Солнечные элементы

Методика измерения КПД

Для определения КПД солнечных элементов и батарей необходимо (так же как в случае любых других преобразователей излучения) измерить количество энергии излучения, поступающей на солнечный элемент, и количество электроэнергии, выработанной им. Проблема, однако, осложняется несколькими обстоятельствами: энергия поступает к элементу в форме солнечного излучения, спектральный состав и мощность которого продолжают уточняться даже для внеатмосферных условий, а характеристики наземного солнечного излучения чрезвычайно сильно зависят от состояния атмосферы и часто изменяются в течение весьма непродолжительных периодов времени;

создание имитаторов Солнца, копирующих по всем основным параметрам внеатмосферное или выбранное в качестве стандарта наземное солнечное излучение, представляет собой пока не решенную полностью научно-техническую задачу;

при разработке стабильных эталонных солнечных элементов для настройки имитаторов Солнца следует учитывать особенности оптических и электрофизических свойств каждого типа элементов, в частности их спектральной чувствительности;

при измерении выходных электрических параметров элементов и батарей необходимо иметь в виду сильное влияние последовательного сопротивления элементов и сопротивления измерительных приборов на получаемые значения.

Таким образом, определение КПД солнечных элементов и батарей представляет собой сложную комплексную проблему, и это выделило метрологию полупроводниковых преобразователей солнечного излучения в самостоятельной раздел исследований по фотоэлектричеству.

Основной параметр солнечных элементов и батареи — световая нагрузочная вольт-амперная характеристика — позволяет определить генерируемую электрическую мощность по произведению I_optU_oht, оценить полноту использования потенциала запрещенной зоны по напряжению холостого хода; получить представление об уровне оптических и фотоэлектрических потерь по току короткого замыкания и коэффициенту заполнения вольт-амперной характеристики; рассчитать КПД преобразования солнечной энергии в электрическую по отношению мощности, генерируемой элементами и батареями, к мощности падающего солнечного излучения, которую можно измерить с помощью отградуированного эталонного солнечного элемента. Градуировка эталонного элемента заключается в определении абсолютного значения тока его короткого замыкания, например путем пересчета измерений абсолютной спектральной чувствительности на стандартный внеатмосферный или наземный солнечный спектр.

Качество солнечных элементов и батарей, количество дефектных элементов в батарее могут быть оценены также косвенными методами — по измерению прямой и обратной ветвей темновой вольт-амперной характеристики; по интегральному коэффициенту поглощения солнечного излучения поверхностью батареи, рассчитываемому исходя из результатов измерений спектральных коэффициентов отражения; по интегральному коэффициенту собственного теплового излучения поверхности батарей, различному у дефектных и высококачественных элементов; по яркости электролюминесценции (у солнечных элементов на основе арсенида галлия).

Измерения параметров солнечных элементов и батарей могут быть выполнены в лабораторных, натурных наземных и космических условиях по указанным выше методикам.

Рассмотрим ряд научно-технических вопросов, связанных с проблемой контроля качества, определения параметров солнечных элементов и батарей из различных полупроводниковых материалов и разнообразного практического применения, погрешностей измерения и прогнозирования характеристик элементов в процессе эксплуатации.

Имитаторы солнечного излучения

Имитаторы Солнца используются в различных областях науки и техники: при моделировании тепловых режимов космических аппаратов и испытании материалов на воздействие космических условий, в медицинских и биологических исследованиях, в растениеводстве, фотометрии, калориметрии, гелиотехнике. Известно множество разнообразных оптических схем и конструкций имитаторов Солнца, и среди них разработаны и успешно используются оригинальные имитаторы для измерения параметров солнечных элементов и батарей.

В идеальном случае имитаторы должны с наилучшим приближением воспроизводить все параметры солнечного излучения — параллельность лучей, стабильность во времени и равномерность освещения, спектральный состав, плотность потока. Однако такие приборы чрезвычайно сложны и дороги, параметры их светового потока все же отличаются от естественного солнечного, поэтому в зависимости от конкретного назначения создаются специализированные имитаторы. В установках, предназначенных для измерения характеристик солнечных элементов и батарей, меньше внимания уделяется достижению коллимации пучка для получения параллельности лучей, соответствующей солнечному потоку, и больше — созданию достаточно хорошего приближения к спектру излучения Солнца, обеспечению стабильности и однородности потока. Но и здесь подход может быть разным. В производстве при серийном изготовлении солнечных элементов применение имитаторов с точным воспроизведением спектра не всегда обязательно, особенно для относительных измерений, например, таких, как текущий контроль качества, сортировки элементов и их групп по электрическим параметрам, чтобы обеспечить малые потери на коммутацию после сборки батареи. Для этих целей можно подобрать имитатор с оптимальным соотношением между сложностью конструкции и точностью измерений.

Наиболее прост, удобен для использования в производственных условиях и стабилен имитатор, состоящий из вольфрамовых ламп накаливания с зеркальными или матовыми отражателями, соответствующий набор которых может обеспечить освещение солнечных элементов для батарей практически любой площади.

Значительная часть инфракрасного излучения ламп накаливания (вызывающего перегрев солнечных элементов при измерениях) может быть устранена с помощью установленных между лампами и элементами теплоотражающих фильтров из стеклянных пластин с прозрачными проводящими пленками на основе оксидов олова и индия или станнатов кадмия с поверхностным слоевым сопротивлением менее 50 Om∕□ (пленка должна находиться на стеклянной пластине со стороны лампы).

Еще большего уменьшения инфракрасной составляющей излучения ламп можно добиться введением теплопоглощающего фильтра, образуемого слоем воды толщиной 2–4 см. Для охлаждения самого водяного фильтра может быть использован внешний радиатор или проточная вода, а для удаления из перегретой воды пузырьков воздуха фильтр снабжается механическими щетками.

