Фотоэлектрические преобразователи энергии

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 [pic] КПД преобразования солнечной энергии в электроэнергию для

обычных кремниевых ФЭ равен [pic] В каскадных ФЭП с прозрачными

монокристаллами элементов [pic] при двухслойном и [pic] 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 [pic].

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 [pic]

[pic]

зависит от температуры Т, концентраций дырок [pic] или электронов [pic] 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 00.

[pic]

Рис.2. Типовая внешняя

характеристика кремний-

германиевого фотоэлемента

Типовая внешняя характеристика кремниевого ФЭ для [pic] внутреннее

сопротивление, обусловленное материалом ФЭ, электродами и контактами

отводов; q - площадь ФЭ) представлена на рис. 2. Известно, что в

заатмосферных условиях [pic], 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 [pic] в отсутствии паров

воды [pic].

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.