Реферат: Фотоэлектрические преобразователи энергии
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИЭНЕРГИИ.
Дляпитания магистральных систем электроснабжения и различного оборудованияна КЛА широко используются ФЭП; они предназначены также для подзарядкибортовых химических АБ. Кроме того, ФЭП находят применение на наземныхстационарных и передвижных объектах, например, в АЭУ электромобилей. С помощью ФЭП, размещенных наверхней поверхности крыльев, осуществлено питание приводногоэлектродвигателя винта одноместного экспериментального самолета(США), совершившего перелет через пролив Ла-Манш.
Внастоящее время предпочтительная область применения ФЭП — искусственныеспутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зондыи другие КЛА. Достоинства ФЭП: большой срок службы; достаточная аппаратурнаянадежность; отсутствие расхода активного вещества или топлива.Недостатки ФЭП: необходимость устройств для ориентации на Солнце;сложность механизмов, разворачивающих панели ФЭП после выхода КЛАна орбиту; неработоспособность в отсутствие освещения; относительнобольшие площади облучаемых поверхностей. Для современных ФЭП характерныудельная масса 20 — 60 кг/кВт (без учета механизмов разворота и автоматовслежения) и удельная мощность <img src="/cache/referats/2403/image002.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> КПД преобразованиясолнечной энергии в электроэнергию для обычных кремниевых ФЭ равен <img src="/cache/referats/2403/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> В каскадных ФЭП спрозрачными монокристаллами элементов <img src="/cache/referats/2403/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> при двухслойном и <img src="/cache/referats/2403/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> при трехслойном исполнении.Для перспективных АЭУ, сочетающих солнечные концентраторы (параболическиезеркала) и ФЭП на основе гетероструктуры двух различных полупроводников- арсенидов галлия и алюминия, также можно ожидать <img src="/cache/referats/2403/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1029">
РаботаФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в полупроводниках.Внешние радиационные (световые, тепловые ) воздействия обуславливаютв слоях 2 и 3 появление неосновных носителей зарядов, знаки которыхпротивоположны знакам основных носителей р- и п-областях. Подвлиянием электростатического притяжения разноименные свободныеосновные носители диффундируют через границу соприкосновенияобластей и образуют вблизи нее р-пгетеропереход с напряженностью электрического поля ЕК, контактнойразностью потенциалов UK = SEKи потенциальнымэнергетическим барьером WK=eUK для основных носителей, имеющих заряд е. Напряженность поля EK препятствует их диффузииза пределы пограничного слоя шириной S . Напряжение <img src="/cache/referats/2403/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1030">
<img src="/cache/referats/2403/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031">
зависит от температуры Т, концентраций дырок <img src="/cache/referats/2403/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> или электронов <img src="/cache/referats/2403/image018.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> в p- и n-областях зарядаэлектрона е и постоянной Больцманаk. для неосновных носителей EK — движущее поле. Оно обусловливает перемещениедрейфующих электронов из области р вобласть п, а дырок — из области п в область р. Область п приобретаетотрицательный заряд, а область р-положительный, что эквивалентно приложению к р-ппереходу внешнего электрического поля с напряженностью EВШ, встречного с EK. Поле с напряженностью EВШ — запирающее для неосновных и движущее для основныхносителей. Динамическое равновесие потока носителей через р-п переход переводит к установлениюна электродах 1 и 4 разности потенциалов U0 — ЭДС холостого хода ФЭ.Эти явления могут происходить даже при отсутствии освещения р-пперехода. Пусть ФЭ облучается потоком световых квантов (фотонов),которые сталкиваются со связанными (валентными) электронами кристаллас энергетическими уровнями W.Если энергия фотона Wф=hv(v -частота волны света, h — постоянная Планка) больше W, электрон покидает уровень и порождаетздесь дырку; р-п переход разделяетпары электрон — дырка, и ЭДС U0увеличивается. Если подключитьсопротивление нагрузки RН, по цепипойдет ток I, направление котороговстречно движению электронов. Перемещение дырок ограничено пределамиполупроводников, во внешней цепи их нет. Ток I возрастает с повышением интенсивности светового потокаФ, но не превосходит предельноготока In ФЭ, который получаетсяпри переводе всех валентных электронов в свободное состояние: дальнейшийрост числа неосновных носителей невозможен. В режиме К3 (RН=0, UН=IRН=0) напряженностьполя Евш=0, р-п переход ( напряженность поля ЕК) наиболее интенсивноразделяет пары неосновных носителей и получается наибольший ток фотоэлемента IФдля заданногоФ. Но в режиме К3, как и при холостомходе (I=0), полезная мощность P=UНI=0, а для 0<UН<U0и 0<I<IФбудет Р>0.
<img src="/cache/referats/2403/image020.gif" v:shapes="_x0000_i1034">
Рис.2. Типовая внешняя
характеристика кремний-
германиевого фотоэлемента
Типоваявнешняя характеристика кремниевого ФЭ для <img src="/cache/referats/2403/image022.gif" v:shapes="_x0000_i1035"> внутреннеесопротивление, обусловленное материалом ФЭ, электродами и контактами отводов;q — площадь ФЭ) представлена нарис. 2. Известно, что в заатмосферных условиях <img src="/cache/referats/2403/image024.gif" v:shapes="_x0000_i1036">, а на уровнеЗемли (моря) при расположении Солнца в зените и поглощении энергиисвета водяными парами с относительной влажностью 50% либо при отклоненииот зенита на <img src="/cache/referats/2403/image026.gif" v:shapes="_x0000_i1037"> в отсутствии паровводы <img src="/cache/referats/2403/image028.gif" v:shapes="_x0000_i1038">
ФЭП монтируются на панелях, конструкциякоторых содержит механизмы разворота и ориентации. Для повышенияКПД примерно до 0,3 применяютсякаскадные двух- и трехслойные исполнения ФЭП с прозрачными ФЭ верхнихслоев. КПД ФЭП существенно зависит от оптических свойств материаловФЭ и их терморегулирующих защитных покрытий. Коэффициенты отраженияуменьшают технологическим способом просветления освещаемой поверхности(для рабочей части спектра). Обусловливающие заданной коэффициентпоглощения покрытия способствует установлению необходимого тепловогорежима в соответствии с законом Стефана-Больцмана, что имеет важноезначение: например, при увеличении Тот 300 до 380 К КПД ФЭП снижаетсяна 1/3.