[Полупроводники ]

Введение

Освоение  космического  пространства  привело  к  быст­рому  развитию  ряда  совершенно  новых  научно-техни­ческих направлений. Одним  из таких направлений оказа­лась  фотоэлектрическая  энергетика. Солнечные батареи, установленные  впервые  в  1958  г.  на  советском  спутнике «Спутник-3» и американском спутнике «Авангард», вплоть  до  настоящего  времени  являются незаменимыми первичными источниками электроэнергии  в  космическом пространстве.  Несомненно,  что  именно  это  применение обусловило  быстрый  научный  и  технический  прогресс в  фотоэнергетике.  Следует  все  же  иметь  в  виду,  что фо­тоэлектрический способ получения электроэнергии  может использоваться  и  в  других  условиях. 

    В  настоящее  время  около  96%  электроэнергии  полу­чается  от  электростанций,  работающих  на  ископаемом топливе,  и  около  4% — от  гидроэлектростанций. Исследования  показывают,  что  при  современном  ро­сте  потребления  электроэнергии  через  несколько  десяти­летий  может  сказаться  нехватка  топлива  [1]. Этим, от­части,  объясняется  большой интерес, проявляемый к двум другим,  практически  неограниченным  источникам  энер­гии,  а  именно  к энергии  ядерного синтеза  и  энергии  сол­нечного  излучения. 

    Если удастся получить  управляемую  самоподдерживающуюся  реакцию  ядерного синтеза,  то  это  кардиналь­ным  образом  решит  энергетическую  проблему.  Энергия, выделяющаяся  при  ядерном  синтезе, превращается  в тепловую,  а  затем  преобразуется  в  электрическую.  По­мимо  наиболее  распространенного  способа,  в  котором тепловая  энергия  сначала  превращается  в  механическую с помощью турбин, а затем механическая в электрическую с помощью генераторов, в последнее  время  много  внима­ния  уделяется  так  называемым  прямым  методам  пре­образования:  термоэлектрическому,  термоэмиссионному или  магнитогидродинамическому [1,  2].  Оказывается,  что фотоэлектрический  способ получения  электроэнергии,  ос­нованный  на  превращении  света  в  электрический  ток  с помощью  фотоэлементов,  тоже  может  быть использован для  «прямого»  преобразования  тепловой  энергии  в  элек­трическую.  С  этой  целью  тепловое  излучение  нагретого до  высокой  температуры  тела  (излучателя)  направляет­ся  на  фотоэлементы,  а они  преобразуют  его  в  электри­ческий  ток.  Как  будет  показано,  эти  устройства  могут конкурировать  по  к. п. д.  с  термоэлектрическими  и  тер­моэмиссионными  преобразователями. 

    Другим  неограниченным источником  энергии  являет­ся  энергия  солнечного  излучения.  Подсчеты  показывают,  что  если  собирать  ее  только  с  0,1% поверхности  Земли и  использовать с  к. п. д.,  равным  5%,  то  можно  получить электроэнергии  в  сорок  раз  больше,  чем  ее  вырабатыва­ется  в  настоящее  время.  Основной  недостаток  этого  спо­соба  связан  с относительно низкой  плотностью  солнечной энергии.  Для  получения значительных  мощностей  долж­ны быть  использованы  очень  большие площади,  что  приводит  к  высокой  стоимости  энергетических  установок,  использующих  солнечное  излучение.  В  наземных  услови­ях значительные  неудобства  заключаются  в  том,  что  ос­вещенность  меняется  от  времени  суток  и  погоды.  С  этой точки  зрения  более  благоприятны  условия  для  работы солнечных  электростанций  в околоземном  космическом пространстве. 

    Данные  о  мощности  солнечной  радиации  и  ее  распре­делении  по  длинам  волн,  т.  е.  о  спектральном  составе радиации, представляют  большой  интерес для лиц, зани­мающихся  фотоэнергетикой.  Имеется несколько  моногра­фий  [3,  4],  в  которых  обобщены  относящиеся  к  этой  об­ласти  исследования,  но  поскольку  интенсивность солнечной  радиации  зависит от таких причин, как облач­ность,  прозрачность  атмосферы,  ее  влажность, то исполь­зование  этих  данных  в  конкретных  расчетах  затруднено. 

    Наиболее  определенными  являются  сведения  о  мощ­ности  и  спектральном  составе солнечной  радиации  за атмосферой. Эти данные необходимы при проектировании космических  источников  электроэнергии.  На  рис.  1  при­ведена  зависимость  спектральной  интенсивности солнеч­ного излучения Gc(λ),  измеренной  в  вт/см2.мкм  от  дли­ны волны  λ,  измеренной  в  микронах.  Эти  же  данные,  полученные  Джонсоном  [5],  для  удобства  приводятся  и  в табл.  1.  Мощность  солнечного  излучения  в  малом интер­вале  длин  волн  от  λ  до  λ+dλ,  приходящегося  на  пло­щадку  в  1  см2,  нормальную  к  направлению  солнечных лучей,  определяется  формулой

dWc = Gc(λ)dλ.  (1.1)

 

