Солнечные элементы - Марк Михайлович Колтун
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
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 Iκз= 160 мА разница в КПД, измеренных двумя способами, не отмечается; при площади 10,5 см2 и Iκз=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
