Солнечные элементы

Начались успешные испытания солнечных батарей на Земле, изучение параметров и ресурса батарей при эксплуатации в тяжелых климатических условиях, поиски оптимальных конструктивных решений, выбор лучших герметизирующих и светостойких материалов, изолирующих от внешней среды тонкие хрупкие полупроводниковые кристаллы, пленки и ленты, из которых получают сейчас элементы для наземного применения. И здесь учеными многих стран получены обнадеживающие результаты. В СССР уже около десяти лет более ста фотоэлектрических электростанций бесперебойно снабжают электроэнергией речные бакены, сигнальные огни, системы аварийной связи, лампы маяков и многие другие объекты, расположенные в районах труднодоступных для доставки топлива и энергоснабжения.

Электрическую мощность от 100 до 200 Вт можно получить с 1 м2 современных солнечных батарей на ярком свету, и при этом не происходит никакого загрязнения окружающей среды вредными химическими веществами, отработанной теплотой и т. п. Солнечные батареи, несомненно, являются чистым источником энергии. Они все шире будут применяться в космосе и на Земле, по мере того как все промышленные страны мира будут проникаться убеждением в недопустимости загрязнения окружающей среды при использовании традиционных способов получения электроэнергии.

Значительные результаты достигнуты сейчас не только при практическом использовании солнечной энергии, но и в разработке теоретических основ прямого преобразования солнечной энергии. Недавно удалось показать, что фотоэлектрический метод преобразования теоретически позволяет использовать энергию Солнца с КПД, достигающим 93 %! А ведь первоначально считали, что максимальный верхний предел КПД солнечных элементов составляет не более 26 %, т. е. значительно ниже КПД высокотемпературных тепловых машин. За успехами теории, что уже было не раз доказано историей науки, должны последовать практические достижения. Первые подтверждения этому недавно появились — были экспериментально получены полупроводниковые каскадные солнечные элементы с КПД около 30 %.

Преобразование энергии в современных солнечных элементах с высоким КПД основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения. Неоднородность структуры солнечного элемента может быть получена в наиболее простом случае легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание р-n-переходов), либо (в более сложных структурах) соединением различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещенной зоны (получение гетеропереходов), или же за счет изменения химического состава полупроводника, что приводит к появлению градиента ширины запрещенной зоны (разработка варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

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

Затронутые выше вопросы теории и практики солнечных элементов подробно, доступно и вместе с тем достаточно строго освещены в предлагаемой читателю научно-популярной книге профессора Μ. М. Колтуна. Автор книги — известный исследователь, разработавший ряд новых солнечных элементов и батарей, создавший системы просветляющих, радиационно стойких и теплоотражающих оптических покрытий, защищающих солнечные элементы от воздействия радиации и температурных перегревов даже при работе около горячей Венеры или на поверхности Луны.

В настоящей книге изложены физические основы и принцип действия солнечных элементов из разных материалов, описаны разнообразные конструкции элементов, представлены их основные оптические и электрофизические характеристики.

H. С. Лидоренко

Глава 1

СОЛНЕЧНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В КОСМОСЕ И НА ЗЕМЛЕ

Состав электромагнитного излучения, испускаемого Солнцем, и природа происходящих при этом физических явлении

Солнце представляет собой удаленный от Земли на расстояние 149,6 млн км термоядерный реактор, излучающий энергию подобно абсолютно черному телу при температуре 5785 К (приближение, которое наиболее часто используется). Энергия поступает на Землю главным образом в форме электромагнитного излучения в спектральном диапазоне от коротких радиоволн длиной 30 м до рентгеновских лучей с длиной волны 10-10 м. Наибольшая часть энергии излучения Солнца сосредоточена в видимой и инфракрасной областях спектра.

Почти пять миллиардов лет в недрах Солнца происходят термоядерные реакции — превращение ядер водорода в ядра гелия, приводящие к освобождению огромного количества энергии. Ведь в глубине Солнца температура достигает 15–20 млн град. Ежесекундно 600 млн т водорода в недрах Солнца превращаются в гелий, однако масса Солнца столь велика, что за миллиарды лет она уменьшилась лишь на доли процента. Масса Солнца составляет 2×1027 т, что более чем в 330 тыс. раз больше массы Земли!

Существует две основных последовательности ядерных превращений водорода в гелий в ядре Солнца. Один из этих процессов — углеродно-азотный цикл, в котором в конечном счете ядро атома углерода поглощает четыре протона, излучает два позитрона (положительно заряженные античастицы по отношению к электрону) и превращается в нестабильное ядро атома кислорода. Затем ядро атома кислорода распадается на ядра углерода и гелия. Таким образом, восстанавливается первоначальное ядро углерода, и общий эффект состоит в превращении четырех протопоп в одно ядро гелия,

Вторая последовательность — это протон-протонная реакция, в которой два протона сталкиваются и излучают позитрон и нейтрино при образовании дейтерия, тяжелого изотопа водорода, в ядре которого существуют как нейтрон, так и протон. Другой протон добавляется к дейтерию, образуя легкий изотоп гелия, гелий-3. Затем два ядра гелия-3 объединяются и образуют одно ядро обычного гелия, гелия-4, и два свободных протона. Результат здесь снова состоит в объединении четырех протонов в ядро гелия. Количество высвобождающейся энергии примерно в миллион раз больше энергии, выделяемой в химической реакции горения.

Земля движется вокруг Солнца по эллиптической орбите. Небольшая вытянутость орбиты порождает годовые колебания интенсивности солнечного излучения, достигающего Земли. Наклон (угол относительно нормали к плоскости орбиты Земли) оси собственного вращения Земли, близкий к 23,5°, приводит к сезонным изменениям высоты Солнца над земным горизонтом. Диаметр Солнца составляет около 1,39×109 м. C Земли Солнце выглядит диском с угловым размером 31o59′. Это средний угловой диаметр; его годовое изменение составляет ±1,7 %.

Солнце имеет непрерывный спектр излучения, пересекаемый в некоторых местах темными линиями поглощения (так называемыми фраунгоферовыми линиями), влиянием которых при энергетических расчетах можно пренебречь. Распределение энергии в спектре Солнца весьма неравномерно, и истинная кривая спектральной плотности потока как внеатмосферного, так и наземного солнечного излучения имеет довольно сложный вид (рис. 1.1).

Интегральная плотность потока солнечного излучения, падающего нормально на поверхность, может быть определена интегрированием спектральной плотности в диапазоне изменения длины волны от нуля до бесконечности. Эта величина для околоземного космоса изменяется незначительно, поскольку расстояние от Земли до Солнца при ее движении по орбите отклоняется лишь в пределах 98,3—101,7 % от среднего расстояния, что приводит к соответствующим сезонным изменениям плотности потока солнечного излучения.