λ, мкм Gc(λ),
вт/см2.мкм		 ΔW, % λ, мкм Gc(λ),
вт/см2.мкм		 ΔW, %
0.22 0,0030 0.02 0.455 0.219 16.7
0.225 0,0042 0.03 0.46 0.216 17.5
0.23 0,0052 0.05 0.465 0.215 18.2
0.235 0,0054 0.07 0.47 0.217 19.0
0.24 0,0058 0.09 0.475 0.220 19.8
0.245 0,0064 0.11 0.48 0.216 20.6
0.25 0,0064 0.13 0.485 0.203 21.3
0.255 0,010 0.16 0.49 0.199 22.0
0.26 0,013 0.20 0.495 0.204 22.8
0.265 0,020 0.27 0.50 0.198 23.5
0.27 0.025 0.34 0.505 0.197 24.2
0.275 0.022 0.43 0.51 0.196 24.9
0.28 0.024 0.51 0.515 0.189 25.6
0.285 0.034 0.62 0.52 0.187 26.3
0.29 0.052 0.77 0.525 0.192 26.9
0.295 0.063 0.98 0.53 0.195 27.6
0.30 0.061 1.23 0.535 0.197 28.3
0.305 0.067 1.43 0.54 0.198 29.0
0.31 0.076 1.69 0.545 0.198 29.8
0.315 0.082 1.97 0.55 0.196 30.5
0.32 0.085 2.26 0.555 0.192 31.2
0.325 0.102 2.60 0.56 0.190 31.8
0.33 0.115 3.02 0.565 0.189 32.5
0.335 0.111 3.40 0.57 0.187 33.2
0.34 0.111 3.80 0.575 0.187 33.9
0.345 0.117 4.21 0.58 0.187 34.5
0.35 0.118 4.63 0.585 0.185 35.2
0.355 0.116 5.04 0.59 0.184 35.9
0.36 0.116 5.47 0.595 0.183 36.5
0.365 0.129 5.89 0.60 0.181 37.2
0.37 0.133 6.36 0.61 0.177 38.4
0.375 0.132 6.84 0.62 0.174 39.7
0.38 0.123 7.29 0.63 0.170 40.9
0.385 0.115 7.72 0.64 0.166 42.1
0.39 0.112 8.13 0.65 0.162 43.3
0.395 0.120 8.54 0.66 0.159 44.5
0.40 0.154 9.03 0.67 0.155 45.6
0.405 0.188 9.65 0.68 0.151 46.7
0.41 0.194 10.3 0.69 0.148 47.8
0.415 0.192 11.0 0.70 0.144 48.8
0.42 0.192 11.7 0.71 0.141 49.8
0.425 0.189 12.4 0.72 0.137 50.8
0.43 0.178 13.0 0.73 0.134 51.8
0.435 0.182 13.7 0.74 0.30 52.7
0.44 0.203 14.4 0.75 0.127 53.7
0.445 0.215 15.1 0.80 0.1127 57.9
0.45 0.220 15.9 0.85 0.1003 61.7
0.90 0.0895 65.1 3.1 0.00230 98.08
0.95 0.0803 68.1 3.2 0.00214 98.24
1.0 0.0725 70.9 3.3 0.00191 98.39
1.1 0.0606 75.7 3.4 0.00171 98.52
1.2 0.0501 79.6 3.5 0.00153 98.63
1.3 0.0406 82.9 3.6 0.00139 98.74
1.4 0.0328 85.5 3.7 0.00125 98.83
1.5 0.0267 87.6 3.8 0.00114 98.91
1.6 0.0220 89.4 3.9 0.00103 98.99
1.7 0.0182 90.83 4.0 0.00095 99.05
1.8 0.0152 92.03 4.1 0.00087 99.13
1.9 0.01274 93.02 4.2 0.00073 99.18
2.0 0.01079 93.87 4.3 0.00073 99.23
2.1 0.00917 94.58 4.4 0.00067 99.23
2.2 0.00785 95.20 4.5 0.00061 99.33
2.3 0.00676 95.71 4.6 0.00056 99.38
2.4 0.00585 96.18 4.7 0.00051 99.41
2.5 0.00509 96.57 4.8 0.00048 99.45
2.6 0.00445 96.90 4.9 0.00044 99.48
2.7 0.00390 97.21 5.0 0.00042 99.51
2.8 0.00343 97.47 6.0 0.00021 99.74
2.9 0.00303 97.72 7.0 0.00012 99.86
3.0 0.00268 97.90      

ΔW - доля мощности  в солнечном  излучении,  соответствующая  длинам  волн меньшим λ.

    В  ряде работ, посвященных установкам, основанным на превращении солнечной  энергии  в  тепловую  и  на  дальнейшем превращении тепла  в электричество [16], показано,  что  экономически они тоже  себя  не  оправдывают  и имеют к. п. д.,  как  правило,  ниже,  чем  солнечные  бата­реи.
    Таким  образом, хотя использование солнечной  энер­гии  для получения электрического  тока  очень  заманчиво, но  пока  не  найдены  технические  решения,  которые  ока­зались бы экономически  целесообразными для получения больших  количеств  энергии.  Вместе  с  тем,  фотоэлектри­ческий  метод  уже  сейчас  может  быть  использован  для электропитания  радиоаппаратуры  и  устройств  автомати­ки  в  тех  случаях,  когда  эта  аппаратура  должна  рабо­тать длительное  время  в  районах,  удаленных  от  сетей энергоснабжения.  Быстрое  развитие  фотоэнергетики  в связи  с  космическими  задачами  может  в  недалеком  бу­дущем  привести к тому, что  использование солнечной ра­диации  в земных  условиях  для  решения  энергетиче­ских  задач  станет  технически  и  экономически  обосно­ванным.