электродом, другая — с верхним.
Для предохранения наружной поверхности фотоэлемента, от вредного влияния
атмосферного воздуха иногда она покрывается прозрачным лаком.
Если фотоэлемент изготавливается из хорошо проводящего полупроводникового
вещества, например кремния или германия, то верхний электрод может быть
выполнен в виде кольца, если фоточувствительная поверхность имеет форму
диска, или прямоугольной рамки.
Когда на верхний электрод фотоэлемента падает лучистый поток, то
некоторая его часть отражается от металлического слоя, другая часть
поглощается в толще этого слоя и, наконец, остальная часть проходит сквозь
последний и поглощается в прилегающей области полупроводника. Это приводит
к освобождению пар электрон-дырка, о чем было рассказано выше. В результате
перемещения дырок к одному электроду, а электронов к другому, они
приобретут заряд противоположных знаков и между ними возникнет разность
потенциалов. Ее величина до определенного предела будет тем большей, чем
больше интенсивность лучистого потока.
Что касается КПД современных фотоэлектрических преобразователей, то
экспериментально показано, что в них преобразуется только около 50%
падающей на элемент солнечной энергии, также показано, что при правильном
выборе материалов и достаточной освещенности можно добиться того, чтобы в
процессе генерирования энергии принимало участие не менее 80% возникающих
под действием фотонов пар электрон-дырка. Фотоэлемент с такими параметрами
будет обладать КПД порядка 20%.
Об эффективности хорошо согласованного с нагрузкой фотоэлектрического
генератора, работающего в условиях тропиков, мы можем судить по данным рис.
12.
Рис. 12. Зависимость выходной мощности фотоэлектрического генератора от
интенсивности солнечного излучения
При интенсивности солнечной радиации Р=800 Вт/м2 полезная мощность
практически не превышает 130 Вт/м2. Куда же расходуется оставшаяся
неиспользованной энергия? Следует избегать того, чтобы эта энергия
затрачивалась на усиление колебаний кристаллической решетки, поскольку в
противном случае возбужденные носители могут преодолевать запирающий слой
различными «окольными» путями. Поскольку интенсивность колебаний решетки
непосредственно связана с температурой, то в равной мере можно говорить о
необходимости поддерживать температуру на низком уровне. Этого добиваются
различными способами. Обычно при повышении рабочей температуры с 20 до 100°
С КПД установки снижается на одну треть. Очевидно, ту часть спектра
солнечной радиации, которая расходуется непроизводительно, можно устранить
с помощью соответствующих отражающих покрытий, но внутри генератора всегда
происходят какие-нибудь тепловые процессы, поэтому необходимо обеспечить по
возможности наилучший отвод тепла через теплопроводность или
лучеиспускание.
Глава 3. Перспективы развития фотоэлектрических генераторов.
Вопреки различным оптимистичным прогнозам простейшие фотоэлектрические
генераторы по КПД пока еще не превосходят системы на основе механических
тепловых машин и термоионных преобразователей. Низкий КПД
фотоэлектрического генератора объясняется двумя основными причинами: с
одной стороны, значительная часть световых фотонов обладает энергией,
которая не оказывает нужного действия на электроны материала, а с другой -
разность потенциалов V на нагрузке составляет лишь малую часть от
напряженности поля Eз в запрещенной зоне. Весьма вероятно, что проводимые в
настоящее время исследования позволят создать новые устройства, в которых
указанные недостатки окажутся менее существенными. В высоколегированных
полупроводниках, где ширина запрещенной зоны значительно больше, второй из
названных недостатков выражен значительно слабее. В этом случае число
носителей, преодолевающих р-n-переход «окольными» путями, уменьшается.
Проводятся перспективные исследования по созданию более сложных устройств,
схематически показанных на рис. 13.
Рис. 13. Типы фотоэлектрических генераторов: а—однокаскадный;
б—многокаскадный.
Солнечная радиация сначала попадает на элемент, изготовленный из
полупроводника с большой шириной запрещенной зоны, благодаря чему он
обладает высоким КПД в нужной нам части солнечного спектра. Фотоны с
энергиями ниже Eз не оказывают воздействия на этот элемент, материал
которого для них по существу является прозрачным. Пройдя через первый
каскад, эти фотоны попадают во второй, выполненный из материала с меньшей
величиной Eз (по сравнению с первым элементом). Его способность захватывать
эти фотоны высока, хотя КПД ниже, чем у первого элемента. Такое сочетание
двух солнечных элементов позволяет получить более высокий суммарный КПД,
чем для каждого из них в отдельности. Возможность дальнейшего
совершенствования такого рода устройств открывается с применением для их
изготовления интегральной технологии и созданием так называемого
интегрального генератора, в котором ширина запрещенной зоны изменяется с
глубиной; она велика у облучаемой поверхности, а затем уменьшается в глубь
материала. Эта и другие новые разработки фотоэлектрических генераторов
открывают дальнейшие перспективы повышения их КПД; предполагается, что КПД
фотоэлектрических систем может достигнуть 50—60%, то есть превысить КПД
любых других систем. Особое внимание уделяется вопросу удешевления
конструкций фотоэлектрических генераторов, поскольку созданные до
настоящего времени устройства оказались чрезвычайно дорогостоящими.
