Измерения на имитаторах солнечного излучения и в натурных условиях

Измерения параметров солнечных элементов и батарей как космического, так и наземного применения проводят в основном на имитаторах Солнца, реже на естественном солнечном излучении.

Имитаторы Солнца используются в различных областях науки и техники: при моделировании тепловых режимов космических аппаратов [38]; при испытании материалов на воздействие космических условий; в медицинских и биологических исследованиях; в растениеводстве; в сенситометрии, в калориметрии, в гелиотехнике. Известно множество разнообразных оптических схем и конструкций имитаторов. Существуют различные имитаторы для испытаний космической техники, в том числе солнечных элементов и батарей [34].

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, требуют квалифицированного обслуживания, 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 и больше — созданию 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, сортировка элементов и их групп по электрическим параметрам с целью обеспечения малых потерь на коммутацию после сборки батареи. Для этих целей можно подобрать имитатор с оптимальным соотношением между сложностью конструкции и точностью измерений.

Высококачественные имитаторы внеатмосферного солнечного излучения для лабораторных исследований и выборочных измерений.

Чувствительность большинства солнечных элементов наиболее распространенных конструкций (исключая, видимо, лишь каскадные системы) лежит в значительно более узком спектральном диапазоне (например, в случае кремниевых солнечных элементов — от 0,4 до1,4 мкм), чем интервал длин волн, охватываемый внеатмосферным солнечным излучением (0,2—2,5 мкм). Это обстоятельство облегчает задачу разработки имитатора солнечного излучения. Однако практически ни один из типов имитаторов, используемых при испытаниях материалов космической техники [38], не может быть применен для измерения параметров солнечных элементов из-за значительной временной и спектральной нестабильности имитируемого потока излучения. Показательным примером может служить спектр излучения угольной дуги, достаточно близкий к спектру внеатмосферного Солнца, но нестабильный во времени.

Рисунок 3.6 Сравнение спектрального распределения энергии излучения имитаторов и внеатмосферного солнечного излучения: 1 — внеатмосферное солнечное излучение; 2 — имитатор С-1, 3, 4 — дампы накаливания до и после коррекции водяным фильтром толщиной 4 см соответственно.

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 С-1 на лампе накаливания с цветовой температурой 3100 К [35, 36] равномерность ±10% на площади 20Х30 мм получена наложением двух пучков излучения. Спектральная коррекция осуществляется с помощью цветных оптических стекол: СЗС-14 толщиной 1 мм, СЗС-17 — 3,5 мм и ПС-14 — 8 мм. С помощью светофильтров достигается достаточно хорошее воспроизведение спектра в интервале 0,4—1,1 мкм (рис. 3.6), 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 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 удалось преодолеть [35].

Постоянство спектра имитатора С-1 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 (СЗС-18) и инфракрасной (ИКС-21) 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 [37], 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 от каждого элемента 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 освещенность в различных точках облучаемой 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 конденсорами (чаще всего зеркальными эллипсоидами с большим углом охвата). Угол деколлимации равен отношению половины диаметра пучка лучей в фокусе коллиматора к его фокусному расстоянию [34].

Источником излучения большинства зарубежных имитаторов служит ксеноновая лампа высокого давления. Спектр коррегируется интерференционными светофильтрами, позволяющими приблизить спектр лампы к спектру внеатмосферного Солнца [38] (рис. 3.7).

Имитатор Spectrosim Х-25 фирмы Spectrolab (США), созданный для измерений солнечных элементов, дает пучок с равномерностью ±2% на площади диаметром 300 мм при расстоянии 1,5—2 м от кассеты со светофильтрами [21, 38, 39]. Сменный комплект фильтров позволяет получать как внеатмосферный, так и наземный солнечный спектр, правда, весьма далекий от стандартного спектра (условия AM 1,5).

На аналогичных принципах построены имитаторы фирмы UshioElectric (Япония), Oriel (США), OpticalRadiationCorp. (США), Bosh (ФРГ) и др. На рис. 3.8 представлены оптические схемы имитаторов Speetrosun Х-25 и малогабаритного фирмы UshioElectric.

Рисунок 3.8 Оптическая схема имитатора «Spectrosun Х-25» (а) и малогабаритного имитатора «UshioElectric» (б).

Среди российских имитаторов на средние площади хорошие параметры имеет прибор, разработанный во Всесоюзном научно-исследовательском светотехническом институте [40]. Равномерность освещения ±2% на площади 150X200 мм создается 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 иодида и бромида олова [41, 42]. Спектры излучения металло-галогенных ламп, наполненных бромидом олова, хлоридом алюминия и иодидом индия, представлены в работе [38].

Следует отметить, что использование в достаточно точных имитаторах внеатмосферного солнечного излучения элементов, 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 применять их 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).

