Для питания магистральных систем электроснабжения и различного
оборудования
на КЛА широко используются ФЭП; они предназначены также для подзарядки
бортовых
химических АБ. Кроме того, ФЭП находят применение на наземных
стационарных и
передвижных объектах, например, в АЭУ электромобилей. С помощью ФЭП,
размещенных на верхней поверхности крыльев, осуществлено питание
приводного
электродвигателя винта одноместного экспериментального самолета (США) ,
совершившего перелет через пролив Ла-Манш.
В настоящее время предпочтительная область применения ФЭП -
искусственные
спутники Земли, орбитальные космические станции, межпланетные зонды и
другие
КЛА. Достоинства ФЭП: большой срок службы; достаточная аппаратурная
надежность;
отсутствие расхода активного вещества или топлива. Недостатки ФЭП:
необходимость устройств для ориентации на Солнце; сложность механизмов,
разворачивающих панели ФЭП после выхода КЛА на орбиту;
неработоспособность в
отсутствие освещения; относительно большие площади облучаемых
поверхностей. Для
современных ФЭП характерны удельная масса 20 - 60 кг/кВт (без учета
механизмов
разворота и автоматов слежения) и удельная мощность КПД преобразования
солнечной энергии в электроэнергию для обычных кремниевых ФЭ равен В
каскадных
ФЭП с прозрачными монокристаллами элементов при двухслойном и при
трехслойном
исполнении. Для перспективных АЭУ, сочетающих солнечные концентраторы
(параболические зеркала) и ФЭП на основе гетероструктуры двух различных
полупроводников арсенидов галлия и алюминия, также можно ожидать.
Работа ФЭ основана на внутреннем фотоэлектрическом эффекте в
полупроводниках. Внешние радиационные (световые, тепловые) воздействия
обуславливают в слоях 2 и 3 появление неосновных носителей зарядов,
знаки которых
противоположны знакам основных носителей р- и п-областях. Под влиянием
электростатического притяжения разноименные свободные основные носители
диффундируют через границу соприкосновения областей и образуют вблизи
нее р-п
гетеропереход с напряженностью электрического поля ЕК, контактной
разностью
потенциалов UK = SEK и потенциальным энергетическим барьером WK=eUK для
основных носителей, имеющих заряд е. Напряженность поля EK препятствует
их
диффузии за пределы пограничного слоя шириной S. Напряжение зависит от
температуры Т, концентраций дырок или электронов в p- и n-областях
заряда
электрона е и постоянной Больцмана k. для неосновных носителей EK -
движущее
поле. Оно обусловливает перемещение дрейфующих электронов из области р
в
область п, а дырок - из области п в область р. Область п приобретает
отрицательный
заряд, а область р- положительный, что эквивалентно приложению к р-п
переходу
внешнего электрического поля с напряженностью EВШ, встречного с EK.
Поле с
напряженностью EВШ - запирающее для неосновных и движущее для основных
носителей. Динамическое равновесие потока носителей через р-п переход
переводит
к установлению на электродах 1 и 4 разности потенциалов U0 - ЭДС
холостого хода
ФЭ. Эти явления могут происходить даже при отсутствии освещения р-п
перехода.
Пусть ФЭ облучается потоком световых квантов (фотонов) , которые
сталкиваются
со связанными (валентными) электронами кристалла с энергетическими
уровнями W.
Если энергия фотона Wф=hv (v -частота волны света, h - постоянная
Планка)
больше W, электрон покидает уровень и порождает здесь дырку; р-п
переход
разделяет пары электрон - дырка, и ЭДС U0 увеличивается. Если
подключить
сопротивление нагрузки RН, по цепи пойдет ток I, направление которого
встречно
движению электронов. Перемещение дырок ограничено пределами
полупроводников, во
внешней цепи их нет. Ток I возрастает с повышением интенсивности
светового
потока Ф, но не превосходит предельного тока In ФЭ, который получается
при
переводе всех валентных электронов в свободное состояние: дальнейший
рост числа
неосновных носителей невозможен. В режиме К3 (RН=0, UН=IRН=0)
напряженность
поля Евш =0, р-п переход (напряженность поля ЕК) наиболее интенсивно
разделяет
пары неосновных носителей и получается наибольший ток фотоэлемента IФ
для
заданного Ф. Но в режиме К3, как и при холостом ходе (I=0) , полезная
мощность
P=UНI=0, а для 0<UН<U0 и 0<I<IФ будет
Р>0.
Известно, что в заатмосферных условиях, а на уровне Земли
(моря) при
расположении Солнца в зените и поглощении энергии света водяными парами
с
относительной влажностью 50% либо при отклонении от зенита на в
отсутствии
паров воды.
ФЭП монтируются на панелях, конструкция которых содержит
механизмы разворота
и ориентации. Для повышения КПД примерно до 0,3 применяются каскадные
двух- и
трехслойные исполнения ФЭП с прозрачными ФЭ верхних слоев. КПД ФЭП
существенно
зависит от оптических свойств материалов ФЭ и их терморегулирующих
защитных
покрытий. Коэффициенты отражения уменьшают технологическим способом
просветления освещаемой поверхности (для рабочей части спектра) .
Обусловливающие заданной коэффициент поглощения покрытия способствует
установлению необходимого теплового режима в соответствии с законом
Стефана-Больцмана, что имеет важное значение: например, при увеличении
Т от 300
до 380 К КПД ФЭП снижается на 1/3.