Физика

Радиоактивность
ДОЗЫ РАДИАЦИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ
Естественные источники радиации
Земная радиация
Внутреннее облучение
Другие источники радиации
Источники, созданные человеком
Ядерные взрывы
Атомная энергетика
Профессиональное облучение
Действие радиации на человека
Острое поражение
Рак
Генетические последствия облучения
Понятие приемлемого риска
 

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

К фотоэлектрическим преобразователям относятся

вентильные фотоэлементы,

вакуумные и газонаполненные (ламповые) фотодиоды,

фототранзисторы и фототиристоры,

электрохимические (жидкостные) фотоэлементы.

В энерготехнике находят применение только первые из них, так как у остальных кпд преобразования с точки зрения энергетики слишком низок (они могут, однако, применяться в измерительной технике и в качестве датчиков в устройствах автоматики). Наиболее важным видом использования вентильных фотоэлементов является преобразование солнечного излучения в электроэнергию, но кроме этого они могут эффективно использоваться для световых измерений, в фотоавтоматике и в информационной технике.

В энергетике могут оказаться приемлемыми и электрохимические фотоэлементы, но их развитие находится еще в начальной стадии.

В вентильных фотоэлементах чаще всего используется кремний – полупроводник, атом которого состоит из ядра и трех слоев электронов, причем, внешний слой состоит из четырех электронов (рис. 3.11.1). Если ввести в кристаллическую решетку кремния атомы фосфора, у которого внешний электронный слой состоит из пяти электронов, то в таком полупроводнике
(n-полупроводнике) могут в определенных условиях возникать свободные электроны; в полупроводниковых приборах такой полупроводник служит поэтому эмиттером. При добавке к кремнию атомов бора, имеющих во внешнем электронном слое три электрона, получается p-полупроводник, который в полупроводниковых приборах может служить коллектором. Между двумя тонкими слоями p- и n-полупроводников (толщиной в несколько микрометров) образуется pn-переход или зона объемного заряда. Если в эту зону через прозрачный, обращенный к источнику излучения электрод попадают фотоны, обладающие достаточно большой энергией, то они вызывают разделение отрицательных и положительных зарядов и движение носителей заряда (электронов и дырок) к противоположным электродам. В результате этого возникает электродвижущая сила, составляющая в бестоковом состоянии приблизительно 0,6 V; если внешняя электрическая цепь замкнута, то в ней возникает электрический ток. При нормальной токовой нагрузке напряжение фотоэлемента равно приблизительно 0,5 V.

Рис. 3.11.1. Принципиальное устройство атомов бора, кремния и фосфора. 1 ядро, 2 внутренние электронные слои, 3 внешний электронный слой

На рис. 3.11.2 изображен принцип устройства наиболее распространенного кремниевого фотоэлемента. Чтобы предотвращать нежелательное отражение излучения с поверхности фотоэлемента, ее покрывают антиотражающим слоем, в качестве которого обычно используют двуокись титана TiO2 . Суммарная толщина фотоэлемента находится в настоящее время обычно в пределах от 0,2 mm до 0,3 mm, а его площадь может достигать
15 cm ´ 15 cm. Для получения подходящего напряжения и тока, фотоэлементы объединяют путем комбинирования последовательного и параллельного соединений в модули, а те, в свою очередь, в батареи или их секции.


Рис. 3.11.2. Принцип устройства кремниевого фотоэлемента. 
1 антиотражающий слой, 2 нихромовый (NiCr-) электрод, состоящий из узких полос, 3 n-полупроводник (например, кремний с добавкой фосфора) толщиной приблизительно 2 mm, 4 pn-переход, 
5 p-полупроводник (например, кремний с добавкой бора),
6 металлический электрод, 7 фотон и возникающая под его действием пара носителей заряда

Так как коэффициент преобразования кремниевого фотоэлемента зависит от длины волны принимаемого излучения, а максимум спектрального коэффициента преобразования не совпадает с максимумом спектрального распределения солнечного излучения (рис. 3.11.3), то часть фотонов поглощается в фотоэлементе без генерации носителей зарядов (превращаясь в тепло). Так как возникают и другие потери энергии, то теоретическое предельное значение электрического кпд монокристаллического кремниевого фотоэлемента равно приблизительно 28 %. На лабораторных опытных образцах фактически получен кпд до 24 %, а на фотоэлементах промышленного производства – 14…17 %. В соответствии с этим плотность тока на электродах при облученности в 1 kW/m2 составляет приблизительно 300…400 A/m2.

