ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ НЕТРАДИЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ТЕРМОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

По назначению термофотоэлектрические преобразователи аналогичны фотоэлектрическим преобразователям, они преобразуют энергию фотонов в тепло. Фундаментальное их отличие от СЭ в том, что преобразуемое излучение приходит не от солнца, а от разогретого солнечным излучением горячего эмиттера. Предельный кпд термофотоэлектрических преобразователей, согласно расчетам, может превосходить 30% при концентрации солнечного излучения >10,000. Спектральный диапазон теплового излучения разогретого эмиттера по сравнению со спектром солнечного излучения сдвинут в длинноволновую область. Следовательно, ширина запрещенной зоны, используемых в этих преобразователях, полупроводниковых материалов должна быть меньше, чем в традиционных СЭ. Левый рисунок демонстрирует возможное устройство солнечного термофотоэлектрического преобразователя (ФТИ им. Иоффе РАН). Типичное значение температуры эмиттера в этом преобразователе находится в диапазоне от 1,000 до 2,000°C.
     Эффективность фототермоэлектрической системы в значительной степени зависит от качества фильтрации излучения с энергиями фотонов меньшими ширины запрещенной зоны. Фильтрация должна предотвратить нагрев этими фотонами любой части системы кроме эмиттера. Фильтрующий элемент может быть как внешним, так и встроенным в систему преобразования. Эффективность преобразования, в первом приближении определяется четырьмя основными факторами:: η=ηистηспектрηдиодηмех, гдеηист - эффективность преобразования энергии источника (солнце, ядерное излучение и пр.) в тепловую радиацию эмиттера ηспектр - совокупная эффективность эмиттера и фильтра, характеризующая отношение энергии переносимой фотонами с hν>Eg к энергии всех излучаемых эмиттером фотонов , ηдиод - эффективность фотоэлектрического преобразования фотонов с hν>Eg , ηмех - эффективность, учитывающая энергетические потери на системы прокачки охладителя
     Термофотоэлектрические преобразователи впервые появились в 1950х годах. Основное внимание работ, выполненных в последующие годы, было сосредоточено на разработке фотопреобразовательного элемента и управлении спектром излучения. Большинство фотопреобразовательных диодов было изготовлено на основе соединений сурьмы (группа AIII-BV) c шириной запрещенной зоны в диапазоне0.4–0.7 эВ. В качестве примера можно указать на диоды на основе GaSb, которые так же используются в эффективных тандемных СЭ. Так же ведутся интенсивные исследования по использованию тонкопленочных диодов на основе InGaAsSb. Для повышения эффективности преобразования используются так же гетероструктуры. В 2003 году появилось сообщение о создании диода с кпд 27% при совокупной эффективности преобразования диод-излучатель 20% (Brown и др.). Интенсивные работы ведутся в области управления спектром. В фильтрах используются керамики легированные редкими землями и переходными металлами. Высокотемпературный режим работы преобразователя может оказывать значительное влияние на стабильность применяемых в нем материалов. В 2002 г. на основе GaSb была создана термофотоэлектрическая система мощностью 1.5 кВт для наземного применения. Её эффективность преобразования составила 15 % и стоимость составила $4,200. Если удастся удвоить эффективность преобразования, то стоимость таких установок может снизиться до $1/Вт.
РАБОТА НАД ТЕМОЙ
Next