Сейчас “уже никто не сомневается в большом научном и прикладном значении фотоэнергетики и ее оптических и метрологических раз­делов [1—5, 472]. Широким фронтом ведутся исследования по раз­работке новых моделей и конструкций солнечных элементов (в том числе из аморфных сплавов германия с кремнием [473] и кремния с селеном [474]), по расчету и разработке селективных покрытий, и хотя некоторые из более поздних работ [475—477] просто повто­ряют исследования, выполненные на 15 лет раньше [289—296, 309], в ряде публикаций описаны методы нанесения покрытий, усовер­шенствованные столь значительно [478, 479], что они могут быть широко использованы на практике в ближайшем будущем. Перспек­тивны работы по созданию плоских вакуумированных коллекторов [480], важны исследования, направленные на облегчение космиче­ских солнечных батарей, улучшение их радиационной стойкости и устойчивости к повреждающему воздействию лазерного излучения [481, 482], которое находит все большее применение в технологии и измерениях параметров солнечных батарей [483—486]. Конструи­руются новые имитаторы Солнца [487], уточняется значение сол­нечной постоянной [488]. Значительные успехи достигнуты в раз­работке просветляющих покрытий с переменным по глубине показа­телем преломления [489], созданы каскадные тонкопленочные эле­менты из аморфного и поликристаллического кремния с КПД 12,1% [490], организуются лаборатории по метрологии солнечных элемен­тов [491]. Входит в повседневную практику измерений параметров наземных солнечных батарей согласованный в международном мас­штабе спектр солнечного излучения в условиях AM 1,5 со строго фиксированными параметрами атмосферы [492, 493]. Спектральный состав и плотность излучения стандартного наземного солнечного спектра, по отношению к которому следует определять КПД сол­нечных элементов и батарей, продолжают уточнять.

Сотрудники Института солнечной энергии в штате Колорадо (США) предложили использовать в качестве стандартного спектр прямого солнечного излучения при АМ1,5 [494], незначительно от­личающийся от принятого в настоящее время [391, 393], а также спектр суммарного солнечного излучения при АМ1,5, падающего на поверхность, расположенную под углом 37° к горизонтали [494]. Этот спектр столь значительно обогащен коротковолновым излуче­нием за счет диффузной составляющей излучения и солнечного из­лучения, отраженного от поверхности Земли (альбедо Земли приня­то равным 0,2), что его спектральное распределение, определяемое, в частности, «сине-красным отношением», весьма близко к АМО.

о

М М Колтун

Наземные фотогенераторы на практике работают в условиях облучения суммарным, а не прямым потоком солнечного излучения,, однако применение суммарного потока для определения КПД встре­тит значительные методические трудности, связанные, например, с необходимостью учета зависимости коэффициента отражения и фототока солнечных элементов от угла падения солнечных лучей на измеряемую поверхность. В случае перехода на спектр суммарного излучения в качестве стандартного у эталонных и измеряемых сол­нечных элементов должны быть практически одинаковыми не толь­ко спектральная чувствительность, но и угловые спектральные зави­симости коэффициента отражения и фототока.

Оптические и Метрологические исследования свойств солнечных элементов — новое и важное в теоретическом и практическом отно­шении направление в науке о преобразовании энергии.

Без развития исследований по оптике и метрологии солнечных элементов было бы невозможно не только точно определить КПД элементов и батарей в космических и наземных условиях, но и опти­мизировать их характеристики применительно к разнообразным ус­ловиям эксплуатации.

[1] Использованный для получения данных табл. 4 3 спектр АМ1,5 представ­лен на рис. 4.5 (кривая 2) [391], диффузная составляющая (молекулярное и аэрозольное рассеяние) — на рис. 4.3 (кривая 2) [382, 383]. спектры АМЗ и АМ5 (прямое излучение) — на рис. 4.2 (кривые 4 и 6) [380].

Эталонные солнечные элементы из различных полупроводниковых материалов широко используются при настройке имитаторов Солн­ца для измерения параметров солнечных элементов и батарей в ла­

бораторных и заводских условиях и во время определения характе­ристик наземных солнечных батарей в натурных условиях. Значи­тельно более редким, но не менее важным с научной точки зрения является использование эталонных солнечных элементов для изуче­ния характеристик самого солнечного излучения, например, на бор­ту космических аппаратов, где высокие удельно-массовые характе­ристики, надежность, стабильность, термостойкость, малые габари­ты превращают полупроводниковые солнечные элементы в весьма удобные и чувствительные датчики солнечного излучения [465].

