Наибольшим КПД преобразования солнечной энергии в элек­трическую ц обладает полупроводниковый фотоэлемент с р—п — переходом. В 1975—1976 гг. были получены кремниевые фото­элементы с т| — 18 — г — 19% [49] и гетерофотоэлементы на основе системы твердый раствор алюминия в GaAs—GaAs с г| ж 22% [14] в наземных условиях.

Селективные оптические покрытия играют важную роль в этих преобразователях солнечной энергии. С помощью покрытий удается решить целый ряд задач: повысить КПД за счет снижения отра­жения от рабочей поверхности, защитить от воздействия кор­пускулярного облучения и резко уменьшить рабочую темпе­ратуру, что особенно важно в связи с тем, что КПД полупровод­никовых фотоэлементов сильно уменьшается с увеличением их температуры [10]. Например, при 160—180° С у кремниевых фотоэлементов практически ц = 0. Очевидно, что задача темпе­ратурной стабилизации кремниевых фотоэлементов на возможно более низком уровне приобретает чрезвычайно большое значение, особенно при их интенсивном освещении, использовании концент­раторов солнечной энергии и работе в космосе. Необходимо от­метить, что возможность отдачи тепла теплопроводностью и кон­векцией определяется в основном конструктивными особенностями фотоэлектрогенератора и лишь радиационная составляющая за­висит от оптических характеристик поверхности. Поскольку ра­диационные потери в тепловом балансе фотоэлектрогенератора составляют большую долю (наземные условия), а в ряде случаев полностью определяют его (космос), оценка равновесной рабочей тем­пературы может быть проведена лишь с учетом радиационного теплообмена.

Без учета теплопроводности и конвекции равновесная рабочая температура кремниевых фотоэлементов будет опреде­ляться следующим радиационным балансом: поглощенная сол­нечная энергия (исключая энергию, преобразованную в электри­ческую) равна вновь излученной энергии.

Сделаем допущения: 1) фотоэлементы из кремния смонтиро­ваны на плоской панели, которая ориентирована перпендикуляр­но к Солнцу; 2) фотоэлементы термически изолированы от основ­ной конструкции; 3) излучение исходит только от Солнца.

Тогда условие радиационного равновесия запишется в виде

оо ОС

SacP 5 а(Я, Т) р (X) dk I jj р (к) dk —

О ‘ о

оо сс

— rSacP J а (X, Т) p(k)dk / І р (к) dk =

О ‘ о

оо оо

= SEoTl $ s (X, Т) р {к, T)dk I $ р (X, Т) dk,

где Sac — площадь поверхности фотоэлементов, поглощающей солнечное излучение; SE — площадь излучающей поверхности фотоэлементов; а (к, Т) — спектральный коэффициент поглоще­ния излучения при температуре Г, К; р (к) — спектральная ин­тенсивность солнечной радиации; Р — солнечная постоянная, составляющая для внеатмосферных условий около Земли 1360 Вт/м2; е(Х,7’)—спектральный коэффициент излучения фотоэлементов при температуре Т; р (X, Т) — спектральная интенсивность излучения черного тела при температуре Т; в — постоянная Стефана — Больцмана (5,67• 10-8 Вт-м~2-К_4).

Обозначив интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения поверхностью фотоэлементов ас и интегральный коэф­фициент собственного излучения фотоэлементов е, получим для равновесной температуры

(2.1)

Из равенства (2.1) следует, что для получения низкой равновес­ной температуры кремниевых фотоэлементов необходимо стре­миться к снижению ас и SajSE и увеличению е. Из равенства (2.1) можно сделать вывод, что если излучает тепло не только освещаемая поверхность фотоэлементов, но и неосвещенная (тыль­ная), не поглощающая солнечную радиацию, то в силу уменьше­ния отношения SaJSE равновесная температура снизится. Заме­тим, что поглощение происходит в спектральном интервале 0,2— — 3 мкм (спектр основной части энергии солнечного излучения), а тепловое излучение при 25° С — в области 3—33 мкм с мак­симумом около 10 мкм (спектр излучения черного тела при 25° С). Поскольку поглощение солнечного света и излучение кремниевых фотоэлементов происходят в разных областях спектрального диа­пазона, то теоретически возможно влиять на каждый из коэф­фициентов ас и е, изменяя тепловой баланс в желаемом направ­лении.

Практически мы не можем уменьшить поглощение в области 0,4 —1,1 мкм, так как это рабочий интервал спектра солнечных батарей из кремния. Большая часть энергии солнечного спектра (65—67%) лежит именно в этом интервале, и снижение ас воз­можно лишь за счет отражения энергии (33—35%), которая заключена в спектральных областях 0,2—0,4 мкм и 1,1—3 мкм. Поэтому даже в оптимальном случае полного отражения от по­верхности кремния солнечной радиации этих участков спектра

——————————————————————————- —

ш———

за —

00 —

40 —

РИС.2.1. Спектральное распределе­ние коэффициента отражения от по — 40 — верхности фотоэлементов при идеаль­ном охлаждающем покрытии 0 __ і___ і ■ ‘ ■…………….. …..

Ofi 1,0 3,0 3,0 7,0 3,0

Л, мкм

величину ас можно снизить лишь до значений в пределах 0,65— 0,67.

Для теплового излучения подобного ограничения не сущест­вует, и теоретически возможно увеличение є до значений 0,95-1,0.

Согласно закону Кирхгофа излучение тела равно его погло­щательной способности в этой же части спектра. Коэффициенты поглощения А, отражения R и пропускания Т в одном и том же участке спектра связаны следующим образом: А + R + Т = 1. Высокое поглощение и, следовательно, большое значение коэф­фициента излучения требуют, чтобы R — j — Т = 0. Коэффициент пропускания Т кремниевых фотоэлементов со сплошным тыльным контактом практически равен нулю в области 3—33 мкм. Это создает удобство в экспериментальном отношении. Измерив спек­тральный коэффициент отражения, можно судить о поглощении в этом спектральном интервале и, следовательно, об излучении фотоэлементов при той же температуре. Чем меньше отраже­ние от поверхности фотоэлементов в интервале 3—33 мкм, тем больше поглощение и излучение в этой же части спектра и тем ниже будет равновесная температура поверхности, как это сле­дует из равенства (2.1).

Спектральное распределение коэффициента отражения по­верхности фотоэлементов при идеальном охлаждающем покрытии

(рис. 2.1) будет иметь сложный характер (для большей нагляд­ности участок спектра 0,2—1 мкм дан в увеличенном масштабе).

Для максимального снижения равновесной рабочей темпера­туры с целью увеличения КПД преобразования бесполезное для получения электроэнергии солнечное излучение в интервалах 0,2—0,4 мкм и 1,1—3 мкм (нефотоактивное для кремниевого фотоэлемента) должно быть полностью отражено при одновре­менном оптимальном просветлении поверхности в области спек­тральной чувствительности фотоэлементов (0,4 —1,1 мкм); в об­ласти собственного теплового излучения (3 —33 мкм) поверхность должна быть поглощающей.

Рассмотрим сначала вопросы, связанные с созданием про­светляющих покрытий.

2.1.