Подобные простые имитаторы с водяным фильтром могут быть использованы для экспрессного контроля качества солнечных элементов и их групп (размерами до 20×30 см) на всех стадиях процессов изготовления, а без водяного фильтра — для контроля качества солнечных батарей.

Спектр ламп накаливания, применяемых для контроля качества солнечных батарей большой площади, может быть значительно исправлен и приближен к солнечному нанесением на внутреннюю поверхность колбы лампы (как перед вольфрамовой нитью накала, так и сзади нее) многослойных интерференционных светофильтров. Колба лампы предохраняет светофильтры от неблагоприятного воздействия внешней окружающей среды (в частности, повышенной влажности), а последствий термического воздействия излучения вольфрама, приводящего к кристаллизации слоев многослойного светофильтра и последующему отслаиванию его от стекла, удается избежать, как показал в своих исследованиях А. С. Иванцев (Всесоюзный институт источников света, г. Саранск), если ввести между диэлектрическими слоями светофильтра и стеклом тонкую полупрозрачную пленку хрома, нанесенную при большой скорости конденсации в глубоком вакууме. Осаждение постепенно испаряющегося слоя вольфрама на стекло и светофильтры также можно предотвратить, используя лампу-фару с нанесенными на ее колбу светофильтрами, внутрь которой встроена малогабаритная, но достаточно мощная вольфрамовая лампа в кварцевой оболочке. Из таких ламп-фар может быть собран имитатор Солнца для измерения параметров солнечных батарей любой площади.

Для измерения параметров крупных солнечных батарей и групп солнечных элементов сейчас разработаны и уже используются имитаторы на импульсных ксеноновых лампах. Эти имитаторы не имеют оптики, и равномерность освещения на большой облучаемой площади (2×2 м и выше) достигается за счет значительного удаления измеряемой батареи от лампы. Для коррекции спектра применяется интерференционный или иногда водяной фильтр. Очень важно, чтобы имитатор был оснащен соответствующей измерительной аппаратурой, которая должна обеспечить за время одного импульса длительностью около 1 мс замер всех точек вольт-амперной характеристики. Подобные имитаторы создают на площади 2,5×2,5 м облученность с неравномерностью +2 %.

При измерениях на импульсных имитаторах солнечная батарея не успевает прогреться, и ее температура близка к комнатной.

В качестве стандарта при квалификационных испытаниях в различных странах использовались разные значения температуры солнечных батарей и элементов: 40, 28 и 25 °C. В США и Западной Европе за стандарт принята температура 28 °C. Такой выбор вряд ли можно назвать удачным, поскольку при работе солнечные элементы и батареи обычно разогреваются, и реальные внеатмосферные и наземные условия эксплуатации солнечных батарей точнее отражает температура 40 °C. В СССР и странах СЭВ измерения готовых батарей, как правило, проводятся именно при такой температуре.

При измерениях на импульсных имитаторах вычислительные устройства автоматически пересчитывают характеристики батарей к задаваемой рабочей температуре. Пересчет ведется по средним температурным коэффициентам, которые имеют заметный разброс. Импульсные имитаторы снабжают устройством для термостабилизации измеряемых батарей, температуру которых контролируют в момент измерений. Термостабилизирующее устройство может быть выполнено на основе, например, инфракрасных излучателей, устанавливаемых при измерениях с темновой стороны батарей.

Необходимо также кратко остановиться на сверхмощных ксеноновых лампах непрерывного горения, каждая из которых (при достаточно хорошей имитации спектра внеатмосферного солнечного излучения) может создать необходимую плотность потока излучения 1360 Вт/м² на поверхности солнечной батареи площадью в несколько десятков квадратных метров. Примером такого источника излучения может служить разработанная Всесоюзным научно-исследовательским светотехническим институтом металлическая ксеноновая лампа сверхвысокого давления мощностью 40 кВт. Лампа взрывобезопасна, снабжена двойным охлаждаемым водой кварцевым окном в металлическом корпусе, однако ввиду значительной неравномерности освещения по площади, достигающей ±20 % на краях облучаемой поверхности, такие лампы лучше использовать лишь в устройствах для исследования светового старения космической техники или приближенной оценки работоспособности солнечных батарей, а не при измерениях их фотоэлектрических параметров.

Для исследовательских целей и выборочных измерений выпускаемых и разрабатываемых солнечных элементов используют имитаторы с высоким качеством воспроизведения спектра и однородным потоком. Равномерное освещение получают за счет смешивания пучков лучей, которое может быть выполнено несколькими способами. В отечественном имитаторе C–I на лампе накаливания с цветовой температурой 3100 К равномерность облученности ±10 % на площади 20×30 мм получена наложением двух пучков излучения. Спектральная коррекция осуществляется с помощью цветных оптических стекол. C помощью светофильтров достигается достаточно хорошее воспроизведение спектра в интервале 0,4–1,1 мкм, однако при этом сами светофильтры поглощают значительную часть энергии излучения лампы накаливания, что требует почти десятикратного превышения исходного потока излучения над имитированным и интенсивного охлаждения светофильтров. При полном использовании энергии излучения лампы накаливания мощностью 750 Вт с помощью двухлучевой схемы и применении специальной системы охлаждения (светофильтры погружаются в прозрачный четыреххлористый углерод, охлаждаемый проточной водой) возникшие трудности удается преодолеть.

Постоянство спектра имитатора C–I контролируется с помощью «сине-красного отношения» — отношения токов короткого замыкания эталонного солнечного элемента при поочередном введении перед ним двух светофильтров, пропускающих излучение соответственно в сине-зеленой и инфракрасной областях спектра. Изменение уровня плотности потока излучения при постоянстве его спектрального состава обеспечивается диафрагмами переменного раскрытия и нейтральными или сетчатыми светофильтрами.