Имитаторы для измерения параметров и контроля качества серийно выпускаемых солнечных элементов, и батарей.

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 [43].

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 двуокиси олова, смеси двуокиси олова и трехокиси индия или станнатов кадмия с поверхностным слоевым сопротивлением менее 50 Ом (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 [44]. Изменение спектра лампы накаливания после введения водяного фильтра видно из сравнения кривых 3 и 4 (рис. 3.9).

Подобные простые имитаторы с водяным фильтром широко используются для экспрессного контроля качества солнечных элементов и их групп (размерами до 20X30 см) на всех стадиях процесса 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 [45, 36]. 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, если ввести между диэлектрическими слоями светофильтра и стеклом тонкую полупрозрачную пленку хрома, нанесенную при большой скорости конденсации в высоком вакууме [36]. Осаждение постепенно испаряющегося слоя вольфрама на стекло и светофильтры также можно предотвратить, используя лампу-фару с нанесенными на ее колбу светофильтрами, внутрь которой встроена малогабаритная, но достаточно мощная вольфрамовая лампа в кварцевой оболочке [37]. Конструкция вольфрамовой лампы-фары для имитаторов Солнца с интерференционными светофильтрами на внутренних стенках и спектр ее излучения показаны на рис. 4.9. Из таких ламп-фар может быть собран имитатор Солнца для измерения параметров солнечных батарей любой площади.

Рисунок 3.9 Схема лампы-фары (с интерференционными многослойными пленочными светофильтрами на внутренних стенках) для имитаторов Солнца (а) и спектр ее излучения (б).

Аналогичная по конструкции лампа накаливания с внутренним интерференционным фильтром мощностью 300 Вт (напряжение питания 120 В) разработана фирмой «Дженерал Электрик» (модель ELH). На основе таких ламп с установленными перед ними линзами Френеля для получения потока параллельных лучей света создан удобный и простой имитатор солнечного излучения, дающий равномерный поток при освещении поверхности площадью 1,2X1,2 м на расстоянии 4,6 м [38]. В имитаторе использованы 143 кварцевые галогенные лампы с эллиптическим отражателем, на поверхность которого нанесено многослойное интерференционное покрытие (дихроическое зеркало), выпускающее из лампы большую часть инфракрасного излучения и отражающее видимое излучение, и 143 линзы Френеля гексагональной формы, установленные на расстоянии 28 см от ламп. Изменяя напряжение питания лампы имитатора такой конструкции, можно в достаточно широких пределах варьировать плотность и спектр имитированного потока излучения.

При больших площадях облучения (3X3 м и выше) обычно используются имитаторы на импульсных ксеноновых лампах [39— 41]. Эти имитаторы не имеют оптики, и равномерность освещения 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 вольтамперной характеристики батареи. К серии таких имитаторов относится, например, имитатор LAPSS для измерения батарей космического назначения, обеспечивающий на площади 2,5X2,5 м равномерность освещения ±2% [39]. Равномерность освещения построенного на аналогичном принципе небольшого имитатора TTPSS вертикальной конструкции (высотой 2,3 м) также составляет ±2% па площади 0,6X0,6 м. Имитатор сравнительно недорог, но за время одного импульса удается получить только одну точку вольтамперной характеристики [42].

При измерениях на импульсных имитаторах, солнечная батарея не успевает прогреться, и ее температура близка к комнатной [21].

В качестве стандарта при квалификационных испытаниях в различных странах использовались разные значения температуры солнечных батарей и элементов: 40, 28 и 25° С. В США и Западной Европе за стандарт принята температура 28° С [39—33]. Такой выбор вряд ли можно назвать удачным, поскольку при работе солнечные элементы и батареи обычно разогреваются, и значение 40° С точнее отражает реальные внеатмосферные и наземные условия эксплуатации солнечных батарей.

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. Вероятно, импульсные имитаторы желательно снабжать термостабилизирующим устройством для измеряемых солнечных батарей, а температуру батареи контролировать в момент измерений. Термостабилизирующее устройство может быть выполнено на основе, например, инфракрасных излучателей, устанавливаемых в момент измерений с темновой стороны батареи.

В заключение необходимо 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/м 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 [43]. Лампа взрывобезопасна, снабжена двойным охлаждаемым водой кварцевым окном в металлическом корпусе, однако значительная неравномерность освещения по площади, достигающая ±20% на краях облучаемой поверхности [38], позволяет использовать такие лампы лишь в устройствах для исследования светового старения космической техники или приближенной оценки работоспособности солнечных батарей, а не при измерениях их фотоэлектрических параметров.

Имитаторы наземного солнечного излучения.

