в процессе изготовления солнечных элементов.

На основе кремния могут быть изготовлены солнечные элементы с очень высокой чувствительностью в коротковолновой и ультрафиолетовой областях спектра вплоть до 0,2 мкм. C этой целью необходимо резко уменьшить скорость поверхностной рекомбинации и глубину залегания p-n-перехода.

Таким образом, изучение спектральной чувствительности и коэффициента собирания солнечных элементов исключительно полезно для дальнейшего улучшения свойств солнечных элементов, увеличения их КПД и, следовательно, расширения сферы их применения.

Глава 3

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Методика измерения КПД

Для определения КПД солнечных элементов и батарей необходимо (так же как в случае любых других преобразователей излучения) измерить количество энергии излучения, поступающей на солнечный элемент, и количество электроэнергии, выработанной им. Проблема, однако, осложняется несколькими обстоятельствами: энергия поступает к элементу в форме солнечного излучения, спектральный состав и мощность которого продолжают уточняться даже для внеатмосферных условий, а характеристики наземного солнечного излучения чрезвычайно сильно зависят от состояния атмосферы и часто изменяются в течение весьма непродолжительных периодов времени;

создание имитаторов Солнца, копирующих по всем основным параметрам внеатмосферное или выбранное в качестве стандарта наземное солнечное излучение, представляет собой пока не решенную полностью научно-техническую задачу;

при разработке стабильных эталонных солнечных элементов для настройки имитаторов Солнца следует учитывать особенности оптических и электрофизических свойств каждого типа элементов, в частности их спектральной чувствительности;

при измерении выходных электрических параметров элементов и батарей необходимо иметь в виду сильное влияние последовательного сопротивления элементов и сопротивления измерительных приборов на получаемые значения.

Таким образом, определение КПД солнечных элементов и батарей представляет собой сложную комплексную проблему, и это выделило метрологию полупроводниковых преобразователей солнечного излучения в самостоятельной раздел исследований по фотоэлектричеству.

Основной параметр солнечных элементов и батареи — световая нагрузочная вольт-амперная характеристика — позволяет определить генерируемую электрическую мощность по произведению IoptUoht, оценить полноту использования потенциала запрещенной зоны по напряжению холостого хода; получить представление об уровне оптических и фотоэлектрических потерь по току короткого замыкания и коэффициенту заполнения вольт-амперной характеристики; рассчитать КПД преобразования солнечной энергии в электрическую по отношению мощности, генерируемой элементами и батареями, к мощности падающего солнечного излучения, которую можно измерить с помощью отградуированного эталонного солнечного элемента. Градуировка эталонного элемента заключается в определении абсолютного значения тока его короткого замыкания, например путем пересчета измерений абсолютной спектральной чувствительности на стандартный внеатмосферный или наземный солнечный спектр.

Качество солнечных элементов и батарей, количество дефектных элементов в батарее могут быть оценены также косвенными методами — по измерению прямой и обратной ветвей темновой вольт-амперной характеристики; по интегральному коэффициенту поглощения солнечного излучения поверхностью батареи, рассчитываемому исходя из результатов измерений спектральных коэффициентов отражения; по интегральному коэффициенту собственного теплового излучения поверхности батарей, различному у дефектных и высококачественных элементов; по яркости электролюминесценции (у солнечных элементов на основе арсенида галлия).

Измерения параметров солнечных элементов и батарей могут быть выполнены в лабораторных, натурных наземных и космических условиях по указанным выше методикам.

Рассмотрим ряд научно-технических вопросов, связанных с проблемой контроля качества, определения параметров солнечных элементов и батарей из различных полупроводниковых материалов и разнообразного практического применения, погрешностей измерения и прогнозирования характеристик элементов в процессе эксплуатации.

Имитаторы солнечного излучения

Имитаторы Солнца используются в различных областях науки и техники: при моделировании тепловых режимов космических аппаратов и испытании материалов на воздействие космических условий, в медицинских и биологических исследованиях, в растениеводстве, фотометрии, калориметрии, гелиотехнике. Известно множество разнообразных оптических схем и конструкций имитаторов Солнца, и среди них разработаны и успешно используются оригинальные имитаторы для измерения параметров солнечных элементов и батарей.

В идеальном случае имитаторы должны с наилучшим приближением воспроизводить все параметры солнечного излучения — параллельность лучей, стабильность во времени и равномерность освещения, спектральный состав, плотность потока. Однако такие приборы чрезвычайно сложны и дороги, параметры их светового потока все же отличаются от естественного солнечного, поэтому в зависимости от конкретного назначения создаются специализированные имитаторы. В установках, предназначенных для измерения характеристик солнечных элементов и батарей, меньше внимания уделяется достижению коллимации пучка для получения параллельности лучей, соответствующей солнечному потоку, и больше — созданию достаточно хорошего приближения к спектру излучения Солнца, обеспечению стабильности и однородности потока. Но и здесь подход может быть разным. В производстве при серийном изготовлении солнечных элементов применение имитаторов с точным воспроизведением спектра не всегда обязательно, особенно для относительных измерений, например, таких, как текущий контроль качества, сортировки элементов и их групп по электрическим параметрам, чтобы обеспечить малые потери на коммутацию после сборки батареи. Для этих целей можно подобрать имитатор с оптимальным соотношением между сложностью конструкции и точностью измерений.

Наиболее прост, удобен для использования в производственных условиях и стабилен имитатор, состоящий из вольфрамовых ламп накаливания с зеркальными или матовыми отражателями, соответствующий набор которых может обеспечить освещение солнечных элементов для батарей практически любой площади.

Значительная часть инфракрасного излучения ламп накаливания (вызывающего перегрев солнечных элементов при измерениях) может быть устранена с помощью установленных между лампами и элементами теплоотражающих фильтров из стеклянных пластин с прозрачными проводящими пленками на основе оксидов олова и индия или станнатов кадмия с поверхностным слоевым сопротивлением менее 50 Om∕□ (пленка должна находиться на стеклянной пластине со стороны лампы).

Еще большего уменьшения инфракрасной составляющей излучения ламп можно добиться введением теплопоглощающего фильтра, образуемого слоем воды толщиной 2–4 см. Для охлаждения самого водяного фильтра может быть использован внешний радиатор или проточная вода, а для удаления из перегретой воды пузырьков воздуха фильтр снабжается механическими щетками.

Подобные простые имитаторы с водяным фильтром могут быть использованы для экспрессного контроля качества солнечных элементов и их групп (размерами до 20×30 см) на всех стадиях процессов изготовления, а без водяного фильтра — для контроля качества солнечных батарей.

Спектр ламп накаливания, применяемых для контроля качества солнечных батарей большой площади, может быть значительно исправлен и приближен к солнечному нанесением на внутреннюю поверхность колбы лампы (как перед вольфрамовой нитью накала, так и сзади нее) многослойных интерференционных светофильтров. Колба лампы предохраняет светофильтры от неблагоприятного воздействия внешней окружающей среды (в частности, повышенной влажности), а последствий термического воздействия излучения вольфрама, приводящего к кристаллизации слоев многослойного светофильтра и последующему отслаиванию его от стекла, удается избежать, как показал в своих исследованиях А. С. Иванцев (Всесоюзный институт источников света, г. Саранск), если ввести между диэлектрическими слоями светофильтра и стеклом тонкую полупрозрачную пленку хрома, нанесенную при большой скорости конденсации в глубоком вакууме. Осаждение постепенно испаряющегося слоя вольфрама на стекло и светофильтры также можно предотвратить, используя лампу-фару с нанесенными на ее колбу светофильтрами,