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 КПД преобразования солнечной энергии в электроэнергию для обычных кремниевых ФЭ равен В каскадных ФЭП с прозрачными монокристаллами элементов при двухслойном и 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.

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 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 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. Известно, что в заатмосферных условиях, 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. 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.