Солнечные элементы

Энергия на выходе монохроматора изменяется при измерениях во всем спектральном диапазоне от 0,002 до 0,02 мВт (что соответствует потоку фотонов 1,5×1012 -1×1014 с-1).

Следует отметить, что из-за нелинейности люкс-амперной характеристики многих солнечных элементов при переходе от низких освещенностей, создаваемых монохроматическим светом, к высоким, характерным для солнечного излучения вне атмосферы или в ясные дни в наземных условиях, особенно ответственные прецизионные измерения спектральной чувствительности, например для эталонных солнечных элементов, проводятся на усовершенствованных установках.

В условиях облучения даже однократным солнечным потоком плотность падающего на поверхность элемента потока энергии, составляющая около 100 мВт/см2, на несколько порядков выше плотности потока, создаваемого обычным монохроматором (как правило, от 10 до 20 мкВт/см2). От уровня засветки при измерении спектральной чувствительности зависит, в частности, значение диффузионной длины неосновных носителей заряда Lб в базовом слое, поскольку при увеличении концентрации инжектированных светом носителей значение Lб сначала резко растет, а затем практически не меняется. При низкой освещенности обычно отклонение от линейности связано с рекомбинационными процессами, при сверхвысокой — с потерями генерируемой мощности на сопротивлении растекания.

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.