Солнечные элементы

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 30x35 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_{? 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.