|
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, напри-
мер, в АЭУ электромобилей. С помощью ФЭП, размещенных на верхней
поверхности крыльев, осуществлено питание приводного электродвигате-
ля винта одноместного экспериментального самолета (США), совершив-
шего перелет через пролив Ла-Манш.
В настоящее время предпочтительная область применения ФЭП - ис-
кусственные спутники Земли, орбитальные космические станции, межпла-
нетные зонды и другие КЛА. Достоинства ФЭП: большой срок службы;
достаточная аппаратурная надежность; отсутствие расхода активного ве-
щества или топлива. Недостатки ФЭП: необходимость устройств для ори-
ентации на Солнце; сложность механизмов, разворачивающих панели
ФЭП после выхода КЛА на орбиту; неработоспособность в отсутствие ос-
вещения; 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 электро-
энергию для обычных кремниевых ФЭ равен В каскадных
ФЭП с прозрачными монокристаллами элементов при двухслой-
ном и при трехслойном исполнении. Для перспективных
АЭУ, сочетающих солнечные концентраторы (параболические зеркала) и
ФЭП на основе гетероструктуры двух различных полупроводников - арсе-
нидов галлия и алюминия, также можно ожидать .
Работа ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в
полупроводниках. Внешние радиационные (световые, тепловые ) воздей-
ствия обуславливают в слоях 2 и 3 появление неосновных носителей заря-
дов, знаки которых противоположны знакам основных носителей р- и п-
областях. Под влиянием электростатического притяжения разноименные
свободные основные носители диффундируют через границу соприкосно-
вения областей и образуют вблизи нее р-п гетеропереход с напряженно-
стью электрического поля ЕК , контактной разностью потенциалов UK = SEK
и потенциальным энергетическим барьером WK=eUK для основных носите-
лей, 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 перемеще-
ние дрейфующих электронов из области р в область п, а дырок - из облас-
ти 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 на-
пряженностью EВШ - запирающее для неосновных и движущее для основ-
ных носителей. Динамическое равновесие потока носителей через р-п пе-
реход переводит к установлению на электродах 1 и 4 разности потенциа-
лов 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 (ва-
лентными) 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 пере-
ход разделяет пары электрон - дырка, и ЭДС U0 увеличивается. Если под-
ключить 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 пре-
дельного 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 по-
ля Евш =0, р-п переход ( напряженность поля ЕК) наиболее интенсивно раз-
деляет пары неосновных носителей и получается наибольший ток фото-
элемента IФ для заданного Ф. Но в режиме К3, как и при холостом ходе
(I=0), полезная мощность P=UНI=0, а для 0 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 усло-
виях , а на уровне Земли (моря) при расположении Солн-
ца в зените и поглощении энергии света водяными парами с относитель-
ной влажностью 50% либо при отклонении от зенита на в отсутствии
паров воды .
ФЭП монтируются на панелях, конструкция которых содержит ме-
ханизмы разворота и ориентации. Для повышения КПД примерно до 0,3
применяются каскадные двух- и трехслойные исполнения ФЭП с прозрач-
ными ФЭ верхних слоев. КПД ФЭП существенно зависит от оптических
свойств материалов ФЭ и их терморегулирующих защитных покрытий.
Коэффициенты отражения уменьшают технологическим способом про-
светления освещаемой поверхности (для рабочей части спектра). Обуслов-
ливающие заданной коэффициент поглощения покрытия способствует ус-
тановлению необходимого теплового режима в соответствии с законом
Стефана-Больцмана, что имеет важное значение: например, при увеличе-
нии Т от 300 до 380 К КПД ФЭП снижается на 1/3.
| |