Для получения высокой равномерности освещения в точных имитаторах все чаще используется специальный смеситель — оптический интегратор, представляющий собой пакет линзовых элементов гексагонального сечения. На выходной торец пакета проецируется изображение тела накала ламп. Интегратор состоит из большого количества (до 19) отдельных проекционных систем, каждая из которых, формируя свой пучок, направляет его на всю рабочую зону, где пучки всех элементов смесителя накладываются друг на друга. В отличие от обычной системы проекции, когда неравномерность яркости тела накала воспроизводится на облучаемой поверхности, здесь первичное изображение дробится, и в результате происходит наложение множества световых пятен от каждого элемента смесителя. В итоге облученность в различных точках освещаемой поверхности отличается от среднего значения на ±2–3 %.

Параллельность лучей достигается в большинстве современных имитаторов за счет применения коллиматоров (как правило, параболоидных зеркал или линз Френеля), в фокусе которых размещается изображение тела накала источников излучения, которое, в свою очередь, создается концентраторами (чаще всего эллипсоидами с большим углом охвата). Угол деколлимации равен отношению половины диаметра пучка лучей в фокусе коллиматора к его фокусному расстоянию.

Источником излучения большинства зарубежных имитаторов служит ксеноновая лампа высокого давления. Спектр коррегируется интерференционными светофильтрами, позволяющими приблизить спектр лампы к спектру внеатмосферного Солнца.

Имитатор Спектросан Х-25 фирмы Спектролаб (США), созданный для измерений параметров солнечных элементов, дает пучок с неравномерностью не более ±2 % на площади диаметром 300 мм при расстоянии 1,5–2 м от кассеты со светофильтрами. Сменный комплект фильтров позволяет получать как внеатмосферный, так и наземный солнечные спектры, правда, весьма далекий от стандартного спектра (условия AM1,5).

На аналогичных принципах построены имитаторы фирмы Ушио Электрик (Япония), Ориел (США), Оптикал Радиейшн Kopn. (США), Бош (ФРГ) и др.

Среди отечественных имитаторов на средние площади хорошие параметры имеет прибор, разработанный во Всесоюзном научно-исследовательском светотехническом институте. Неравномерность освещения в этом имитаторе не превышает ÷2 % на площади 150×200 мм, что достигается с помощью смесителя, выполненного в виде достаточно протяженного (длиной от 1 до 2 м) вертикального полого зеркального световода с поперечным сечением, несколько превышающим рабочую площадь. Имитатор, однако, не воспроизводит высокой параллельности лучей, которая характерна для внеатмосферного солнечного излучения. Источником излучения в этом имитаторе служат две металло-галогенные лампы со спектром, близким к солнечному, — ртутные газоразрядные лампы с добавками иода и бромида олова.

Следует отметить, что использование в достаточно точных имитаторах внеатмосферного излучения Солнца устройств, довольно быстро изменяющих во времени свои оптические характеристики и требующих регулярной замены (многослойные интерференционные светофильтры, сложные лампы, пропускание колб которых ухудшается со временем, а характеристики излучения не постоянны), не позволяет применить эти имитаторы для контроля качества солнечных элементов в процессе производства. К тому же такие имитаторы не рассчитаны на измерение параметров солнечных батарей, имеющих, как правило, большую площадь (несколько десятков и сотен квадратных метров).

Сложный характер наземного солнечного излучения при различных воздушных массах (см. рис. 1.1) делает весьма трудной задачу имитации такого излучения, даже если ограничиться целью воспроизведения стандартного солнечного излучения в условиях AM1,5 в области длин волн от 0,4 до 1,1 мкм.

Вероятно, получение точного спектрального распределения стандартного наземного солнечного излучения возможно лишь с помощью монохроматора с изменяющейся по заданной программе щелевой или штырьковой диафрагмой, что, однако, не позволяет даже при светосильном монохроматоре достичь освещенности, характерной для солнечного излучения. Второй возможный путь такой имитации — воспроизведение наземного солнечного спектра по отдельным спектральным участкам с помощью ксеноновой или галогенной лампы, снабженной набором сменных узкополосных интерференционных светофильтров. Оба способа, к сожалению, создают поток имитированного солнечного излучения на очень небольшой площади в несколько квадратных милли- или сантиметров.

В связи со сложностью точной имитации наземного солнечного излучения получили широкое распространение методы приближенного воспроизведения наземных спектров имитаторами со спектром излучения, повторяющим сглаженную, усредненную кривую излучения Солнца при условиях AM1,5. Путем подбора или расчета необходимого комплекта светофильтров для имитаторов внеатмосферного излучения любой рассмотренной конструкции можно добиться достаточно хорошего приближения к наземным солнечным спектрам при требуемой плотности потока прямого излучения.

Известен, например, имитатор для измерения параметров солнечных элементов, состоящий из двух ламп — ксеноновой и вольфрамовой. У ксеноновой лампы длинноволновая часть спектра (правее 0,7 мкм) «отрезана» с помощью фильтра на основе раствора медного купороса, охлаждаемого водой, а коротковолновое излучение вольфрамовой лампы накаливания (левее 0,55—0,6 мкм) поглощается фильтром из цветного стекла. Смешение на облучаемой поверхности солнечного элемента двух коррегированных таким образом лучистых потоков дает возможность при изменении мощности ламп и толщины фильтров получать сглаженную кривую как внеатмосферного, так и наземного солнечного излучения.

Жидкостной оптический фильтр на основе раствора медного купороса может быть также применен для приближения к спектру Солнца спектрального излучения обычных ламп накаливания.

Можно сделать сравнительно простой наземный имитатор на лампах накаливания со стеклянными фильтрами и диффузным отражателем, обеспечивающим равномерное освещение рассеянным светом, близким к наблюдающемуся в натурных условиях. Как показали эксперименты, такой отражатель позволяет получить неравномерность, не превышающую ±5 % на площади 40×40 мм. Линзовая оптика в имитаторе отсутствует. Источник излучения — галогенные лампы с цветовой температурой 3400 К. Хорошее приближение к сглаженной кривой спектрального распределения полного потока наземного излучения при атмосферной массе 1,5 можно получить с помощью специальных цветных стекол.

