Фотоелектричні перетворювачі

ЕНЕРГІЇ. Для живлення магістральних систем електропостачання і різноманітного обладнання на КЛА широко використовуються ФЕП; вони призначені також для підзарядки бортових хімічних АБ. Крім того, ФЕП знаходять застосування на наземних стаціонарних і пересувних об'єктах, наприклад, в АЕУ електромобілів. За допомогою ФЕП, розміщених на верхній поверхні крил, здійснене живлення приводного електродвигуна гвинта одномісного експериментального літака (США), яка вчинила переліт через протоку Ла-Манш. В даний час бажаних область застосування ФЕП - штучні супутники Землі, орбітальні космічні станції, міжпланетні зонди. Переваги ФЕП: великий термін служби; достатня апаратна надійність; відсутність витрат активної речовини або палива. Недоліки ФЕП: необхідність пристроїв для орієнтації на Сонце; складність механізмів, що розвертають панелі ФЕП після виходу на орбіту; непрацездатність за відсутності освітлення; великі площі опромінюваних поверхонь. Для сучасних ФЕП характерні питома маса 20 - 60 кг / кВт (без врахування механізмів розвороту і автоматів спостереження). Для перспективних АЕУ, що поєднують сонячні концентратори (параболічні дзеркала) і ФЕП на основі гетероструктури двох різних напівпровідників - арсенидів галію й алюмінію, також можна очікувати. Робота ФЕ заснована на внутрішньому фотоелектричному ефекті в напівпровідниках. Зовнішні радіаційні (світлові, теплові) впливу зумовлюють у шарах 2 і 3 поява неосновних носіїв зарядів, знаки яких протилежні знакам основних носіїв р-і п-областях. Під впливом електростатичного притягання різнойменні вільні основні носії дифундують через кордон дотику областей і утворюють поблизу неї р-п гетероперехід з напруженістю електричного поля ЄК, контактної різниці потенціалів UK = SEK і потенційним енергетичним бар'єром WK = eUK для основних носіїв, що мають заряд тобто Напруженість поля EK перешкоджає їх дифузії за межі прикордонного шару шириною S. Напруга Uk = (kT / e) ln (Pp / Pn) = (kT / e) ln (nn / np) залежить від температури Т, концентрацій дірок (Pp / Pn) або електронів (nn / np) в p-і n -областях заряду електрона е і постійної Больцмана k. для неосновних носіїв EK - рушійне полі. Воно обумовлює переміщення дрейфуючих електронів з області р в область п, а дірок - з області п в область р. Область п набуває негативний заряд, а область р-позитивний, що еквівалентно додатком до р-п переходу зовнішнього електричного поля з напруженістю EВШ, зустрічного з EK. Поле з напруженістю EВШ - замикаючий для неосновних і рушійне для основних носіїв. Динамічна рівновага потоку носіїв через р-п перехід переводить до встановлення на електродах 1 і 4 різниці потенціалів U0 - ЕРС холостого ходу ФЕ. Ці явища можуть відбуватися навіть при відсутності освітлення р-п переходу. Нехай ФЕ опромінюється потоком світлових квантів (фотонів), які стикаються з пов'язаними (валентними) електронами кристала з енергетичними рівнями W. Якщо енергія фотона Wф = hv (v-частота хвилі світла, h - постійна Планка) більше W, електрон залишає рівень і породжує тут дірку; р-п перехід поділяє пари електрон - дірка, і ЕРС U0 збільшується. Якщо підключити опір навантаження RН, по ланцюгу піде струм I, напрямок якого зустрічно руху електронів. Переміщення дірок обмежено межами напівпровідників, в зовнішньому ланцюзі їх немає. Струм I зростає з підвищенням інтенсивності світлового потоку Ф, але не перевершує граничного струму In ФЕ, який виходить при перекладі всіх валентних електронів у вільний стан: подальше зростання числа неосновних носіїв неможливий. У режимі К3 (RН = 0, Uн = IRН = 0) напруженість поля Евш = 0, р-п перехід (напруженість поля ЄК) найбільш інтенсивно поділяє пари неосновних носіїв і виходить найбільший струм фотоелемента Iф для заданого Ф. Але в режимі К3, як і при холостому ході (I = 0), корисна потужність P = UНI = 0, а для 0 <Uн <U0 і 0 <I <IФ буде Р> 0. Типова зовнішня характеристика кремнієвого ФЕ представлена ​​на рис.2. Відомо, що в заатмосферних умовах Ф = 1,39 кВт/м2, а на рівні Землі (моря) при розташуванні Сонця в зеніті і поглинання енергії світла водяними парами з відносною вологістю 50% або при відхиленні від зеніту на у відсутності парів води Ф = 0 , 88кВт/м2 ФЕП монтуються на панелях, конструкція яких містить механізми розвороту та орієнтації. Для підвищення ККД приблизно до 0,3 застосовуються каскадні двох-і тришарові виконання ФЕП із прозорими ФЕ верхніх шарів. ККД ФЕП істотно залежить від оптичних властивостей матеріалів ФЕ та їх терморегулювальних захисних покриттів. Коефіцієнти відбиття зменшують технологічним способом прояснення освітлюваної поверхні (для робочої частини спектру). Зумовлюють заданої коефіцієнт поглинання покриття сприяє встановленню необхідного теплового режиму відповідно до закону Стефана-Больцмана, що має важливе значення: наприклад, при збільшенні Т від 300 до 380 К ККД ФЕП знижується на 1 / 3.