Еще 10-20 лет назад цена фотоэлектрического преобразователя площадью в 1
см2 составляла в среднем несколько долларов. Причины такой высокой
стоимости понятны, если учитывать чрезвычайно высокие требования к чистоте
полупроводниковых материалов. В последние годы удалось удешевить
производство, заменив дорогой монокристаллический кремний
поликристаллическим и разработав новые технологии изготовления элементов. В
результате стоимость наземных солнечных батарей снизилась в несколько раз.
Также вместо чистого кремния стали применять относительно новый
полупроводник алюминий-галий-мышьяк (AlGaAs) - с ним связывают надежды на
новое снижение стоимости фотоэлементов.
IV. Химическое преобразование солнечного излучения (фотохимия).
Давно замечено, что солнечное излучение вызывает различные химические
превращения, например, отбеливает красители. Это явление веками
использовалось людьми на практике. Но лишь в XVIII в. стало известно, что
под влиянием освещения происходит почернение некоторых солей серебра. В
1839 г. Беккерель, исследуя подобный эффект, обнаружил, что при изменении
освещенности одного из электродов химического элемента разность потенциалов
на его электродах изменяется. Это послужило началом развития новой области
знаний, названной фотохимией, а в последнее время известной как
радиационная химия.
Хотя некоторые из результатов исследований в фотохимии имеют важнейшее
значение для человечества—здесь в первую очередь мы должны назвать
фотографию—однако другие практические приложения ее пока весьма
ограниченны. Отчасти это обусловлено отсутствием надлежащей аппаратуры для
постановки экспериментов. Только недавно стало возможным изучение ранних
стадий фотохимических реакций, продолжительность которых иногда составляет
миллионные доли секунды. И теперь фотохимия начала бурно развиваться.
Фотодиссоциация
При поглощении солнечной радиации атомами и молекулами вещества в нем
возникают разнообразные физические эффекты. Например, при нагревании тел
под действием солнечного излучения колебательные и вращательные движения
составляющих их молекул становятся более интенсивными. Эти эффекты
обусловлены, перераспределением внутри тела энергии фотонов падающего
излучения. Теперь будет рассмотрен следующий этап воздействия радиации на
вещество: разделение, или лизис, молекул и образование новых химических
соединений.
С точки зрения преобразования энергии процесс фотолиза интересен тем, что
он позволяет «запасать» солнечную энергию посредством получения более
устойчивых химических соединений. При необходимости эту энергию можно
реализовать, например, в виде тепла, выделяемого при сжигании таких
веществ. Одной из разновидностей фотолиза является разложение воды на
водород и кислород. Реакцию разложения воды можно записать в следующем
виде:
2Н2О + солнечная энергия > 2Н2 + О2 (3)
Затраченную при этом солнечную энергию (по крайней мере часть ее) в
дальнейшем мы могли бы получить либо при сжигании водорода и кислорода в
печи или двигателе внутреннего сгорания, либо в топливном элементе, где в
результате соединения водорода с кислородом с образованием воды
вырабатывается электроэнергия. Отсюда видно, насколько важное значение в
жизни людей могло бы иметь осуществление такого рода процессов. Они
заслуживают того, чтобы исследовать возможность их реализации.
Почему же процесс, описанный уравнением (3), не возникает естественным
образом в природе? (В противном случае в воздухе содержалось бы много
водорода и было бы мало воды.) Такой процесс мог бы произойти, если бы
энергия отдельного фотона оказалась достаточной для разложения молекулы
воды. Если же какая-то молекула уже получила порцию энергии от одного
фотона, то поглощение ею второго фотона исключено. Даже при обычных
температурах молекулы газа или пара каждую секунду испытывают около 109
столкновений, поэтому любой избыток энергии довольно быстро
перераспределяется среди соседних молекул. Сейчас разложение воды на
кислород и водород осуществляется в процессе электролиза. В результате
этого процесса под действием электрического напряжения молекулы воды
разлагаются на ионы противоположного, знака. Совершаемую при этом работу
легко измерить. Для диссоциации одной молекулы воды необходима энергия
около 3 эВ. Если процесс диссоциации производится под действием солнечной
радиации, то длина волны световых фотонов должна быть меньше 0,4 мкм.
Однако в спектре солнечного излучения на уровне моря такие фотоны
составляют лишь 3%, следовательно, КПД процесса не превышает 2%. Несмотря
на это, использование данного процесса могло быть практически
целесообразно, если бы для его реализации не требовалось больших
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