Рис. 3.1. Оптическая схема имитатора прямого и рассеянного (диффузного) потока наземного солнечного излучения

1 — вольфрамовые галогенные лампы; 2 — конденсоры; 3 — плоские фацетные отражатели; 4 — объективы; 5,6 — светофильтры для имитации спектрального состава прямого и рассеянного (диффузного) потока излучения соответственно; 7 — измеряемый солнечный элемент

Более полно реальные условия наземного солнечного излучения воспроизводятся при использовании оптической схемы, показанной на рис. 3.1. Правый луч одной лампы и левый луч другой проходят через светофильтр и, освещая солнечные элементы под углом, близким к нормальному, имитируют поток прямого солнечного излучения. Другая пара лучей, проходя системы коррекции и попадая на солнечные элементы под острым углом, имитирует рассеянное излучение неба. Как показали расчеты, спектральное распределение излучения лампы накаливания с цветовой температурой 3400 К можно преобразовать в спектральное распределение прямого солнечного потока при стандартных параметрах с помощью светофильтра, состоящего из нескольких специально подобранных цветных стекол различной толщины и слоя дистиллированной воды. Оптимизация толщины фильтров проводилась разработчиком этой схемы И. С. Оршанским (Всесоюзный научно-исследовательский институт источников тока) на ЭВМ, что позволило достичь хорошей коррекции спектра ламп.

Эталонные солнечные элементы и их градуировка

Учитывая, что спектральное распределение энергии излучения даже высококачественных имитаторов отличается от стандартного солнечного, а чувствительность солнечных элементов селективна, проводить настройку интенсивности имитаторов с помощью неселективных приемников излучения (радиометров) нецелесообразно. Для этой цели применяются специально отградуированные эталонные солнечные элементы. Эталонные, или стандартные, солнечные элементы, иногда также называемые светоизмерительными приемниками, — это фактически радиометры с селективной чувствительностью.

Плотность потока солнечного излучения при одинаковом значении воздушной массы и, казалось бы, сравнительно небольших вариациях основных составляющих атмосферы может изменяться, как показали расчеты, достаточно сильно. Из сравнения различных атмосферных условий следует, что плотность потоков солнечного излучения при нескольких измерениях, фиксируемая неселективным радиометром, может быть почти одинаковой, в то время как спектральный состав излучения будет отличаться столь существенно, что солнечные элементы (в силу селективной чувствительности) будут вырабатывать при этом различную электрическую мощность и значительно отличающиеся токи. Даже у высококачественных элементов различие в токах короткого замыкания, измеренных в наземных условиях при одинаковой энергетической облученности, но разном состоянии атмосферы, составляет в эксперименте около 15 %. В то же время, например, одинаковая плотность солнечного излучения 672 Вт/м² (зафиксированная в разные дни измерений в одном и том же пункте земной поверхности) может наблюдаться для следующих двух состояний атмосферы: при m=3, толщине слоя озона 5,5 мм, β=0,02, α= 1,3 и при m=1,5, толщине слоя озона 2 мм, β=0,17, α=0,66 (толщина слоя осажденных паров воды в обоих случаях 2,0 см), хотя очевидно, что спектральный состав излучения при столь разных параметрах атмосферы будет заметно отличаться.

Сравнение градуировочного коэффициента — отношения интегрального фототока с единицы площади элемента, определенного по спектральной чувствительности, к плотности потока солнечного излучения, падающего на эту площадь, — для большого числа солнечных элементов показало, что если настройка интенсивности излучения имитаторов из вольфрамовых ламп без фильтра проводится неселективным радиометром, то погрешность измерения тока короткого замыкания солнечных элементов достигает 50 %.

При использовании имитаторов на основе вольфрамовых ламп с дихроическим фильтром погрешность составит 30 % (при прогнозировании значений тока во внеатмосферных условиях) и 10 % (в наземных), а для имитаторов на основе ксеноновых ламп с короткой дугой и интерференционными фильтрами погрешность равна 15 % для наземных измерений и 3–5 % для космических.

При градуировке эталонных солнечных элементов определяют ток короткого замыкания в стандартных условиях облучения. C помощью эталонного солнечного элемента настраивают имитатор — регулируют поток его излучения до тех пор, пока ток короткого замыкания эталона станет таким же, как при стандартных условиях.

Следует отметить, что в этом случае энергетическая облученность рабочей зоны имитатора не будет в точности совпадать с энергетической облученностью, создаваемой естественным солнечным излучением в стандартных условиях, поскольку излучение оценивается по его воздействию на селективно-чувствительный солнечный элемент конкретной конструкции из определенного полупроводникового материала.

Обычно для оценки излучения по его воздействию на приемник с конкретной спектральной чувствительностью вводят эффективные величины: оценка излучения по его воздействию на глаз человека производится в люксах, по воздействию на кожу — в эритемных единицах и т. д. В случае солнечных элементов вводится не эффективная величина, требующая нового названия; а эквивалентная. Так, если источник с произвольным спектром при некоторой энергетической облученности создает в солнечном элементе ток, равный внеатмосферному, то при этом энергетическая облученность для данного типа излучения эквивалентна 1360 Вт/м².

Например, при освещении лампой накаливания с цветовой температурой 2850 К кремниевый солнечный элемент с мелкозалегающим p-n-переходом (I≤0,5mkm) генерирует такой же ток, как в космических условиях, если энергетическая облученность, создаваемая лампой, снабженной водяным фильтром толщиной 40 мм, равна приблизительно 780 Вт/м², а лампой без фильтра — 960 Вт/м². В обоих случаях освещаемый такой лампой кремниевый эталонный элемент покажет 1360 Вт/м².

