Рабочие характеристики и параметры.

Эксплуатационные характеристики ФЭ и их батарей – ФЭП – в неявном виде описывают функцией F(U_н, I, Ф, T)=0. Конкретизируем отдельные зависимости в явной форме. Если решить I=I_и-I₀[exp(αU/A-1] относительно U, можно получить выражение внешней характеристики ФЭ по рис. 2. С учетом влияния R_в находим: U_н=U-IR_в=A/α*ln[(I_ф-I)/I₀+1]-IR_в.

При холостом ходеI=0, кроме того, I_ф/I₀»1, поэтому ЭДС U₀=U≈(A/α)ln(I_ф/I₀) возрастает логарифмически с ростом тока I_ф, который линейно зависит от Ф. Характеристика холостого хода U₀=U₀(Ф) при I=0, T=const представлена на рис. 3.плотность тока, доля I_ф на единицу площади лицевой поверхности ФЭ). Нагрузочная характеристика U_н=U_н(Ф) при I=const также показана на рис. 3.

Характеристика «вход-выход» ФЭ I=I(Ф) при R_н=const имеет аналог (рис. 3) I_уд=I_уд(Ф) при R_н=const(I_уд=I/q). Зависимость Ф=Ф(I) при U_н=const, снимаемую для диапазона I_доп<I_ф (рис. 4), назовем регулировочной характеристикой. Варьирование Ф при солнечном освещении достигается изменением угла θ между направлением Ф и плоскостью q.

Графики U_н=U_н(I) при различных значениях Т и Ф=const (рис 5) и U_н=U_н(I_уд) при различных значениях Ф и Т=const (рис. 6) демонстрируют влияние параметров Т и Ф на внешние характеристики кремниевого ФЭ. Фототок I_ф мало зависит от Т, частичное снижение U обусловлено ростом неупорядоченности движения зарядов при увеличении Т. Ток насыщения I₀ возрастает с повышением Т (тепловая радиация), поэтому U₀ и U уменьшаются. Температурный коэффициент напряжения k_u=dU/dT≈-1.5·10^-3 В/К отрицателен. Принципиально в ФЭП могут иметь место термоэлектрические эффекты, но количественно они пренебрежимо малы.

Полезная электрическая мощность ФЭ составляет P=U_нI=UI-I²R_в. КПД преобразования световой мощности P_c в Р равен η=P/P_c=(UI-I²R_в)/qФ=U_нI/qФ. Если Ф=const, максимум η=η_m получается при наибольшей величине P=P_m=U_mI_m, измеряемой площадью 0U_mmI_m (см. рис. 7). Сопротивление R_нm=U_m/I_m определяет угол β_m=arctg(R_нmm_I/m_U) наклона ВАХ U_н=IR_нm, причем m_I, m_U – масштабы I и U на осях рис. 7. Согласование характеристик ФЭ и нагрузки с целью получения наибольших энергетических показателей P_m и η_m можно производить на основе опыта или расчетным путем.

Например, для ФЭ с током КЗ I_ф=30мА, током насыщения I₀=1.5мкА мощность составит P_m=U_mI_m=10.7мВт. Для Ф=10³ Вт/м² и q=1 см²=10^-4 м² наибольший КПД η_m=P_m/(qФ)=0.107, а наибольшая удельная мощность P_m=P_m/q=107 Вт/м². На КПД ФЭ и ФЭП существенно влияет спектральный состав света. Спектр света Солнца зависит и от температуры Т ФЭП. Всегда η<η_{Т (}η_Т=1-(T₂/T₁) – термический КПД цикла Карно). Примем температура наружной поверхности Солнца Т_с≈5800 К. Эквивалентная температура абсолютно черного излучателя, с рабочей частью солнечного излучения, составляет Т_ф≈1000 К (предполагается, что вся остальная часть спектра абсолютно черного тела отражается обратно к излучателю). Следовательно, при Т₁=Т_ф и нормальной температуре ФЭП Т₂=Т=300 К η_Т=1-(Т/Т_Ф)=0.7. Практически для ФЭП η<0.4. Известно также, что длительное радиационное облучение на КЛА приводит к старению материала ФЭ, возрастанию крутизны спада внешних характеристик и ухудшению КПД ФЭП.