Сложный характер наземного солнечного излучения при различных значениях воздушной массы (см. рис. 4.2) делает весьма трудной задачу имитации такого излучения, даже если ограничиться целью воспроизведения стандартного солнечного излучения в условиях АМ1,5, АМ2 или АМ1 [37, 39, 31] в области длин волн от 0,4 до 1,1 мкм. Вероятно, получение точного спектрального распределения стандартного наземного солнечного излучения возможно лишь с помощью монохроматора с изменяющейся по заданной программе щелевой или штырьковой диафрагмой, что, однако, не позволяет даже при светосильном монохроматоре достичь освещенности, характерной для солнечной) излучения. Второй возможный путь такой имитации — воспроизведение наземного солнечного спектра по отдельным спектральным участкам с помощью ксеноновой или галогенной лампы, снабженной набором сменных узкополосных интерференционных светофильтров. Оба способа к тому же создают поток имитированного солнечного излучения на очень небольшой площади в несколько квадратных миллиили сантиметров.

В связи со сложностью точной имитации наземного солнечного излучения получили широкое распространение методы приближенного воспроизведения наземных спектров и создания имитаторов со спектром излучения, повторяющим сглаженную, усредненную кривую излучения при условиях AM 1,5, АМ2 или АМ1. Такая цель может быть достигнута путем подбора или расчета нового комплекта светофильтров для имитаторов внеатмосферного излучения любой рассмотренной конструкции. Многие из этих имитаторов дают достаточно хорошее приближение к наземным солнечным спектрам при правильном выборе светофильтров и плотности потока прямого излучения, который, как известно, для условий АМ2 должен быть близок к 750 Вт/м², для АМ1,5 — к 850 Вт/м² и для АМ 1 — к 910— 950 Вт/м².

Для примера на рис. 3.10 представлена кривая излучения имитатора на основе галогенных ламп [38] в сравнении со стандартным солнечным спектром для условий АМ2. Для получения плотности потока прямого излучения, близкой к 750 Вт/м², напряжение на галогенной лампе с встроенным интерференционным дихроическим светофильтром марки ELH, использованной для создания имитатора данного типа [28], было понижено до 100 В.

Рисунок 3.10 Имитация стандартного солнечного спектра при условиях АМ2. 1 — имитатор на основе галогенных ламп с встроенными интерференционными дихроическими светофильтрами и линзами Френеля; 2— стандартный спектр наземного излучения в условиях АМ2.

Рисунок 3.11 Оптическая схема имитатора наземного солнечного излучения с диффузным отражателем; 1— вольфрамовая галогенная лампа марки КГМ-30−300−2;2— 4 — зеркальный фацетный.

Известен имитатор для измерения параметров солнечных элементов, состоящий из двух ламп — ксеноновой и вольфрамовой [44]. У ксеноновой лампы длинноволновая часть излучения (правее 0,7 мкм) «отрезана» с помощью фильтра на основе раствора медного купороса, охлаждаемого водой, а коротковолновое излучение вольфрамовой лампы накаливания (левее 0,55—0,6 мкм) поглощается фильтром из цветного стекла. Смешение на облучаемой поверхности размерами 1X2 см двух коррегированных таким образом потоков излучения дает возможность при изменении интенсивности излучения ламп и толщины фильтров получать сглаженную кривую как внеатмосферного, так и наземного излучения.

Полезные практические результаты получены при сравнении спектров двух имитаторов наземного солнечного излучения на основе ксеноновых и вольфрамовых ламп (с частичной фильтрацией излучения) со стандартным наземным солнечным излучением в условиях АМ1 [45]. Сопоставление параметров тонкопленочных солнечных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди—сульфид кадмия при измерениях в натурных условиях, близких к условиям АМ1, и в лаборатории на имитаторах обоих типов позволило сделать вывод, что имитатор, использующий ксеноновые лампы, дает значительно лучшее приближение к условиям эксплуатации солнечных элементов, вероятно, из-за отсутствия в спектре имитатора из вольфрамовых ламп коротковолнового излучения (А,<0,4 мкм), где чувствительность солнечных элементов еще сравнительно велика.

К значительному удорожанию имитаторов на ксеноновых лампах непрерывного горения и импульсных приводит необходимость снабжать их сменными комплектами многослойных интерференционных фильтров для воспроизведения наземного излучения. Более простые наземные имитаторы для измерения параметров солнечных элементов из кремния и арсенида галлия можно создавать на лампах накаливания, которые обладают более стабильными параметрами и не требуют сложного оборудования для стабилизации питания. Эти солнечные элементы обладают невысокой чувствительностью в области длин волн менее 0,5 мкм (при глубоком залегании —p-n-перехода в кремнии и большой толщине широкозонного фильтра из AlGaAs на поверхности арсенида галлия чувствительность в этой области практически отсутствует). Параметры таких солнечных элементов можно с достаточной точностью измерять на имитаторах, созданных на основе вольфрамовых ламп накаливания со светофильтрами из цветных стекол. Один из таких имитаторов [46] выполнен на галогенной лампе мощностью 650 Вт, работающей при цветовой температуре 3200 К. Коррекция спектра осуществляется оптическим фильтром CS1−75 CorningGlass. В освещенном пятне диаметром 6 см с равномерностью ±1% обеспечивается плотность потока излучения 740 Вт/м².