Применение эталонных солнечных элементов позволяет проводить удовлетворительные по точности измерения на имитаторах с плохой коррекцией спектра и даже при использовании источников излучения с произвольным спектральным распределением энергии. Погрешность оценки электрических характеристик солнечных элементов в этом случае будет зависеть от степени отличия спектральной чувствительности измеряемого и эталонного элементов. Таким образом, основное требование, предъявляемое к эталонным солнечным элементам, — идентичность их оптических свойств и спектральных характеристик характеристикам тех солнечных элементов, для измерения которых они применяются. Особенно это касается спектральной чувствительности. При использовании эталонных элементов в наземных условиях с имитаторами, имеющими широкий пучок излучения, важна также и угловая зависимость чувствительности, в значительной степени определяемая микрорельефом поверхности солнечного элемента, влияющим на коэффициент отражения света при различных углах падения. Даже самый совершенный технологический процесс изготовления не обеспечивает идентичности оптических и спектральных характеристик всех элементов данного типа, поэтому в качестве эталонных желательно отбирать элементы, имеющие характеристики, близкие к средним для выпускаемой продукции.

Проектирование эталонных солнечных элементов включает в себя создание конструкции, исследование стабильности и метрологических характеристик, разработку аппаратуры и методики градуировки.

Конструкция эталонных солнечных элементов в зависимости от назначения может быть разной, но во всех случаях должно обеспечиваться основное требование, предъявляемое к средствам измерений, — высокая стабильность всех параметров. Это, в свою очередь, приводит к необходимости надежной термостабилизации солнечных элементов или точного измерения их температуры. Эталон простейшей конструкции представляет собой солнечный элемент, укрепленный на металлической пластине (в углублении) и защищенный стеклом. Для поддержания постоянной температуры эталонный элемент устанавливается обычно на термостатированном столике.

В 1980–1982 гг. в СССР был разработан, усовершенствован и предложен в качестве стандарта для стран СЭВ новый эталонный солнечный элемент с прямоугольной фоточувствптельной поверхностью размерами 30×35 мм (и больше) и с фоточувствптельной поверхностью круглой дисковой формы диаметром 50 мм больше) для измерения параметров элементов и батарей космического и наземного применения соответственно.

Новый эталонный элемент имеет встроенный холодильник, снабженный радиатором, через который может протекать вода от термостата, и чувствительный термодатчик. В качестве фоточувствительного датчика в этих эталонах используются солнечные элементы из кремния с мелкозалегающим p-n-переходом и элементы на основе гетеропереходов твердый раствор алюминия в арсениде галлия — арсенид галлия. Большие размеры корпуса эталона обеспечивают угловое поле, превышающее 166°, что позволяет использовать новый эталон при измерениях солнечных элементов и батарей как в полном, так и в прямом коллимированном потоке солнечного излучения.

На корпусе нового эталона может крепиться тубус, уменьшающий поле зрения до ±2,5^o, что необходимо для измерения прямого потока солнечного излучения при определении характеристик батарей, работающих с концентраторами. На тубусе для контроля параметров атмосферы (содержания паров воды, озона и аэрозолей) предусмотрена возможность установки интерференционных светофильтров, которые пропускают излучение в узких спектральных интервалах, соответствующих селективным полосам поглощения в спектре наземного солнечного излучения.

Постоянное совершенствование технологии изготовления и создание новых типов солнечных элементов вызывают необходимость измерения параметров солнечных элементов с нестандартным распределением спектральной чувствительности. При этом необходимо иметь набор солнечных элементов с различными вариантами спектральных характеристик. Солнечные элементы для таких эталонов получают изменением глубины залегания p-n-перехода, вариацией характеристик просветляющего покрытия, облучения элементов разными дозами протонов и электронов различной энергии. Быстрый подбор эталонного элемента выполняют по «сине-красному» отношению токов эталона и измеряемого элемента. C этой целью поочередно измеряется ток солнечного элемента со светофильтрами, выделяющими излучение в синей и ближней инфракрасной областях спектра, и подбирается эталонный элемент с наиболее близким значением «сине-красного» отношения. Аналогичный подход можно использовать для подбора эталонов при измерениях параметров солнечных батарей из нестандартных солнечных элементов.

Элементы для эталонов отбираются из числа серийно выпускаемых или изготавливаются специально. При отборе основное внимание обращается на качество торцевых поверхностей, на значения шунтового и последовательного сопротивлений. Важно, чтобы свойства солнечных элементов, используемых для этой цели, были однородны по площади (особенно спектральная и интегральная чувствительности). Желательно, чтобы у них был минимальный температурный коэффициент тока короткого замыкания. Отобранные по этим параметрам элементы монтируются в оправы и проходят естественное или ускоренное старение. Затем определяется стабильность чувствительности. Исследование проводят в течение длительного времени, при этом методика должна обеспечивать, чтобы погрешность относительных измерений не превышала 0,1 %. При первичной градуировке используются эталонные элементы с высокой стабильностью чувствительности; изменения тока короткого замыкания таких элементов с течением времени составляют не более чем ±0,5 %. Для эталонных солнечных элементов наземного применения проверяются также угловые зависимости чувствительности и линейность зависимости I_{κ 3}. от плотности светового потока. Отклонение от линейности этой зависимости при изменении плотности потока в диапазоне 400—1000 Вт/м² не должно превышать ±0,5 %.

Кремниевые солнечные элементы, предназначенные для энергетических целей и используемые как эталонные, в обычных условиях отличаются наиболее стабильными характеристиками из всех преобразователей солнечной энергии. Эти солнечные элементы обладают также линейной зависимостью тока короткого замыкания (в эталоне они работают в режиме короткого замыкания) в довольно широком диапазоне изменения плотности потока излучения и имеют небольшой температурный коэффициент тока короткого замыкания 0,1–0,2 %∕° С; их чувствительность охватывает видимую и ближнюю инфракрасную области спектра. Могут применяться в эталонах и кремниевые солнечные элементы со сверхмелким p-n-переходом (толщина легированного слоя l≤0,1+0,2 мкм), чувствительные в ближней ультрафиолетовой области солнечного спектра.

