М. М. Колтун
СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Рецензенты:
доктор технических наук
В. А. ГРИЛИХЕС,
доктор технических наук
Б. В. ТАРНИЖЕВСКИЙ
© Издательство «Наука», 1987 г.
Предисловие
Впервые энергия солнечного излучения была преобразована в электрическую энергию с достаточно высоким КПД с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, которые вскоре получили название солнечных элементов. Электронная аппаратура спутника Земли или автономной метеостанции, заброшенной в горах, мгновенно оживает, когда на соединенную с ней электрическими проводами солнечную батарею-набор тонких (толщиной в доли миллиметра!) полупроводниковых солнечных элементов — падает солнечный свет.
Большой путь пройден наукой о солнечном фотоэлектричестве за короткий период времени — около тридцати лет — с момента разработки в СССР и США первых солнечных батарей из кремния и арсенида галлия, которые можно было рассматривать как энергетические установки.
Обеспечение полетов пилотируемых космических кораблей, искусственных спутников Земли, межпланетных станций требует затраты значительных количеств электроэнергии, потребляемой системами автоматики, управления, связи, жизнеобеспечения т. п. После доставки на Луну советского лунохода электрическая энергия впервые в мире стала использоваться для передвижения автоматов на других небесных телах. Необычные эксплуатационные условия (невесомость, глубокий вакуум, контрастные изменения температуры — от +200 до —200oC) не позволяют широко использовать в условиях Луны известные на Земле традиционные методы получения электричества.
Для выработки на борту космических аппаратов электроэнергии чаще всего применяют солнечные электростанции. Электрогенерирующая система состоит, как правило, из первичного основного генератора — полупроводниковых преобразователей солнечной энергии (солнечных батарей), системы автоматики, химического накопителя энергии (аккумуляторной батареи), который запасает выработанную первичным генератором энергию и отдает ее приборам станции по мере необходимости.
Построенные по этому принципу системы энергоснабжения уже длительное время успешно применяются на космических аппаратах различного назначения — искусственных спутниках Земли, автоматических межпланетных станциях, направляемых на Венеру и к Марсу, на первой в мире пилотируемой орбитальной станции «Салют» и новой усовершенствованной станции «Мир». За время, прошедшее с 1958 г., когда первая советская солнечная батарея успешно функционировала на третьем искусственном спутнике Земли, а американская — на спутнике «Авангард», в области прямого преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей достигнут большой прогресс.
Усовершенствование технологии полупроводниковых материалов, получение широкого класса новых полупроводников с высокой степенью очистки от примесей, успехи теории физических процессов в полупроводниковых приборах позволили в последние годы увеличить КПД полупроводниковых преобразователей солнечного излучения в электрическую энергию.
Основу работы этих приборов составляет процесс взаимодействия солнечного света с кристаллом полупроводника, во время которого фотоны высвобождают в кристаллах электроны — носители электрического заряда. Специально созданные в объеме кристалла области с сильным электрическим полем (например, так называемые р-n-переходы) улавливают возникшие электроны и разделяют их таким образом, что в цепи прибора начинает протекать ток, и к потребителю поступает электрическая энергия значительной мощности.
Работа в космосе предъявляет солнечным элементам очень жесткие и подчас противоречивые требования. Действительно, поглощая возможно больше световой энергии, они не должны перегреваться. Кроме этого, солнечные батареи должны обладать способностью длительное время противостоять потокам корпускулярного излучения, действию частиц высоких энергий, быть радиационно стойкими при минимальном их весе.
Солнечные элементы и батареи — немногие из полупроводниковых приборов, работающих в открытом космосе. В то время как диоды и транзисторы размещаются в герметизированных, иногда теплоизолированных приборных отсеках, панели с солнечными батареями нагреваются до 80 °C, когда их освещает Солнце, и остывают до —150 °C во время захода космических аппаратов в тень Земли, испытывают воздействие ультрафиолетовой области излучения Солнца и микрометеоритных потоков.
Кроме большого количества сложных полупроводниковых приборов, солнечная батарея содержит оптическую систему, избирательно пропускающую в полупроводник только полезное излучение и одновременно защищающую его от нежелательного воздействия потоков корпускулярной радиации, а также увеличивающую излучательную способность освещаемой и тыльной поверхностей солнечных элементов.
Солнечные батареи доказали свою незаменимость, высокую надежность и долговечность при работе на борту космических аппаратов, особенно после того как удалось защитить их от неблагоприятных воздействий окружающей среды.
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.