Загрузка...
Учебная работа. Доклад: 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
и 0
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.