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.
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.
Рис. 1.1. Спектральное распределение энергии солнечного излучения
1 —внеатмосферного 1360 Вт/м2; 2 — наземного полного 1000 Вт/м2, 3 — наземного прямого 834,6 Вт/м2.
Рассматривая энергетические характеристики солнечного излучения, необходимо обратить внимание на одну особенность представления кривых спектрального распределения плотности потока лучистой энергии Солнца (рис. 1.1). На графиках, характеризующих это спектральное распределение, по оси ординат откладывается обычно величина размерность которой не совпадает с размерностью какой-либо энергетической величины, например, поверхностной плотности потока излучения Е (Вт/м2). Как правило, величина Eλ отнесена к единичному интервалу параметра, откладываемого по оси абсцисс, в частности, длины волны излучения (см. рис. 1.1), что облегчает последующие расчеты, в которых используется эта величина (позволяющие, в частности, определить спектральную чувствительность и КПД солнечных элементов). Однако в результате собственно энергетическая величина, определяемая выражением Eλdλ, оказывается неразрывно связанной с интервалом по оси абсцисс, а вид кривой спектрального распределения будет меняться в зависимости от параметра, отложенного по этой оси, например, внешний вид кривой изменится, если по оси абсцисс откладывать значение не длины волны, а частоты излучения. Известный закон смещения Вина дает возможность определить только координату графического максимума кривой, но эта координата может не соответствовать максимуму собственно энергетической величины, например, спектральному положению максимальной энергетической отдачи. Это означает, что специальным выбором шкалы абсцисс спектральной кривой солнечного излучения можно придать вид кривой с максимумом в любой заранее заданной области спектра.
Рис. 1.2. Спектральные характеристики излучения в логарифмической шкале длин волн
1 — Солнце; 2 — абсолютно черное тело при Tc= = 5785 К; 3 — относительная мощность солнечного излучения
В связи с этим во многих работах в качестве наиболее показательной для графического представления спектральной характеристики выбрана логарифмическая шкала длин волн. Использование такой шкалы позволяет выразить спектральную плотность солнечного излучения в единицах поверхностной плотности лучистого потока (Вт/м2), отнесенных к спектральному интервалу, на протяжении которого длина волны излучения меняется в e=2,718… раз (так называемому пелесину — нн). В этом случае (рис. 1.2) максимум кривой распределения солнечного излучения находится там, где имеет место максимальная энергетическая отдача в узком спектральном интервале, а ход кривой отражает спектральную зависимость квантового выхода излучения. На рис. 1.2 изображена также кривая z(λ), характеризующая относительную мощность солнечного излучения, приходящуюся на длины волн меньше заданной (в процентах от полного значения).