В наружных контейнерах, установленных на спутниках типа «Космос-1129» с биологическими объектами на борту, при помощи датчиков из солнечных элементов измерялась освещенность, созда­ваемая Солнцем на поверхности объектов, движущихся на сравни­тельно невысоких и почти круговых околоземных орбитах (средняя высота 300 км, угол наклона орбиты 62°), что было вызвано необ­ходимостью контроля условий экспонирования в открытом космосе биологических объектов. ОднЬвременно определялась суммарная дли­тельность промежутка времени, в течение которого были ориенти­рованы в направлении на Солнце детекторы космического излуче­ния, размещенные в этих же контейнерах.

Спутник был запущен на околоземную орбиту 25 сентября 1979 г,, и после почти 20-суточного полета наружные контейнеры в составе спускаемого аппарата возвратились на Землю. Во время полета спут­ник не был ориентирован, совершая медленное вращение вокруг оси, неконтролируемо меняющей свое направление. Использованные для исследований контейнеры во время прохождения спускаемого аппарата через сплошные слои земной атмосферы обеспечивали теплозащиту размещенных в них объектов.

Измерения освещенности проводились с помощью автономного, не имевшего телеметрического выхода датчика-интегратора типа ДКО-2, состоявшего из двух эталонных кремниевых солнечных эле­ментов, включенных навстречу друг другу и подключенных через делитель к интегрирующему ртутному кулометру, а также компен­сационные полупроводниковые диоды [465], С помощью механиче­ской шторки датчики могли быть поочередно открыты (при этом направление передвижения промежутка между ртутными электро­дами изменяется на обратное). Электрический ток, создаваемый от-‘ крытым солнечным элементом (при закрытом втором элементе), про­пускается через кулометр, представляющий собой стеклянный ка­пилляр с двумя ртутными электродами, разделенными каплей элек­тролита, называемой индексом кулометра. Освещение солнечного элемента вызывало появление тока, протекание которого в свою оче­редь приводило к смещению положения капли электролита на не­подвижной шкале. Смещение соответствовало количеству пропущен­ного через кулометр электричества, пропорциональному количеству света, попавшего на поверхность солнечного элемента [466].

Перед установкой на борт спутника датчик ДКО-2 и его эталон­ные солнечные элементы были отградуированы на имитаторе сол­нечного излучения таким образом, чтобы максимальная ингегралъ пая облученность в полете соответствовала 0,95 от длины шкалы кулометра.

На внутренней крышке контейнера с научной аппаратурой спут­ника «Космос-1129» были размещены также металлические пласти­ны с нанесенными на — их поверхность селективными покрытиям** Некоторые из них, например белые акриловые эмали, темнеют под воздействием солнечного излучения. Темп увеличения интегрального коэффициента поглощения солнечного излучения их поверхности хо­роню изучен в космических условиях при полетах спутников серии «Венера» на датчиках с достаточно точной ориентацией на Солнце f23}, Световой поток, падающий на покрытия, и интегральная облу­ченность оценивались дополнительно по изменению коэффициента поглощения солнечного излучения этих покрытий за все время полета.

Зная коэффициент поглощения солнечного излучения до и после полета и используя его~ зависимость от облученности или времени полета в солнечных сутках (принималось, что солнечная постоянная равна 1360 Вт/м2) [23J, можно оценить длительность промежутка времени, в течение которого объекты, размещенные в контейнерах, освещались солнечным излучением, направленным перпендикулярно к поверхности пластин с покрытием, и провести сравнение двух ме­тодов измерения освещенности в течение полета.

Измерения на спутнике «Космос-1129» интегрального потока солнечного излучения, падающего на объекты, размещенные в кон­тейнерах, дали значения 4,6 эквивалентных солнечных суток по по­темнению покрытий и 4,5 сут по показателям датчиков типа ДКО-2 на эталонных элементах.

Отметим, что полученные данные соответствуют потоку солнеч­ного излучения, падающего по нормали к поверхности датчиков и пластин с покрытиями. Следовательно, речь идет об облучении по­током, эквивалентным прямому (направленному по нормали), по­скольку суммарный реальный поток излучения падает на плоские поверхности под разными углами в пределах телесного угла 2я.

Таким образом, выполненные исследования позволили с доста­точной степенью точности установить, что за время неориентиро­ванного полета искусственного спутника Земли «Космос-1129» (при­близительно 20 сут) установленные на нем контейнеры с научной аппаратурой были облучены потоком солнечного излучения, экви­валентного прямому солнечному потоку, направленному вдоль нор­мали к поверхности, в течение 4,5—4,6 сут.

