|
| |
|
Слаботочка Книги ..логии, высоким кпд и существенно лучшей, чем у других пленочных элементов, стабильяостьк>. 4. Пленочные сульфидкадмиевые элементы. Это направление, столь же «старое», как и кремниевое монокристаллическое, отличается простотой техно-.логии и низкой стоимостью применяемых материалов. Обычно используется .одна из двух технологий: толстопленочная - химическое осаждение вещества .на стеклянную подложку ил-и тонкоплепочная - вакуумное испарение или катодное распыление осаждаемых материалов. Кроме стеклянных могут использо-.ваться и различные другие подложки, включая гибкие полимерные ленты и по-..лотна. Выпрямляющие контакты пленочных элементов обычно реализуются в .виде гетероструктур или барьеров Шотки. «Классическим» материалом пленочных фотопреобразователей является сульфид кадмия, хорошо изученный и освоенный, однако, КПД CdS-элементов не превышает единиц процентов. Стремление к повышению КПД и достижению высокой стабильности свойств стимулирует поиски новых фоточувствительных материалов (часть из них представлена на рис. 6.25). Ситуация с пленочными элементами аналогична той, которая имеет место в тонкопленочных индикаторах, - та же технологическая простота, возможность создания больших рабочих площадей, широкий выбор материалов и активных структур и та же, к сожалению, нестабильность свойств. Если развитие тонкопленочных индикаторов, приведшее к созданию в последние годы эффективных долговечных образцов, повторится для пленочных ..фотопреобразователей, то это может привести к существенным изменениям в гелиотехнике. 5. Фотопреобразователи с повышенным КПД. Теоретически предельные значения КПД, представленные на рис. 6.25, реально не являются предельными, если рассматривать проблему так, чтобы в каждом узком участке спектра солнечного излучения фотоэлектрическое преобразование осуществлялось наиболее эффективным образом. Именно этот принцип и положен в основу устройства ряда приборов с повышенным КПД. Исторически первыми в этом ряду явля-;Ются каскадные фотопреобразователи. В простейшем случае такой прибор со-.стоит из двух фотоэлементов, расположенных друг за другом, для которых Egi>Eg2. В первом элементе поглощаются и преобразуются только коротковолновые кванты, во втором-прошедшие без поглощения через первый длинноволновые. При этом, конечно, важно обеспечить прозрачность всех конструктивных элементов, в первую очередь токосъемных электродов. Общий КПД такого .сандвнч-элемента может быть близок к сумме КПД его составляющих; экспериментально в ком.бинации Si-GaAs достигнут КПД более сО%. В другой разновидности каскадной конструкции элементы с различными Eg расположены рядом, а солнечное .излучение расщепляется на два потока с помощью дихроничес-;кого зеркала. Подобный же принцип, но на более совершенной технологической основе используется в гетероструктурах с варизонной базой: здесь на входе создается .широкозонное окно, а база имеет переменное по глубине значение Eg (благодаря плавному изменению состава), уменьшающееся по мере углубления. Изготов-..лены и ступенчатые многослойные гетероструктуры, повторяющие расположение элементов в дискретных каскадных фотопреобразователях. Очень высокие значения КПД (66%) получены в элементах с переходом .жидкость - Полупроводник: здесь коротковолновые кванты эффективно ионизи-руют специальные примеси в жидкости, а остальная часть спектра излучения поглощается в полупроводнике. Фотопреобразователи с повышенным КПД, как правило, очень сложны и дороги, однако их появление н развитие свидетельствует о больших потенциальных возможностях этого направления. Теоретические-оценки показывают, что в оптимально сконструированной полупроводниковой структуре при достаточно высоких интенсивностях засветки КПД преобразования солнечной энергии может превысить 50% и приблизиться к 90%. В заключение отметим, что прогресс фотоэлектрических полулроводн-иковых солнечных преобразователей определяющим образом влияет -на роль гелиотехники в жизни общества. Если принять во внимание, что КПД преобразования в цикле «растительный фотосинтез - органическое топливо - тепловая маш-и-на - электрический генератор» составляет лишь 0,00! "/о, то привлекательность солнечных батарей становится очевидной. Именно этим обусловлено уже достаточно широкое их использование и выдвижение новых проектов развития фотоэлектрической гелиоэнергетики, например создание грандиозных космических электростанций, представляющих собой многокилометровые «поля» полупроводниковых фотопреобразователей. Однако, решающее слово в ответе на вопрос, займут ли солнечные элементы достойное место под Солнцем, остается за технологическим совершенствованием этих приборов. Глава 7 ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ Оптоэлектронный прибор в широком смысле слова определяется как прибор, использующий оптическое излучение для своей работы; формами этого использования могут быть генерация, детектирование, преобразование, передача. Однако практически этим термином обобщаются приборы и устройства, содержащие излучатели и приемники, взаимодействующие друг с другом. Приборы же, в которых выполняется лишь один вид ире-образования, - излучатели, индикаторы, фотонриемники, модуляторы и другие - чаще рассматривают отдельно как элементы оптоэлектронных приборов и систем. Эта распространенная методика использована в настоящей главе. Оптоэлектронные приборы могут существенно различаться по виду связей между излучателями и приемниками, наличию (или отсутствию) других видов преобразований оптических сигналов в приборе, конструктивно-технологическим способам реализации, функциональному назначению, поэтому какого-то единого принципа их классификации нет Объединение различных приборов в общие группы проводится так, как это сложилось исторически. 7.1. ОПТОПАРЫ Основные понятия. Оптопарой называют оптоэлектронный прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель и фотоприемник, взаимодействующие друг с другом оптически и электрически. Связи между компонентами оптопары могут быть прямыми или обратными, положительными или отри-а1ательными, одна из связей (электрическая или оптическая) может отсутствовать. В состав единого прибора вместе о оптопарой или несколькими оптопарами могут входить еще и дополнительные микроэлектронные или оптические элементы. И конструктивно, и функционально такие приборы существенно отличаются от элементарной оптопары, поэтому в литературе принято использовать для их названия термин оптрон, при этом имеется в виду оптоэлектронный прибор .любого произвольного вида с внутренними оптическими связями. Основные функциональные разновидности этих приборов представлены на рис. 7.1. Оптопара с прямой оптической и оборванной электрической связью (рис. 7.1,а) используется как элемент развязки, она получила очень широкое распространение, и о ней пойдет речь ниже. Оптрон с прямой элек-ри"еской и оборванной оптической связью (рис. 7.1,6), т. е. оптрон с оптическими входом и выходом, представляет собой преобразователь световых сигналов: это может быть простое усиление (ослабление) интенсивно-,сти света, преобразование спектра или направления поляризации, преобразование некогерентного излучения в когерентное и т. п. Если в таком оптроне фотоприемник и излучатель многоэлемент-яые, то он может выполнять функцию преобразователя изображений. В оптроне с электрической и оптической связями (рис. 7.1,е) при определенных условиях может осуществляться частичная или полная регенерация (восстановление) входного сигнала за счет энергии обратной связи, в силу чего на вольт-амперной характеристике появляется падающий участок или несколько участков - такой прибор получил название регенеративного оп-трона. В регенеративном оптроне могут реализоваться любые комбинации видов входных и выходных сигналов (электрических или оптических). £ход I Вход. Выход Вход Выход Вход Выход it Выход Рис. 7.1. Электрические и оптические связи в оптронах: «г - оптопара для электрической развязки; б оптрон с оптическим входом и выходом; е - регенеративный оптрон (Я - излучатель; ФП - фотоприемник; УС - электронное устройство связи, включающее схемы питания И и ФП) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 [71] 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 |