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.
