Солнечные элементы

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).