Фотоэлектрическое преобразование энергии и солнечные батареи

Билет №8

(61) Фотоэлектрическое преобразование энергии и солнечные батареи

Основная особенность солнечных элементов, выделяющая их из обширною класса полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей. заключается в том, что они фактически являются Преобразователями высокотемпературного теплового излучения и с этой точки зрения принципиально могут быть отнесены к прямым преобразователям тепловой энергии в электрическую.

Преобразование энергии в СЭ основано на фотовольтаическом эффекте который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры СЭ может быть получена легированием одного и того же полупроводника  различными примесями (создание -переходов), либо соединением различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещенной зоны (создание гетеропереходов), или же за счет изменения химического состава полупроводника, что приводит к появлению градиента ширины запрещенной зоны (создание варизонных структур).

Эффективность преобразования солнечной энергии зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой  структуры СЭ, а также от его оптических свойств, из которых наиболее важна фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

В большинстве случаев на КА используют кремниевые СЭ -типа, которые обладают более высокой радиационной стойкостью. чем элементы -типа. Кремниевые СЭ за последнее время значительно усовершенствованы. Созданы СЭ с эффективными покрытиями, обеспечивающими просветление, терморегулирование и защиту от радиации. Среди СЭ этого типа особый интерес представляют так называемые «черные» СЭ с неотражающей текстурировавной поверхностью. Разработаны фотопреобразователи с структурой и мелкозалегающим переходом, обладающие повышенной чувствительностью в коротковолновой части солнечного спектра («фиолетовые» СЭ), тонкобазные и ультратонкие элементы из высокоомного кремния, имеющие  и удельную мощность порядка , а также СЭ с двусторонней чувствительностью. Конструкция двусторонних СЭ обеспечивает достаточно высокую эффективность преобразования энергии как при облучении каждой из сторон элемента, так и при их одновременном облучении.

Положительные результаты получены также при испытании двусторонних СЭ на низкоорбитальном КА. Ток короткого замыкания двусторонних СЭ во всех точках витка больше, чем одностороннего.

В настоящее время для кремниевых СЭ можно считать достигнутым уровень КПД порядка 12% с перспективой его улучшения в ближайшем будущем до 13—14% в СЭ с изотопными барьерами в легированном слое и в базе. Оптимальное сочетание преимуществ СЭ всех представленных типов, позволяет надеяться на получение в дальнейшем для кремниевых СЭ КПД на уровне 16—18%. Не менее важным результатом является фактически доказанная возможность создания ультратонких (50 мкм), а следовательно и ультралегких высокоэффективных СЭ на кремнии, имеющих удельную мощность , что при  соответствует удельной массе . Указанные параметры тетания с такими важными свойствами кремния, как практическая неограниченность его природных запасов и высокие уровень развития технологии производства, позволяют рассматривать кремниевые СЭ как несомненно перспективные для мощных систем энергопитания будущих КА различных классов.

Другой весьма  эффективный полупроводниковый материал для космических СФЭУ — арсенид галлия (GaAs), на основе которого созданы СЭ, обладающие высокими температурной стабильностью КПД и удельной мощностью в диапазоне температур вплоть до 500 К. СЭ из арсенида галлия имеют примерно вдвое меньший отрицательный температурный градиент КПД, чем СЭ из кремния. Именно это свойство гомогенных СЭ из арсенид галлия позволило создать на их основе эффективные солнечные батареи для аппаратов «Луноход-1 и -2», которые при рабочей температуре 400 - 415 К обеспечивали надежное энергоснабжение бортовых потребителей в течение всего срока активного функционирования обоих аппаратов (десять и пять лунных дней соответственно).

Более высокая, чем у кремниевых СЭ, температурная стабильность СЭ из арсенида галлия в совокупности с большей шириной области линейной зависимости их удельной мощности от плотности потока солнечного излучения определяет значительные преимущества элементов этого типа и в случае использования их на КА. направляемых в сторону Солнца, при расстояниях до светила

Широкое развитие в последние годы получили гетеропереходные солнечные элементы (ГСЭ) со структурой . КПД ГСЭ достигает 15—16% при АМО (условия внеатмосферного солнечного излучения) и . Более высокую температурную стабильность, чем гомогенные СЭ. имеют ГСЭ при . Они весьма устойчивы к действию космической радиации. Перспективным методом улучшения энергетических характеристик ГСЭ является создание элементов с двусторонней чувствительностью. Важным достоинством ГСЭ является возможность отжига радиационных дефектов при температуре порядка 175—525 К с сохранением приемлемых значений КПД. Благодаря малой глубине оптического поглощения арсенида галлии ГСЭ могут иметь очень малую толщину и высокие энергомассовые показатели.

На основе арсенида галлия разрабатываются высокоэффективные каскадные СЭ, состоящие из нескольких расположенных один под другим р-n- переходов или других типов разделяющих барьеров, созданных в полупроводниках с различной шириной запрещенной зоны.

Основное препятствие на пути широкого применения арсенида галлия в качестве основного материала для производства СЭ — ограниченность запасов галлия, сложность и высокая стоимость его получении и обработки. С целью экономии арсенида галлия при создании ГСЭ развивается технология выращивания тонких слоев AlGaAs—GaAs на подложках из германии, кремния, оксида алюминия и других дешевых материалов либо на многократно используемой подложке из арсенида галлия с последующим отделением пленочной структуры.