Фотоэлектрические преобразователи
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). Для перспективных
АЭУ, сочетающих солнечные концентраторы (параболические зеркала) и ФЭП на
основе гетероструктуры двух различных полупроводников - арсенидов галлия и
алюминия, также можно ожидать.
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 Uk=(kT/e)ln(Pp/Pn)=(kT/e)ln(nn/np)
зависит от температуры Т, концентраций дырок (Pp/Pn) или электронов (nn/np) 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 0<UН<U0 и 0<I<IФ будет Р>0.
Типовая внешняя характеристика кремниевого ФЭ
представлена на рис.2. Известно, что в заатмосферных условиях Ф=1,39кВт/м2,
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 в отсутствии
паров воды Ф=0,88кВт/м2
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.