Можно сделать сравнительно простой наземный имитатор на лампах накаливания со стеклянными фильтрами и диффузным отражателем, обеспечивающим равномерное освещение рассеянным излучением, близким к наблюдающемуся в натурных условиях (рис. 3.11) [36]. Как показали эксперименты, такой отражатель легко позволяет получить равномерность ±5% на площади 40Х40 мм. Линзовая оптика в имитаторе отсутствует. Источник излучения — галогенные лампы с цветовой температурой 3400 К. Спектральное распределение полного потока наземного излучения при атмосферной массе 1,5 можно получить с помощью цветных стекол СЗС-24, СЗС-17, ПС-14.

Измерение характеристик солнечных элементов и батарей на естественном солнечном излучении.

При разработке систем преобразования солнечной энергии необходимо проводить натурные испытания наземных солнечных батарей в реальных условиях работы. Однако на естественном наземном излучении могут выполняться и квалификационные измерения, причем не только батарей наземного применения, но и космического. В этом случае, конечно, для определения плотности потока излучения применяется эталонный солнечный элемент, отградуированный для соответствующих стандартных условий. Необходимо подчеркнуть, что при использовании эталонных элементов наземное солнечное излучение при конкретных условиях фактически предстает как излучение, имитирующее стандартное (наземное и космическое). Например, если применяется коллимирующее устройство, то наземное излучение в летний полдень в высокогорье при сухой атмосфере ш малом количестве аэрозолей по своей близости к космическому может превосходить даже самые высококачественные имитаторы. Спектральное распределение энергии наземного солнечного излучения при воздушной массе т=1,03 измерено в условиях Столовой горы, в Калифорнии, на высоте около 2300 м над уровнем моря (рис. 4.13) [47]. В течение 1 мин плотность потока излучения на Столовой горе изменяется не более чем на 0,5%. Близкие к этимусловия измерений характерны и для высокогорной станции Государственного астрономического института им. П, К. Штернберга (около 3000 м над уровнем моря), где ежегодно проводится градуировка эталонных солнечных элементов [48].

Рисунок 3.12 Типичное спектральное распределение энергии наземного солнечного излучения в высокогорных условиях (2300 м над уровнем моря; атмосферное давление 585 мм рт. ст; толщина слоя осажденных паров воды 5 мм, озона 2,5 мм; концентрация частиц пыли в воздухе 200 см^-3; m=1,03).

Стандартное спектральное распределение энергии наземного излучения рассчитано на основе среднего содержания всех компонент атмосферы. Такие условия не характерны ни для одного из сезонов года, однако во многих случаях естественное излучение оказывается к стандартному ближе, чем излучение высококачественных наземных имитаторов.

Измерение характеристик наземных солнечных элементов и батарей на естественном излучении можно проводить тремя способами: помещая батарею горизонтально, устанавливая ее с наклоном к югу на угол, близкий к широте местности, или с помощью системы слежения, располагая по нормали к прямому потоку. Эталонный солнечный элемент во всех случаях должен устанавливаться в одной плоскости с измеряемой батареей.

Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Первый — наиболее прост, позволяет избежать попадания излучения, отраженного от грунта, но измерения можно проводить лишь при большой высоте Солнца [32]. Второй метод ближе к условиям реальной работы солнечных батарей, но требует защиты от излучения, отраженного подстилающей поверхностью. Измерения по третьему методу обычно проводятся с применением коллимирующих тубусов. Он дает наиболее воспроизводимые результаты, однако необходимость использования следящей системы и коллимирующих устройств не позволяет применять его для больших батарей.

При любом методе плотность потока излучения во время измерений не должна отличаться от стандартной более чем на 20%. Это позволяет уменьшить ошибку при расчете параметров элементов или батареи в стандартных условиях. Температура элементов и батарей при измерениях должна быть близка к стандартной. Если для отдельных элементов это выполнить легко, то для батарей равномерную термостабилизацию в большинстве случаев осуществить трудно. Чаще используется точное измерение истинной температуры. При этом батарея должна быть хорошо защищена от ветра, чтобы обеспечить однородность температуры по всей площади. Расчет параметров элементов и батарей при стандартных температуре и освещенности может проводиться по формулам, приводимым в работе [32].