3. Физические основы процессов преобразования солнечной энергии

3.1. Интенсивность солнечного излучения

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реак-

_{ция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромаг-}

_{нитного излучения в диапазоне длин волн}

_{  0,2  3 мкм. При прохождении}

через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном за счет поглощения

инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озо- ном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе час- тицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы

на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего

до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ).

При нулевой воздушной массе АМ0 у верхней границы атмосферы интен-

₂

сивность излучения равна

^E_C ^{ 1360}

Вт/м . Величина АМ1 соответствует

прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уров-

ня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любо-

_{го уровня земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле}

_{AM ( x) } ^x

^x₀

1

sin 

, (3.1.1)

где x – атмосферное давление, Па;

₅

^x₀ ^{– нормальное атмосферное давление (1,013·10}

Па);

 – угол высоты Солнца над горизонтом.

Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ1,5

(  41^o 49^ ). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной

₂

^{плотности солнечного излучения E}_C

 835 Вт/м . Это необходимо для обес-

печении сравнимости результатов исследований различных солнечных эле-

ментов. На рис. 3.1.1 приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ0) и наземного стандартизованного (АМ1,5) солнечно-

го излучения при перпендикулярном падении лучей на приемную площадку.

Рис. 3.1.1. Спектральное распределение потока фотонов солнечного излуче-

ния: 1– внеатмосферное излучение (АМ0); 2 – наземное стандартизованное излучение (АМ1,5); 3 – спектр излучения абсолютно черного тела при

^T_C ^{ 5800}

К. На вставке заштрихована доля полезно используемых фотонов.

Энергия фотонов, эВ, в излучении с длиной волны  определяется из

_{соотношения}

_{hv  h} ^c



_ ^1,24 _{, (3.1.2)}



где h – постоянная Планка, 6,626196(50)·10^-34 Дж·с;

c – скорость света, 2,9979250(10)·10⁸ м/с;

 – длина волны, мкм.

Электронвольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы пере-

местить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ =

1,6·10^-19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться

в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны (характери-

_{зуется отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных}

^{материалов) E} _g

_{ } ^1,24 _{. (3.1.3)}

^г _E

g

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразова- ния.