Солнечные элементы

Колтун Марк Михайлович

Совершенно очевидно, что измерение спектральной чувствительности, в частности, эталонных солнечных элементов (с целью последующего пересчета ее на спектральное распределение энергии стандартного спектра и определения градуировочного значения фототока) следует проводить, добиваясь засветок, близких к реальным условиям работы эталонных элементов.

Одной из первых установок для измерения спектральной чувствительности при облученности, аналогичной солнечной по плотности падающего потока, было устройство, состоящее из мощной вольфрамовой галогенной лампы накаливания и восьми узкополосных интерференционных светофильтров, сквозь которые исследуемые солнечные элементы поочередно освещались предварительно откалиброванными по мощности потоками излучения. В дальнейшем две подобные

установки (включающие от 8 до 18 светофильтров с полушириной полосы пропускания каждого около 200 А, перекрывающих область спектра от 0,35 до 1,2 мкм) были использованы в исследовательском центре им. Льюиса (Кливленд, штат Огайо, США). Источником излучения служила также галогенная лампа мощностью 1000 Вт. Полученные данные были использованы для пересчета спектральной зависимости тока короткого замыкания эталонных солнечных элементов на стандартные спектры солнечного излучения и сравнения расчетного фототока с результатами градуировки на высотных самолетах, ракетах, шарах-зондах.

Фильтровый монохроматор для измерения спектральной чувствительности солнечных элементов был затем значительно усовершенствован. В качестве источника излучения, расположенного перед узкополосными светофильтрами, использовалась лампа-вспышка с энергией, излучаемой в момент каждой вспышки, около 600 Дж (снабженная алюминированным отражателем, установленным сзади лампы), которая, однако, не обеспечивала необходимой однородности потока (неравномерность облученности на освещаемой поверхности составляла ±8 %).

Небольшая длительность светового импульса от ксеноновой лампы-вспышки предотвращала перегрев как измеряемых солнечных элементов, так п интерференционных фильтров. Свет лампы-вспышки поступал на измеряемый солнечный элемент через один из шестнадцати интерференционных светофильтров, установленных на вращающемся дискодержателе.

Эта установка была предназначена для экспрессного определения спектральной чувствительности. Получение абсолютных значений фототока обеспечивалось в этом случае сравнением измеряемого тока короткого замыкания с током эталонного элемента.

Импульсный ток солнечных элементов измерялся с помощью электронной схемы и отображался на цифровом табло. Плотность потока излучения лампы-вспышки без светофильтров превышала 50 солнечных постоянных, что позволяло создавать условия измерений чувствительности, близкие к условиям эксплуатации солнечных элементов.

Абсолютная градуировка установки проводилась с применением эталонного элемента, чувствительность которого измерялась на монохроматоре, откалиброванном с помощью неселективного термоэлектрического приемника при длине волны 0,546 мкм. Погрешность градуировки составляла ±2 % (абсолютных) и ±1 % (относительных).

При использовании для спектральных измерений лазеров или высокоинтенсивных источников света (мощных ламп накаливания и ламп-вспышек) с интерференционными фильтрами, однако, не создается необходимого (соответствующего внеатмосферному) распределения^ носителей заряда по толщине элемента. В связи с этим наиболее достоверные данные о чувствительности солнечных элементов могут быть получены при одновременном освещении элементов модулированным потоком монохроматического излучения и смодулированным потоком, имитирующим солнечное излучение при соответствующем спектре и плотности потока. При первых применениях такого метода для градуировки эталонных солнечных элементов нужный уровень инжекции носителей заряда создавался с помощью лампы накаливания. Однако спектр подсвечивающего излучения должен воспроизводить солнечный, поскольку нелинейность световой характеристики с увеличением длины волны сильно возрастает.

Этот метод градуировки был подробно изучен и усовершенствован советскими исследователями. Снижение погрешностей, связанных с нелинейностью спектральной характеристики и несоответствием распределения генерированных светом носителей по толщине элемента, возникающему при измерениях, реальному распределению, характерному для условий эксплуатации солнечных элементов, было достигнуто следующими способами: использованием более совершенных неселективных радиометров

для измерения монохроматического излучения и светосильных монохроматоров; выбором излучения для подсветки, достаточно точно воспроизводящего солнечный спектр; применением модулятора, обеспечивающего минимальное содержание гармоник высшего порядка. Подсвечивающее излучение создавалось с помощью галогенных ламп с встроенными интерференционными фильтрами, позволяющими в области 0,4–1,1 мкм получить распределение энергии, близкое к солнечному спектру, а при абсолютной градуировке монохроматора применялся специально разработанный полостной термоэлектрический радиометр с обмоткой замещения. Для этой же цели полезно (кроме встроенной электрической обмотки замещения) использовать эталонирование по модели черного тела. Схема установки по измерению спектральной чувствительности, созданной специально для градуировки эталонных солнечных элементов, приведена на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Схема установки для измерения спектральной чувствительности эталонных солнечных элементов

1 — блок питания лампы и монохроматора; 2 — лампа освещения входной щели монохроматора; 3 — конденсор; 4 — модулятор; 5 — монохроматор; в — фокусирующая линза; 7 — термоэлектрический радиометр; 8 — усилитель напряжения термоэлектрического радиометра; 9 — графопостроитель; 10 — лампы с солнечным спектром для подсветки; 11 — термостатируемый эталонный солнечный элемент; 12 — селективный усилитель тока эталонного солнечного элемента; 13 — регистрирующий прибор; 14 — поворотное зеркало

Главная отличительная особенность разработанной установки — наличие подсветки лампами-фарами, на отражатель и пропускающее окно которых нанесены многослойные интерференционные фильтры, корректирующие спектр встроенной в фару лампы под солнечный. На поверхности измеряемого элемента создается облученность 1360 Вт/м², которая контролируется термоэлектрическим радиометром с большим полем зрения. Радиометр имеет точную энергетическую калибровку в широком спектральном интервале. Лампы подсветки получают энергию от высокостабильных источников питания, имеющих низкое содержание высокочастотных гармоник.

Монохроматическое излучение достаточной интенсивности обеспечивается в этой установке дифракционным монохроматором с решеткой 600 линий/мм. Для исключения влияния спектров высших порядков использовалось устройство (переменное гасящее сопротивление, включенное в цепь лампы и связанное с поворотным механизмом дифракционной решетки монохроматора), уменьшающее цветовую температуру тела накала лампы снижением тока при работе в длинноволновой области спектра. Ток короткого замыкания при монохроматическом освещении во время этих измерений определяется при фиксации светового луча на различных участках фотоактивной поверхности эталонного солнечного элемента и затем усредняется по всей рабочей поверхности.

Монохроматический поток, модулированный частотой 900 Гц, направляется на элемент. Взаимное расположение щели монохроматора и модулятора, а также форма окна модулятора выбираются таким образом, чтобы монохроматический модулированный поток был по возможности приближен к синусоидальному. Необходимое условие — измерение в режиме короткого замыкания, в связи с чем переменный сигнал снимается через разделительную емкость, а солнечный элемент шунтируется сопротивлением порядка 0,5 Ом. Высокочастотная составляющая тока короткого замыкания подается на селективный усилитель с калиброванным коэффициентом усиления, напряжение с которого преобразуется в пропорциональный сигнал измерительным преобразователем и регистрируется в цифровой и графической формах. Для использования данных каждого эксперимента в расчетах на ЭВМ информация может быть представлена на перфоленте в стандартном коде.