Абсолютная градуировка эталонных солнечных элементов трудоемка, требует длительного времени и значительных затрат, поэтому эталоны, прошедшие такую градуировку, используют только в качестве первичных эталонов образцового средства измерения. Для каждодневных целей применяются светоизмерительные приемники — вторичные и рабочие эталоны.

Эталонные элементы работают в режиме короткого замыкания, и градуировка их заключается в определении тока короткого замыкания при нормируемых условиях спектрального состава и плотности потока солнечного излучения (внеатмосферного или наземного). Возможны два принципиально различных типа градуировки: на естественном солнечном излучении и в лаборатории с использованием средств измерений, поверенных по Государственному эталону, с измерением спектральной чувствительности эталонных солнечных элементов по усовершенствованным методикам.

При градуировке эталонных элементов, предназначенных для настройки имитаторов внеатмосферного солнечного излучения, применяется множество методов первого типа: измерения на космических аппаратах, ракетах, шарах-зондах, высотных самолетах, на поверхности земли.

При градуировке на космических аппаратах и ракетах значение тока для внеатмосферных условии получают в результате непосредственных измерений. Градуировка на космических аппаратах, помимо высокой стоимости, встречает ряд сложностей, связанных с возвращением эталонных элементов на Землю, и поэтому используется, как правило, только для проверки точности других методов. Ракеты, поднимающиеся на высоту более 200 км, возвращают эталонные элементы на Землю. Все измерения проводятся на высоте не менее 100 км.

Шары-зонды поднимаются на высоту 30–40 км, где спектральное распределение энергии солнечного излучения определяется практически только полосами поглощения озона и в очень небольшой степени аэрозольным рассеянием. Влияние озона и аэрозолей учитывается введением поправки.

Самолеты для научных исследований обычно поднимаются на 12–13 км. Ориентация эталонных солнечных элементов на Солнце осуществляется летчиком с помощью оптического прицела. Измерения начинаются при подъеме на 3–4 км. Параметры солнечного излучения зависят от высоты полета самолета над уровнем моря и от положения Солнца над горизонтом в момент измерений, т. е. от оптической массы атмосферы. Проводились измерения на научном самолете при значениях абсолютной атмосферной массы от 1,4 до 0,14. Значение тока для внеатмосферных условий определялось экстраполяцией результатов к нулевой атмосферной массе. Это значение можно получить таким же образом по данным измерений в наземных, желательно высокогорных условиях.

Метод, который наиболее часто используется при градуировке под естественным солнечным излучением на поверхности Земли (как правило, в высокогорных условиях), заключается в эктраполяции результатов измерений к нулевой атмосферной массе. При градуировке последовательно измеряют ток короткого замыкания эталонных солнечных элементов для различных значений атмосферной массы (разная высота Солнца). Поскольку работа проводится в стационарных условиях, достаточно знать зависимость тока короткого замыкания эталонов от относительных значений атмосферной массы. Внеатмосферное значение тока короткого замыкания солнечных элементов получают путем линейной экстраполяции зависимости логарифма тока от относительной атмосферной массы к ее нулевому значению.

Практически метод осуществляется путем измерения тока короткого замыкания эталонных элементов в течение половины солнечного дня. Логарифмы измеренных значений тока наносятся на график в функции атмосферной массы, через экспериментальные точки проводится прямая линия (так называемая прямая Бугера), которая линейно экстраполируется к значению тока при нулевой атмосферной массе. Строго говоря, зависимость логарифма тока короткого замыкания от атмосферной массы оказывается линейной только для монохроматического света. Кремниевые солнечные элементы чувствительны в достаточно широкой области спектра, и вследствие эффекта Форбса для них эта функция изображается слабо вогнутой кривой. Однако при градуировке экстраполяцию проводят линейно, a затем вносят поправку на эффект Форбса. Для вычисления поправки (значение которой находится в пределах 1–3 %) необходимо знать спектральное распределение коэффициента прозрачности атмосферы в течение всего периода градуировки эталонных элементов, когда производятся измерения тока короткого замыкания эталонных солнечных элементов в зависимости от высоты Солнца над горизонтом.

Эти измерения проводят в сухих горных районах, где выше прозрачность атмосферы и для которых в определенные периоды года характерна устойчивость оптических свойств атмосферы. Для контроля стабильности оптических свойств атмосферы одновременно с измерениями ведут наблюдения за солнечным ореолом.

В СССР градуировка эталонных солнечных элементов осуществляется с 1965 г. регулярно один-три раза в год в окрестностях Алма-Аты на высокогорной станции Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (43° с. ш., 77° в. д., 3040 м над уровнем моря), сотрудниками которого во главе с Э. В. Koноновичем создана программа расчета тока I_{κ 3} эталонов на ЭВМ и оборудован солнечный телескоп для этих измерений. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте источников тока В. Я. Ковальским и И. С. Оршанским с сотрудниками были разработаны аппаратура и методика проведения высокогорной градуировки.

Пример определения I_AM0 рассмотренным методом для двух эталонных элементов приведен на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Экспериментальные зависимости логарифма тока короткого замыкания эталонных солнечных элементов от значения воздушной массы, построенные по результатам высокогорных измерений в районе Алма-Аты 26 июня 1982 г.

1 — кремниевый элемент; 2 — элемент на основе гетероперехода AlGaAs — GaAs

Если значения относительной воздушной массы, полученные во время измерений в высокогорных условиях, перевести в абсолютные величины, то зависимость логарифма тока короткого замыкания от абсолютной воздушной массы дает возможность определить ток короткого замыкания эталонных солнечных элементов не только для условий AM0, но и для AM1, AM1,5 и АМ2, а также для больших значений воздушной массы.

