Физика

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.




смотреть на рефераты похожие на "Фотоэлектрические преобразователи энергии"