Полупроводниковые солнечные элементы, преобразующие сол­нечное излучение сразу в электрическую энергию, могут, как уже указывалось, служить не только ее источником па борту космиче­ских аппаратов, но и датчиками освещенности прямым и отражен­ным световыми потоками при исследовании Земли из космоса [149,

Рис. 4.23. Расположение мало­габаритных солнечных бата­рей (1—3) на корпусе спускае­мого аппарата межпланетной автоматической станции «Ве­нера-11»

354]. а также при изучении прозрачности атмосфер других планет, например Венеры. С этой целью на борту большинства аппаратов, спускавшихся в атмосфере планеты Венера, устанавливались мало­габаритные солнечные батареи, предварительно отградуированные в лабораторных условиях [467]. Информация, полученная с помощью этих батарей, не только дополнила результаты спектральных изме­рений прозрачности атмосферы Венеры [468], но и позволила оце­нить степень диффузности светового потока, а также во время спу­ска 16 мая 1969 г. «Веперы-5» на ночной стороне планеты впервые зафиксировать всплески освещенности [469], которые наряду со све — товіьіми измерениями, проведенными при спуске «Веперы-9 и -10»

и исследованиями радиошумов, создаваемых электрическими разря­дами на «Венере-11 и -12», привели к выводу о появлении молний в атмосфере планеты [470].

Разработанная конструкция малогабаритных батарей выдержи­вает воздействие перегрузок до 300g (g — ускорение силы тяжести) при входе в атмосферу планеты, а также повышение температуры (до 300° С) и давления (до 100-105 Па). Как правило, каждая ба­тарея состояла из 28—30 отдельных солнечных элементов из крем­ния, предварительно отградуированных и соединенных последова­тельно друг с другом и с нагрузочным сопротивлением, обеспечиваю­щим получение выходного напряжения от 0 до 6 В при изменении плотности потока солнечного излучения от 50 до 1500 Вт/м2.

Малогабаритная солнечная батарея, как и остальная аппаратура спускаемого аппарата AMG «Венера», охлаждалась перед спуском приблизительно до —15° С [469], что позволило обеспечить вполне допустимый для солнечных элементов температурный режим на большей части траектории аппарата. При обработке результатов из­мерений вводилась температурная поправка.

Проведенные 25 декабря 1978 г. на станции «Венера-11» с по­мощью трех малогабаритных солнечных батарей, расположенных на корпусе спускаемого аппарата (рис. 4.23), измерения плотности потока солнечного излучения в атмосфере планеты показали, что плотность потока излучения, проходящего сквозь атмосферу Вене­ры, достаточно высокая (рис. 4.24). Это согласуется с данными ста­тей [468, 471] и говорит о возможности эффективной работы сол­нечных батарей с целью энергоснабжения, например, плавающих в атмосфере планеты аэростатных станций [467].

Отмеченный на рис. 4.24 вертикальными линиями разброс значе­ний на одном и том же спускаемом аппарате весьма невелик, что свидетельствует о практически полностью диффузном характере осве­щенности и об отсутствии прямой составляющей потока солнечного излучения на таких высотах в атмосфере Венеры. Во время спуска аппаратов «Венера-13 и -14» в марте 1982 г. проведены аналогичные эксперименты и получены результаты, весьма близкие к показанным на рис. 4.24.

* 1

При транспортировке и хранении солнечных батарей возможны по­вреждения, которые желательно оценить быстро, однако без высоких требований к точности измерений, В этом случае удобно использовать вместо больших имитаторов Солнца (обеспечивающих необхо­димую плотность потока излучения) плоские панели из светоизлу­чающих диодов [464]. Светодиоды уже нашли применение в метро­логии при создании, например, комплекса приборов и средств изме­рений потока излучения низкой плотности (ГОСТ 8.273-78). Поме­щаемые между сложенными створками солнечных батарей такие злектролюминесцентные панели из набора светодиодов или плоских излучателей позволят даже при низкой освещенности оценить рабо­тоспособность батарей.

Дефекты на внешней поверхности стекла, отслоение покрытий или изменение их интерференционной окраски из-за воздействия не­благоприятных климатических факторов (например, повышенная влажность) также могут быть обнаружены без использования ими­таторов Солнца или развертывания панелей для измерения на на­турном наземном Солнце. Изменение оптических свойств батареи, вызванное подобными дефектами, может быть оценено путем изме­рения коэффициента отражения дефектного места с помощью мало­габаритного портативного спектрофотометра. Измеренное значение спектрального коэффициента отражения в области 0,3-2,5 мкм за­тем легко пересчитать на интегральное значение коэффициента по­глощения солнечной радиации с помощью номограмм с деформи­рованной шкалой длины волны [46, 23]. В связи с усилением интереса к определению коэффициента поглощения солнечной радиа­ции и по отношению к наземному спектру Солнца, что нашло отра­жение в расчетах (см. гл. 3), Г. А. Гухман были построены номо­граммы (подобные известным для внеатмосферного спектра Солнца [369, 356]), по которым легко определить at для внеатмосферного спектрального распределения, предложенного Е, А. Макаровой и А. В. Харитоновым [358, 361], и наземных солнечных спектров при определенных стандартных условиях [380, 382, 383, 390, 391] (рис. 4.22).