Однако при градуировке эталонов на согласованном в международном масштабе спектре требуется соответствие ему спектра наземного солнечного излучения, использованного при измерениях, не только по значению воздушной массы, но и по остальным параметрам: плотности потока излучения, коэффициенту мутности и селективности, количеству осажденных паров воды и озона. Сравнение спектра солнечного излучения, измеренного в день проведения испытаний в высокогорных условиях, со стандартным позволяет внести необходимую поправку в значение тока эталонов, определенное по зависимости, подобной показанной на рис. 3.2, для любых значений абсолютной воздушной массы. Тем самым удается на основании результатов высокогорных измерений получить достаточно точные градуировочные значения тока эталонных элементов для оценки параметров наземных солнечных элементов. Приведение к стандартному спектру может быть также осуществлено без детального исследования спектра солнечного излучения в определенный день — достаточно знать глубину нескольких характерных полос в спектре, что позволяет оценить содержание водяных паров, озона и аэрозолей в этот день.

Как правило, результаты градуировки эталонных солнечных элементов несколькими методами сравниваются между собой и показывают достаточно хорошее совпадение получаемых значений.

Измерения в наземных, лабораторных и космических условиях

Наземные параметры солнечных элементов в зависимости от условий измерения изменяются: по мере увеличения воздушной массы, возникновения пасмурности, облачности, дымки, появления капель дождя КПД солнечных элементов, как правило, значительно растет, хотя абсолютное значение генерируемой ими мощности падает. Причину этого явления легко понять из сравнения кривых спектрального распределения энергии солнечного излучения при различных атмосферных массах (см. рис. 3.3): при увеличении значения атмосферной массы от 1 до 5 плотность потока излучения падает, но максимум проходящего сквозь атмосферу излучения сдвигается вправо, приближаясь к максимуму спектральной чувствительности солнечных элементов из кремния и арсенида галлия.

В июне 1982 г. в г. Будапеште на имитаторе наземного солнечного излучения были проведены совместные советско-венгерские измерения вольт-амперных характеристик и КПД солнечных элементов в лабораторных условиях.

Источником света в имитаторе служила ксеноновая лампа высокого давления, спектр которой коррегирован интерференционным фильтром. Настройка имитатора осуществлялась с помощью эталонного солнечного элемента (чувствительная поверхность 30×35 мм), разработанного п отградуированного в СССР. Конструкция эталона, как уже указывалось, предложена в качестве стандартной для стран СЭВ. Градуировка проведена для наземных условий AM1,5 (плотность прямого потока 850 Вт/м²) и для условий AM1 (плотность потока 1000 Вт/м²).

При работе на имитаторе использовался разработанный Институтом электротехнической промышленности ВНР прибор для автоматического измерения и записи вольт-амперной характеристики, в комплект которого входит мини-ЭВМ, что позволяет одновременно определить оптимальные параметры солнечных элементов.

В приборе использован четырехзондовый метод съема тока с отдельной цепью подключения вольтметра, который позволяет значительно точнее по сравнению с двухзондовым (см. рис. 2.8) измерить напряжение на солнечном элементе. Поскольку в цепи вольтметра при четырехзондовой схеме протекает очень малый ток, падение напряжения на сопротивлении перехода между контактом солнечного элемента и токосъемным зондом и на сопротивлении проводов ничтожно, и, следовательно, вольтметр регистрирует напряжение, которое установилось непосредственно на солнечном элементе. Как показали эксперименты, для элементов площадью 5,4 см² при стандартной плотности потока излучения и I_κз= 160 мА разница в КПД, измеренных двумя способами, не отмечается; при площади 10,5 см² и I_κз=300 мА КПД по двухзондовой схеме составляет 12,1 вместо 14,1 % по четырехзондовой схеме. Если площадь элемента 24 см² и ток короткого замыкания 670 мА, разница при измерениях по двум схемам еще больше (КПД 8,1 и 11,3 % соответственно).

В любом варианте электрической схемы по мере увеличения переходного сопротивления контакт солнечного элемента — токосъемный зонд, сопротивления проводов и внутреннего сопротивления амперметра измерения параметров солнечного элемента будут проводиться в области вольт-амперной характеристики, все более удаленной от точки короткого замыкания, и для элементов с высоким последовательным сопротивлением ошибка измерений будет весьма ощутимой.

Для точного определения тока короткого замыкания элементов может быть применена схема с дополнительным источником, позволяющим подавать встречное напряжение. Особенно удобно использовать ее для измерений при повышенных концентрациях солнечного излучения или при исследовании параметров солнечных элементов с большой площадью фоточувствительной поверхности. Такая схема применяется, например, для измерений характеристик блок-элементов (модулей с параллельно соединенными солнечными элементами) большого размера, имеющих высокое значение тока при малых напряжениях.

Результаты проведенных в г. Будапеште в июне 1982 г. и повторенных в Москве в мае 1986 г. советско-венгерских экспериментов по измерению параметров солнечных элементов на имитаторе Солнца сравнивались с данными, полученными на этом же имитаторе при его настройке по солнечному элементу, сличенному с эталоном, принятым в США для измерения наземных элементов применительно к условиям AM1, который был продемонстрирован на советско-американском семинаре в 1977 г. в Ашхабаде. При настройке по эталону США наблюдалось завышение КПД элементов, составлявшее для венгерских элементов в среднем 8 %, для советских — 6 %, что объясняется, по-видимому, отличиями в методах градуировки эталонов, применяемых в СССР и США.

Различие в результатах измерений при настройке имитаторов с помощью разных эталонов указывает на необходимость использования единого стандартного спектра наземного Солнца при градуировке эталонов. Намеченный в последнее время выбор стандартного наземного спектра (условия AM1,5), согласованного в международном масштабе, является, по-видимому, единственно правильным решением сложного вопроса градуировки наземных солнечных элементов, поскольку при этом можно проводить сопоставление эффективности и качества солнечных элементов и батарей, выпускаемых разными странами и фирмами.

