Фотоэлектрическое преобразование энергии

Фотоэлектропреобразователь (ФЭП) преобразует в электрическую энергию электромагнитные излучения. Исходное излучение может иметь как тепловую, так и не тепловую природу. В большинстве случаев ФЭП использует электромагнитные излучения (свет) от Солнца, природа которого считается тепловой.

Принцип работы ФЭП основан на фотоэффекте, который получил объяснение в работах Энштейна в 1905 г. Сущность фотоэффекта состоит в том, что электроны, содержащиеся в материале катода ФЭП, под действием поглощающего электромагнитного излучения изменяют свое энергетическое состояние.

Успехи в развитии ФЭП были достигнуты при переходе на преобразователи с запирающем слоем, основанные на внутреннем или вентильном фотоэффекте. Запирающий слой образуется при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости. Схема образования запирающего слоя показана на рис. 6.2.1. Поскольку в п- полупроводнике имеются в избытке свободные электроны (с отрицательными зарядами), а в р- полупроводнике дырки (с положительным зарядом), то при контакте двух полупроводников электроны начинают диффундировать в р- полупроводник, а дырки – навстречу в п- полупроводник. Этот процесс продолжается до тех пор, пока избыточная концентрация отрицательных и положительных зарядов в запирающем слое толщиной d не создает разности потенциалов, которая уравновесит диффузию зарядов. Эта контактная разность потенциалов в большинстве случаев несколько десятых вольта при толщине запирающего слоя 10^-4–10^{-5 см. Контактная разность потенциалов не может быть использована для создания тока, т. к. при замыкании цепи она будет уравновешена такой же разностью, но противоположного знака.}

Рис. 6.2.1. Схема запирающего слоя при контакте полупроводников п- и р- типа

Положение меняется, когда на границу между п- и р- полупроводниками падает свет. Действие света состоит в том, что в обоих полупроводниках появляются дополнительные пары электрон – дырка. Под действием контактной разности потенциалов эти избыточные заряды смещаются: электроны – в п- полупроводник, заряжая его отрицательно, а дырки в р -полупроводник, заряжая его положительно. Эта дополнительная разность потенциалов, поддерживаемая дополнительным освещением контактной поверхности, при замыкании внешней цепи создает электрический ток. При прекращении освещения ток прекращается.

Освещение поверхности контакта технически обеспечивается тем, что на р- полупроводник наносится практически прозрачная пленка п- полупроводника, через которую свет достигает контактной поверхности.

Изготавливаемые в настоящее время ФЭП создаются на основе кремния или германия. Эти элементы IV группы периодической системы Менделеева в чистом виде представляют собой диэлектрики. Однако за счет легирования соответствующими малыми примесями из них можно создать полупроводники п- и р- типа, обладающие нужными для ФЭП свойствами.

Под КПД ФЭП понимается отношение выработанной им электроэнергии к используемой лучистой энергии. На основе законов Эйнштейна можно показать, что если полупроводниковый элемент с некоторой шириной запрещенной зоны W, находящийся при температуре Т₂, освещается светом от абсолютно черного тела, нагретого до температуры Т₁, причем из общего потока излучения выделены частоты, которые находятся в интервале от до , то предельный теоретический КПД такого фотопреобразователя оказывается равным

,

т. е. равным КПД цикла Карно, осуществляемого в том же интервале температур. При этом предполагается, что излучение во всех других частотах отражается обратно к горячему источнику.

В действительности за счет джоулевских потерь в самом ФЭП электроэнергия, которая может быть отдана во внешнюю цепь, меньше, чем произведенная электроэнергия, в связи с чем максимальный КПД равен:

,

где – КПД цикла Карно; – электрический КПД, который в режиме максимальной мощности имеет различные значения для разных ФЭП в зависимости от вида их вольт-амперной характеристики.

В случае расчета КПД солнечного ФЭП (именно такие ФЭП интересны с точки зрения энергетики) он оказывается еще меньшим:

,

где учитывает, что Солнце является не монохроматическим источником излучения и что отражать не использованную в ФЭП энергию, лежащую в диапазоне частот и , обратно на Солнце бессмысленно.

В последнее время ФЭП получили достаточное развитие в качестве бортовых источников электроэнергии для космических аппаратов. Для основного типа кремниевых ФЭП достигнуто в эксплуатации значение КПД около 15 %. ФЭП на базе арсенида галлия в лабораторных условиях имеет КПД до 20 %. Сегодня ФЭП очень дороги из-за высокой стоимости чистых полупроводниковых материалов.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: