ГРУППА 201. ФИЗИКА. ТЕМА «ТИПЫ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ. ПРИМЕНЕНИЕ"
Сурьмяно-цезиевый
фотоэлемент, использующий явление внешнего фотоэффекта
Фотоэлемент — электронный
прибор, который
преобразует энергию фотонов в электрическую
энергию.
Подразделяются
на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы[1]. Действие прибора основано на фотоэлектронной
эмиссии или внутреннем
фотоэффекте[2]. Первый фотоэлемент, основанный на
внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.
Полупроводниковые фотоэлектрические
преобразователи энергии
Наиболее
эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения
солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи
(ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых
в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших
образцов до 25 %[3]. В лабораторных условиях уже
достигнуты КПД 43,5 %[4], 44,4 %[5], 44,7 %[6].
Отсутствие
выпрямительных диодов и эффективных антенн на частоты электромагнитного
излучения, соответствующие свету, пока не позволяет создавать фотоэлектрические
преобразователи, использующие свойства кванта как электромагнитной волны,
наводящей переменную ЭДС в дипольной антенне, хотя, теоретически, это возможно.
От таких устройств можно было бы ожидать не только лучшего КПД, но и меньших
температурной зависимости и деградации со временем.
Физический принцип работы фотоэлемента
Преобразование
энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных
полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.
Неоднородность
структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями
(создание p-n
переходов) или путём
соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой
зоны —
энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения
химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины
запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные
комбинации перечисленных способов.
Эффективность
преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной
полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых
наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего
фотоэффекта в
полупроводниках при облучении их солнечным светом.
Основные необратимые потери энергии
в ФЭП связаны с:
- отражением солнечного излучения
от поверхности преобразователя,
- прохождением части излучения
через ФЭП без поглощения в нём,
- рассеянием на тепловых
колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
- рекомбинацией образовавшихся
фото-пар, на поверхностях и в объёме ФЭП,
- внутренним сопротивлением преобразователя,
- и некоторыми другими
физическими процессами.
Для
уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно
применяется различные мероприятия. К их числу относятся:
- использование полупроводников с
оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
- направленное улучшение свойств
полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания
встроенных электрических полей;
- переход от гомогенных к
гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
- оптимизация конструктивных
параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода,
толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
- применение многофункциональных
оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и
защиту ФЭП от космической радиации;
- разработка ФЭП, прозрачных в
длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы
поглощения;
- создание каскадных ФЭП из
специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников,
позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через
предыдущий каскад, и пр.;
Также
существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания
преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже
имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно-переизлучающих
структур, линз
Френеля,
предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные
области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал)
с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.
Фотоэлементы промышленного назначения
На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные
типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:
- высокая надёжность при
длительном (до 25—30 лет) ресурсе
работы;
- высокая доступность сырья и
возможность организации массового производства;
- приемлемые с точки зрения
сроков окупаемости затрат на
создание системы преобразования;
- минимальные расходы энергии и
массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии
(космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
- удобство техобслуживания.
Некоторые
перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС
количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или
сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и
эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур,
плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при
низкой стоимости и т. д.[источник не указан 3945 дней]
Высокая
производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного
производства ФЭП, например, на основе ленточной технологии, и создании развитой
сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть
фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной
радиоэлектронной промышленностью[источник не указан 3945 дней]. Изготовление фотоэлементов и
сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное
снижение себестоимости батареи.
Наиболее
вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se2 и арсенид
галлия (GaAs ).
Вот
некоторые области использования фотоэлементов в нашей жизни:
- По этой схеме фотоэлементы
могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно
вошли в нашу жизнь.
- Фотореле пропускает нас в
метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном
производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят
станок.
- Их используют для измерения
площади заготовок сложной формы. В считанные секунды определяется площадь
лекала. Фотореле строго следит за раскроем кожи, ткани, и обеспечивает
безопасность работы на прессе.
- На станке для плазменной резки
металла фотоэлементы также управляют его работой. Они считывают информацию
с перфоленты, и задают режимы работы станка.
- В типографии они считают
бумажные листы, следят за их правильной укладкой и резкой. Ведут
постоянный контроль за циклом работы станка, обеспечивая безопасность
работы резчика бумаги.
- На почтамте фотоэлементы
позволили автоматизировать трудоемкие операции по обработке писем и
сортировки их по адресам. Электронный глаз внимательно следит за тем,
чтобы штемпель точно попал на марку. Фотоэлектронная система считывает
индекс, обозначенный на конверте, и направляет письмо в нужную ячейку.
- В ювелирном производстве
фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней.
Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких
тысяч отдельных фотоэлементов.
- Звук в кино записывается на
звуковую дорожку. Фотоэлемент его расшифровывает, и управляет работой
звуковых динамиков. Изображение на фотопленке и в глазу человека возникает
благодаря фотоэффекту.
- Роботы-автоматы выполняют
технологические операции, за которыми не может следить человек. В
промышленности робот движется, ориентируясь по белой линии на полу,
благодаря системе, оснащенной фотоэлементами.
- Прогресс науки и техники в
самых разных областях народного хозяйства во многом стал возможен
благодаря широкому использованию фотоэлементов.
ЗАДАНИЕ.
1.
Подготовьте конспект
2.Подготовьте
презентацию по этой теме
Комментариев нет:
Отправить комментарий