载时，效率必须在百分之九十以上。特别是在低负荷下供电时，仍须有较高的效率。逆变器效率的高低对太阳能光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有重要的影响。光伏发电系统专用的逆变器在设计中应特别注意减少自身功率损耗，提高整机效率。所以为了提高输出效率，并网逆变器应具有最大功率点跟踪控制功能，随时跟随太阳能辐射能力而变化。此外还能根据日出、日落条件的不同自动进行开与关。　　3.3最大功率峰值跟踪对发电效率的影响　　输入的直流功率取决逆变器工作在光伏阵列的电流-电压曲线上的哪一个点上。理想状态下，逆变器应工作在太阳能光伏阵列的最大功率峰值上。最大功率峰值在一天内是不同的，主要是由于环境的作用，如太阳光的辐射和温度，但逆变器通过一个具有最大功率峰值跟踪的运算器来直接与光伏阵列相连，达到能量转移的最大化。最大功率峰值跟踪的最大效率可以定义为在定义的一段时间内逆变器从太阳能阵列获得的能量与理想状态下的最大功率峰值跟踪从太阳能阵列获得的能量的比率。许多最大功率峰值跟踪的运算法是建立在不同的基础上的，其参数有增量电导、寄生电容、恒定电压、电压的温度修正和模糊逻辑控制等。尽管如此，这种运算还是有些局限的地方，这将使最大功率峰值跟踪的效率在某些特定条件下有所降低。在非常低的太阳光辐射下，功率曲线变得非常平滑，找到最大功率峰值变得非常困难。　　4提高太阳能光伏发电效率要解决的问题　　目前，世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发电产业的健康发展，提高太阳能光伏发电效率，需要做好以下工作：首先，继续研制太阳能电池新材料，提高电池的光电转化效率；其次，研究太阳能光伏电池最大功率跟踪算法，实现太阳光最大功率跟踪；再次，研究太阳能光伏电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光伏电池阵列的优化组合；最后，研究太阳能光伏发电的软并网技术，减少光伏电能对电网的冲击。　　结语　　太阳能是一种取之不尽、用之不竭的自然能源，我国拥有非常丰富的太阳能资源，太阳能资源丰富，而且它对环境无任何污染，解决好影响太阳能光伏发电效率的问题，使太阳能得到充分的利用，太阳能会成为满足可持续发展需求的理想能源之一。对出现的问题找到合理的解决措施就可以使得太阳能发电更好的为我国的经济发展做出贡献。
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