Солнечная батарея

батарея солнечных элементов, полупроводниковый Фотоэлектрический генератор, непосредственно преобразующий энергию солнечной радиации в электрическую. Действие солнечных элементов (СЭ) основано на использовании явления внутреннего Фотоэффекта (см. Фотоэлемент). Первые СЭ с практически приемлемым кпд преобразования (Солнечная батарея6%) были разработаны Г. Пирсоном, К. Фуллером и Д. Чапиным (США) в 1953—54. Большой вклад в развитие теории и практики СЭ внесли В. С. Вавилов, А. П. Ландсман, Н. С. Лидоренко, В. К. Субашиев (СССР); М. Вольф, Дж. Лоферский, М. Принс, П. Рапопорт (США).

Энергетические характеристики С. б. определяются полупроводниковым материалом, конструктивными (структурными) особенностями СЭ, количеством элементов в батарее. Распространённые материалы для СЭ — Si, GaAs; реже используются CdS, CdTe. Наиболее высокий кпд получен в СЭ из Si со структурой, имеющей электронно-дырочный переход(15% при освещении в земных условиях), и в СЭ на основе GaAs с полупроводниковым гетеропереходом (См. Полупроводниковый гетеропереход) (18%).

Конструктивно С. б. обычно выполняют в виде плоской панели из СЭ, защищенных прозрачными покрытиями. Число СЭ в батарее может достигать нескольких сотен тыс., площадь панели — десятков м²,ток С. б. — сотен а, напряжение — десятков в, генерируемая мощность — несколких десятков квт (в космических условиях). Достоинства С. б. — их простота, надёжность и долговечность, малая масса и миниатюрность СЭ, генерирование энергии без загрязнения окружающей среды; основной недостаток, ограничивающий развитие солнечной фотоэнергетики, — их пока ещё (середина 70-х гг.) высокая стоимость.

Главное применение С. б. нашли в космонавтике (См. Космонавтика), где они занимают доминирующее положение среди др. источников автономного энергопитания. С. б. снабжают электроэнергией аппаратуру спутников и системы жизнеобеспечения космических кораблей и станций, а также заряжают электрохимические аккумуляторы, используемые на теневых участках орбиты. В земных условиях С. б. используют для питания устройств автоматики, переносных радиостанций и радиоприёмников, для катодной антикоррозионной защиты (См. Антикоррозионная защита)нефте- и газопроводов. В СССР, США и Японии работают маяки и навигационные указатели с энергоснабжением от С. б. и автоматически подзаряжаемых ими буферных аккумуляторов. См. также Источники тока и рис. при статьях «Венера», «Марс», «Союз».

Лит.: Преобразование тепла и химической энергии в электроэнергию в ракетных системах, пер. с англ., М., 1963; Успехи СССР в исследовании космического пространства, М., 1968; Васильев А. М., Ландсман А. П., Полупроводниковые фотопреобразователи, М., 1971.

М. М. Колтун.

СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ - см. в ст. Солнечные элементы.

solar battery

solarvoltaic array

СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ

(батарея солнечных элементов) - устройство, <непосредственно преобразующее энергию солнечного излучения в электрическую. <Действие солнечного элемента (СЭ) основано на использовании явления внутр. фотоэффекта. Наиб, применение получили конструкции СЭ с р-п-переходами и гетеропереходами, представляющие собой плоскую (базовую) полупроводниковуюпластину с тонким фронтальным слоем полупроводника, имеющего тип проводимости, <противоположный типу проводимости базовой области. При облучении в полупроводникегенерируются дополнит. носители заряда, к-рые перемещаются под действиемэлектрич. поля р -re-перехода и создают на внеш. выводах фотоэдс.

Основные параметры солнечных элементов. При отсутствии внеш. нагрузкинапряжение на выводах СЭ максимально и наз. напряжением холостого хода U _ХХ.В замкнутом накоротко фотоэлементе потечёт макс. фототок I _кз- ток короткого замыкания. При наличии внеш. нагрузки величины напряжения U_H на нагрузке и тока I_H меньше значений U_XX и I _кз соответственно. Величина наз. фактором заполнения нагрузочной характеристики.