Рис. 3.3. Спектральное распределение энергии солнечного излучения при различных значениях воздушной массы (расчетные данные Π. Муна)

1–6 — m=0, 1,2, 3,4, 5 соответственно

Градуировка эталонов для оценки эффективности работы солнечных элементов и батарей космического назначения с использованием общепринятого в настоящее время спектра AM0 Макаровой и Харитонова также позволяет достаточно точно настраивать лабораторные и заводские имитаторы Солнца и прогнозировать характеристики солнечных батарей при эксплуатации во внеатмосферных условиях. Труднее учесть переменную по спектру и потоку и непостоянную во времени часть солнечного излучения, отраженную от облаков и подстилающего рельефа Земли и эффективно используемую двусторонними и прозрачными в инфракрасной области спектра солнечными батареями. Однако расчетные и экспериментальные исследования, вероятно, позволят в недалеком будущем достаточно точно пред-сказывать возможное увеличение тока солнечных батарей низколетящих спутников Земли за счет этой составляющей внеатмосферного солнечного излучения.

Уже не раз подчеркивалось, что солнечный элемент, предназначенный для создания эталона, должен обладать основными особенностями, свойственными спектральным, фотоэлектрическим и оптическим характеристикам измеряемых элементов. Например, при оценке КПД партии солнечных элементов из кремния с п⁺—р — p+-структурой и мелкозалегающим р-n-переходом эталонный элемент должен выбираться из их числа, а для солнечных элементов из новых полупроводниковых материалов эталонный элемент следует создавать из того же полупроводникового материала при таких же толщинах и электрофизических свойствах слоев, как в структуре элемента данного типа.

Однако выполненные советскими исследователями измерения на автоматической межпланетной станции «Венера» (результаты которых опубликованы в журнале «Гелиотехника» в 1983 г.) говорят о том, что возможен и другой подход: создание стабильного солнечного элемента, например, из кремния со сравнительно глубоким p-n-переходом и внесение в его паспортные данные значений переходных коэффициентов, которыми необходимо пользоваться, если по данному кремниевому эталону настраивается имитатор Солнца при измерении параметров солнечных элементов из других полупроводниковых материалов или из того же материала, но иной конструкции.

Как было установлено в ходе полета автоматических межпланетных станций «Венера-13 и -14», при определении параметров солнечных элементов для внеатмосферных условий (спектр AM0, плотность потока излучения 1360 Вт/м²) на имитаторе Солнца из ламп накаливания без коррекции спектра с плотностью излучения 1000 Вт/м² для кремниевого эталона с глубоким р-n-переходом (1,0–1,2 мкм) переходный коэффициент равен 1,0, а для кремниевого элемента с небольшой глубиной залегания р-n-перехода (0,3–0,5 мкм) — 1,12—1,13; для солнечных элементов на основе гетероструктуры AlGaAs-GaAs переходный коэффициент составляет 1,11—1,12 при толщине слоя AlGaAs 15 мкм, 1,2–1,21 при толщине того же слоя 10 мкм и 1,54 при толщине этого слоя менее 1 мкм.

Подобным же образом можно поступить и в случае градуировки имитаторов Солнца для измерений параметров наземных солнечных элементов. В паспорт эталона, используемого при настройке имитаторов внеатмосферного Солнца, при этом следует внести значение переходного коэффициента от AM0 к стандартным наземным условиям AM1,5, определенное или пересчитанное, как и в предыдущем случае, для такого же значения рабочей температуры, причем ток при AM0 и AM 1,5 должен быть отнесен к плотности соответствующего потока излучения. Значения подобных переходных коэффициентов были получены советскими специалистами из результатов высокогорных измерений и путем использования абсолютной спектральной чувствительности данного эталонного элемента и стандартных спектров AM0 и AM1,5.

Для кремниевых солнечных элементов с мелкозалегающим p-n-переходом (глубина 0,3–0,5 мкм) переходный коэффициент от условий AM0 к стандартным наземным условиям AM 1,5 равен, как показали результаты измерений и расчетов, 1,13—1,14.

Для солнечных элементов на основе гетероструктуры AlGaAs-GaAs он составляет 1,26, 1,24 и 1,18 при толщине слоя AlGaAs соответственно 15, 10 и менее 1,0 мкм. Для тонкопленочных солнечных элементов на основе гетероструктуры Cu₂S-CdS переходный коэффициент от AM0 к AM1,5, как правило, равен 1,04, а для элементов на основе гетероструктуры ITO-Si этот коэффициент составляет, по результатам расчетов, 1,10-1,11.

Качественно (а в некоторых случаях и количественно) близкие результаты были получены американскими исследователями. Измеренная на фильтровом монохроматоре (источник излучения — мощная вольфрамовая лампа накаливания) спектральная чувствительность кремниевых элементов была пересчитана ими на спектры излучения Солнца для условий AM0 и AM1, что позволило затем определить интегральные значения тока короткого замыкания исследуемых элементов и переходные коэффициенты от условий AM0 к условиям AM1, равные: для обычных элементов без покрытий 1,08; для элементов с текстурированной неотражающей поверхностью, полученной селективным химическим травлением, 1,14; для обычных элементов с просветляющей пленкой из двуокиси кремния 1,15; для таких же элементов наземного назначения с большой глубиной залегания p-n-перехода 1,16; для элементов с мелкозалегающим p-n-переходом и просветляющим покрытием из пятиокиси тантала 1,18. Все элементы были изготовлены из монокристаллического кремния; приведенные значения переходных коэффициентов были получены как средние для партий из двух, четырех, пяти, девяти и одиннадцати элементов соответственно. Расчетные результаты были подтверждены при измерениях на естественном Солнце в условиях атмосферной массы т = 1,7 и плотности потока излучения 850–950 Вт/м², а измеренные значения тока короткого замыкания были приведены по плотности потока излучения к значениям, характерным для условий AM1 (около 1000 Вт/м²).

Аналогичные данные получаются при пересчете спектральной чувствительности солнечных элементов из различных полупроводниковых материалов на новый спектр полного (прямого + диффузного) солнечного излучения при m=1,5 и суммарной плотности потока 1000 Вт/м² (см. рис. 1.1, кривая 2 и табл. 3 Приложения).