Рис. 3.11.3. Сравнение относительного спектрального распределения излучения Солнца на поверхности Земли (1, упрощенно; см. также рис. 2.2.1) и относительного спектрального коэффициента преобразования типичного кремниевого фотоэлемента (2). l длина волны

Если вместо монокристаллического использовать более дешевый поликристаллический кремний, то возникают дополнительные потери на дефектах кристаллической решетки, и кпд промышленных фотоэлементов в таком случае находится обычно в пределах от 13 % до 15 %. Еще меньше кпд в случае использования аморфного кремния (5…7 %), но тогда фотоэлемент может создаваться путем осаждения кремния тонким слоем (менее 1 mm) на стекло, что существенно снижает расход материалов и стоимость фотоэлемента. В качестве электродов в этом случае могут использоваться пленки из окислов металлов, в которые для увеличения электрической проводимости добавлены подходящие химические элементы (например, SnO2:F или ZnO:Al). Так как электроды и полупроводниковые слои предельно тонки, то они относительно мало уменьшают прозрачность стекла, что позволяет эффективно использовать такое стекло, например, в световых фонарях зданий.

Условные обозначения фотоэлемента и вентильного полупроводникового фотодиода представлены на рис. 3.11.4 [3.1], а фотоэлектрического модуля – на рис. 3.11.5 [3.23].

Рис. 3.11.4. Условные обозначения фотоэлемента (слева) и вентильного фотодиода (справа)

Рис. 3.11.5. Условные обозначения фотоэлектрического модуля

Кроме кремния в фотоэлементах используются и другие полупроводниковые материалы – наиболее часто арсенид галлия (GaAs), теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди и индия (CuInSe2 ). Каждый из них имеет различный спектральный коэффициент преобразования и, если создать комплексный элемент, в котором последовательно соединены два или три фотоэлемента, чувствительных к различным спектральным полосам солнечного излучения, то суммарная полоса чувствительности расширяется и кпд соответственно повышается. Такие фотоэлектрические преобразователи называются тандемными фотоэлементами, и их кпд может достигать 40 %.

Количество дорогого полупроводникового материала в фотоэлементах можно уменьшить путем применения концентраторов излучения (например, линз), которые могут увеличить облученность на поверхности фотоэлемента до нескольких десятков раз. Кпд батарей тандемных фотоэлементов, снабженных концентраторами излучения, в настоящее время доходит приблизительно до 35 %. Однако при использовании концентраторов модуль или батарею фотоэлементов необходимо снабжать автоматическим приводом, поворачивающим их всегда перпендикулярно лучам солнца.

Модули фотоэлементов могут изготовляться мощностью от нескольких милливатт до нескольких сотен ватт. Модули малой мощности находят применение для электропитания мелких электроприемников (часов, карманных калькуляторов и т. п.), а более крупные – для питания осветительных устройств, световых дорожных знаков и светосигнальных систем. Чтобы обеспечить непрерывность электропитания, к фотоэлементным модулям подключают аккумуляторы. Модули могут соединяться и в батареи мощностью до нескольких десятков (иногда и до нескольких сотен) киловатт, используемые в качестве местных источников электропитания, обычно соединенных с электрической сетью. Такие батареи устанавливаются обычно на крышах или на южных наружных стенах зданий. Солнечными батареями снабжаются и все искусственные спутники Земли и космические станции. На фотоэлектрических электростанциях суммарная мощность солнечных батарей может достигать 10 MW и более (см. раздел 6.7). В опытном порядке солнечные батареи используются и как источники питания электромобилей и электрических лодок.

Преимущества фотоэлементов как источников электропитания заключаются в отсутствии подвижных частей, в отсутствии вредного действия на окружающую среду, в простоте обслуживания и в высокой надежности. Их срок службы находится обычно в пределах от 30 до 40 лет. Их недостатками считают высокую удельную стоимость (1500…4000 €/kW), низкий коэффициент использования максимальной мощности (даже в регионах с большим числом солнечных дней солнечная батарея мощностью 1 kW может генерировать только 1000…2400 kWh электроэнергии в год) и, следовательно, высокую себестоимость электроэнергии (обычно 10…50 евроцентов на 1 kWh).

Так как облученность от солнечного излучения составляет на уровне земли приблизительно 1 kW/m2, то площадь фотоэлектрических модулей, при их кпд от 5 % до 15 %, должна быть приблизительно 6…20 m2/kW. Солнечные батареи требуют, следовательно, для своего размещения относительно больших земельных участков. Если солнечные батареи должны присоединяться к электрическим сетям или если они должны питать электроприемники переменного тока, то их следует снабжать инверторами. Автономные солнечные батареи, чтобы обеспечить при их прерывистой работе беспрерывное питание электроприемников, должны, кроме того, снабжаться аккумуляторными батареями (рис. 3.11.6).

Рис. 3.11.6. Принципиальная схема установки, состоящей из солнечной батареи (1), инвертора (2) и аккумулятора (3). Коммутационные и другие вспомогательные аппараты не показаны

Атомная энергетика, радиация. Решение задач по физике