: Фотоэлектрические преобразователи энергии
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ.
Для питания магистральных систем электроснабжения и различного
оборудования на КЛА широко используются ФЭП; они предназначены
также для подзарядки бортовых химических АБ. Кроме того, ФЭП
находят применение на наземных стационарных и передвижных
объектах, например, в АЭУ электромобилей. С помощью ФЭП,
размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществлено
питание приводного электродвигателя винта одноместного
экспериментального самолета (США), совершившего перелет через
пролив Ла-Манш.
В настоящее время предпочтительная область применения ФЭП -
искусственные спутники Земли, орбитальные космические станции,
межпланетные зонды и другие КЛА. Достоинства ФЭП: большой срок
службы; достаточная аппаратурная надежность; отсутствие расхода
активного вещества или топлива. Недостатки ФЭП: необходимость
устройств для ориентации на Солнце; сложность механизмов,
разворачивающих панели ФЭП после выхода КЛА на орбиту;
неработоспособность в отсутствие освещения; относительно
большие площади облучаемых поверхностей. Для современных ФЭП
характерны удельная масса 20 - 60 кг/кВт (без учета механизмов
разворота и автоматов слежения) и удельная мощность
КПД преобразования солнечной энергии в электроэнергию для обычных
кремниевых ФЭ равен
В каскадных ФЭП с прозрачными монокристаллами элементов
при двухслойном и
при трехслойном исполнении. Для перспективных АЭУ, сочетающих
солнечные концентраторы (параболические зеркала) и ФЭП на основе
гетероструктуры двух различных полупроводников - арсенидов
галлия и алюминия, также можно ожидать
.
Работа ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в
полупроводниках. Внешние радиационные (световые, тепловые )
воздействия обуславливают в слоях 2 и 3 появление неосновных
носителей зарядов, знаки которых противоположны знакам основных
носителей
р- и
п-областях. Под влиянием
электростатического притяжения разноименные свободные основные
носители диффундируют через границу соприкосновения областей и
образуют вблизи нее
р-п гетеропереход с напряженностью
электрического поля ЕК , контактной разностью потенциалов
UK =
SEK и потенциальным энергетическим барьером
WK=eUK для
основных носителей, имеющих заряд
е. Напряженность поля
EK препятствует их диффузии за пределы пограничного слоя
шириной
S . Напряжение
зависит от температуры
Т, концентраций дырок
или электронов
в
p- и
n-областях заряда электрона
е и постоянной
Больцмана
k. для неосновных носителей
EK - движущее
поле. Оно обусловливает перемещение дрейфующих электронов из
области
р в область
п, а дырок - из области
п в
область
р. Область
п приобретает отрицательный
заряд, а область
р- положительный, что эквивалентно
приложению к
р-п переходу внешнего электрического поля с
напряженностью
EВШ, встречного с
EK. Поле с
напряженностью
EВШ - запирающее для неосновных и движущее
для основных носителей. Динамическое равновесие потока
носителей через
р-п переход переводит к установлению на
электродах 1 и 4 разности потенциалов
U0 - ЭДС холостого
хода ФЭ. Эти явления могут происходить даже при отсутствии
освещения
р-п перехода. Пусть ФЭ облучается потоком
световых квантов (фотонов), которые сталкиваются со связанными
(валентными) электронами кристалла с энергетическими уровнями
W. Если энергия фотона
Wф=hv (
v -частота волны света,
h - постоянная Планка) больше
W, электрон покидает уровень
и порождает здесь дырку;
р-п переход разделяет пары
электрон - дырка, и ЭДС
U0 увеличивается. Если подключить
сопротивление нагрузки
RН, по цепи пойдет ток
I,
направление которого встречно движению электронов. Перемещение
дырок ограничено пределами полупроводников, во внешней цепи их
нет. Ток
I возрастает с повышением интенсивности
светового потока
Ф, но не превосходит предельного тока
In ФЭ, который получается при переводе всех валентных
электронов в свободное состояние: дальнейший рост числа неосновных
носителей невозможен. В режиме К3 (
RН=0, UН=IRН=0)
напряженность поля
Евш =0,
р-п переход (
напряженность поля
ЕК) наиболее интенсивно разделяет пары
неосновных носителей и получается наибольший ток фотоэлемента
IФ для заданного
Ф. Но в режиме К3, как и при холостом ходе
(
I=0), полезная мощность
P=UНI=0, а для
0<UН<U0
и
0<I<IФ будет
Р>0.
Рис.2. Типовая внешняя характеристика кремний- германиевого фотоэлемента |
Типовая внешняя характеристика кремниевого ФЭ для
внутреннее сопротивление, обусловленное материалом ФЭ,
электродами и контактами отводов;
q - площадь ФЭ)
представлена на рис. 2. Известно, что в заатмосферных условиях
, а на уровне Земли (моря) при расположении Солнца в зените и
поглощении энергии света водяными парами с относительной
влажностью 50% либо при отклонении от зенита на
в отсутствии паров воды
.
ФЭП монтируются на панелях, конструкция которых содержит
механизмы разворота и ориентации. Для повышения КПД примерно до
0,3 применяются каскадные двух- и трехслойные исполнения ФЭП с
прозрачными ФЭ верхних слоев. КПД ФЭП существенно зависит от
оптических свойств материалов ФЭ и их терморегулирующих защитных
покрытий. Коэффициенты отражения уменьшают технологическим
способом просветления освещаемой поверхности (для рабочей части
спектра). Обусловливающие заданной коэффициент поглощения
покрытия способствует установлению необходимого теплового
режима в соответствии с законом Стефана-Больцмана, что имеет
важное значение: например, при увеличении
Т от 300 до 380
К
КПД ФЭП снижается на 1/3.