Важнейшим параметром СЭ является его кпд (или эффективность преобразованияэнергии солнечного излучения в электрическую), где Р _с - мощность солнечного излучения, падающего наповерхность СЭ. Эффективность СЭ определяется тем, что часть солнечногоизлучения с энергией фотона, меньшей ширины запрещённой зоны полупроводника, проходит через СЭ без поглощения и в фотоэлектрич. отношенииявляется бесполезной. Чем меньше ширина запрещённой зоны, тем большая долясолнечного света поглощается в нём.

Др. важная причина снижения кпд СЭ - неполное использование энергиипоглощённых фотонов. При генерации электронно-дырочных пар фотонами с энергией, <превышающей ширину запрещённой зоны полупроводника, избыточная энергияизлучения теряется при переходах внутри зоны за счёт соударений носителейс атомами решётки и переходит в тепло. Эти потери уменьшаются с увеличением

Осн. причинами дополнит. потерь, уменьшающих практически достижимыезначения кпд, являются отражение части светового потока от поверхностиСЭ (коэф. отражения для полупроводников, применяемых в СЭ, составляет ок.30% и 3-5% при использовании просветляющих покрытий) и рекомбинац. потери, <вызванные тем, что часть возбуждённых фотоносителей не доходят до р-re-перехода, рекомбинирует, а их энергия передаётся решётке полупроводника(см. Рекомбинация носителей заряда). В фотоэлементах с р - п- переходамисущественны потери за счёт поверхностной рекомбинации, особенно для носителей, <генерированных вблизи облучаемой поверхности КВ-частью солнечного света. <Омические потери в СЭ приводят к уменьшению фактора заполнения нагрузочнойхарактеристики.

Энергетич. характеристики С. б. определяются материалом фотоэлемента, <конструктивными особенностями СЭ, кол-вом СЭ в батарее. Распространённымиматериалами для СЭ являются Si, GaAs, CdS, CdTe (см. Полупроводниковыематериалы). Наиб. высокий кпд получен в СЭ на основе Si (17% при освещениив земных условиях) и в СЭ на основе GaAs (22%). Конструктивно С. б. обычновыполняют в виде плоской панели и СЭ, защищённых прозрачными покрытиями. <Число СЭ в батарее может достигать неск. сотен тысяч, площадь панели -тысяч м ², ток С. б. - сотен А, напряжение - сотен В, генерируемаямощность - неск. десятков и сотен кВт.

Увеличение кпд может быть получено в каскадных СЭ с неск. р -re-переходамив полупроводниках с разл. шириной запрещённой зоны. Солнечный спектр можетбыть расщеплён либо селективными зеркалами, либо посредством расположениянеск. СЭ один за другим с убыванием ширины запрещённой зоны СЭ по ходусолнечных лучей. Расчётные значения кпд для двухкаскадных СЭ достигают45%. Осн. перспективы в реализации монолитных конструкций каскадных СЭзаключаются в трудности осуществления последоват. соединения верхнего инижнего элементов без внесения дополнит. омических и оптич. потерь.

Достоинства С. б.- их простота, надёжность и долговечность, малая массаи миниатюрность СЭ, генерирование энергии без загрязнения окружающей среды;осн. недостаток - высокая стоимость. Применяются на космич. летат. аппаратах, <где они занимают доминирующее положение среди др. источников автономногоэнергопитания. В земных условиях С. б. используют для питания устройствавтоматики, переносных радиостанций, разл. приёмников, для катодной антикоррозионнойзащиты нефте- и газопроводов и др.

Лит.: Васильев А. М., Ландсман А. П., Полупроводниковые фотопреобразователи, <М., 1971; Алферов Ж. И., Андреев В. М., Перспективы фотоэлектрическогометода преобразования солнечной энергии, Черноголовка, 1981; Каган М. Б.,Гетерогенные, каскадные и комбинированные фотопреобразователи на основеарсенида галлия, в кн.: Фотоприемники и фотопреобразователи, Л., 1986;К о л т у н М. М., Солнечные элементы, М., 1987. В. М. Андреев.