Применялся еще один метод контроля качества солнечной бата­реи без применения имитаторов Солнца [21]. После приложения к сложенной батарее в прямом направлении постоянного напряжения

/

z

J

4

to CO

от внешнего источника электроэнергии измеряется ток, протекаю­щий через неосвещенную батарею, причем желательно, чтобы он составлял не менее 50% от тока короткого замыкания освещенной батареи. Прямой темновой ток в значительной степени зависит от поддерживаемой нри измерениях на строго фиксированном стабиль­ном уровне температуры батареи. Целесообразно пропускать черев батарею ток от источника пульсирующего напряжения (с проме­жутками между импульсами 10 с). Этот метод проверки электри­ческих характеристик батарей был успешно применен при контроле качества изготовления отдельных блоков и модулей солнечных ба­тарей станции «Скайлаб». Таким образом, в частности, можно оце­нить число параллельно включенных групп и модулей в батарее и обнаружить разрыв электрического соединения между ними. По­скольку общее последовательное сопротивление неосвещенной бата­реи зависит также от числа последовательно соединенных элемен­тов, этот метод позволяет проверить и последовательную цепь эле­ментов.

Следует отметить, что контроль параметров солнечной батареи (например, после ресурсных испытаний на имитаторе Солнца) по результатам измерения ее нагрузочной вольт-амперной характери­стики позволяет определить лишь общее изменение выходной мощ­ности батареи. Для выяснения, какие конкретные группы, модули или отдельные элементы стали дефектными, требуется трудоемкая проверка качества батареи по частям. Значительно проще и быст­рее определяется положение таких повреждений, как появившиеся в элементах после термоциклирования трещины при измерении ин­тегрального коэффициента теплового излучения поверхности с по­мощью сканирующего инфракрасного терморадиометра. От внешнего источника постоянного напряжения через модули и группы солнеч­ных элементов, установленных в одной плоскости, в обратном на­правлении пропускается ток, вызывающий выделение джоулева теп­ла, особенно интенсивное в местах электрических соединений с по­вышенным сопротивлением и в области сколов, трещин, разломов самих элементов, что достаточно четко фиксируется, как показали измерения, приемным элементом [103 —105, 449, 450] терморадио­метра. При пропускании прямого тока через элементы солнечных батарей тепловое излучение дефектных мест настолько слабое и так мало отличается от излучения соседних элементов, не имеющих на­рушений, что определить точное местонахождение дефектов с по­мощью терморадиометра в этом случае практически невозможно.

Характеристики элементов и батарей под естественным солнечным излучением можно определять в прямом и полном потоке. В пер­вом случае эталонные солнечные элементы, снабженные коллими­рующими тубусами (имеющими угловое поле не более 3°), наводят­ся на Солнце, а затем на их место устанавливаются измеряемые — элементы. Плотность потока прямого солнечного излучения допол­нительно определяется с помощью пергелиометра. В период измере­ния необходимо соблюдать следующие условия: энергетическая об­лученность поверхности элементов в диапазоне 750—900 Вт/м2; атмосферная масса в пределах от 1 до 2; небо ясное и голубое, что свидетельствует об отсутствии аэрозольного рассеяния; произведе­ние атмосферной массы на коэффициент мутности не более 0,25 [392].

Измерения в полном потоке [389—392] проводятся при горизон­тальном расположении элементов. Плотность потока излучения до­полнительно определяется пиранометром. Одновременно, если име­ется необходимая аппаратура, исследуется спектральное распреде­ление энергии полного потока. Градуировочное значение, относя­щееся к стандартным условиям, вычисляется на основе полученных и эталонных значений плотности излучения, записанных в паспорте использованного эталона При наличии данных о спектральном рас­пределении энергии полного потока в момент измерений и значи­тельном расхождении его со стандартным значением (условия AM 1,5) в полученные результаты может быть внесена поправка.

При измерениях требуется соблюдение следующих условий: яс­ная погода с плотностью прямого потока солнечного излучения не менее 800 Вт/м2 и плотностью рассеянного потока не более одной четверти от плотности прямого; высота Солнца не менее 54°. Во всех случаях следует использовать вольтметры с внутренним сопротив­лением не менее 10 кОм/В; падение напряжения в схеме при из­мерении тока короткого замыкания должно составлять не более* 20 мВ на один солнечный элемент.

Ток короткого замыкания желательно определять при напряже­нии, близком к нулю, что можно осуществить, используя встречное напряжение (от блока с электронным регулятором), компенсирую­щее падение напряжения на последовательном сопротивлении.

Вольт-амперную характеристику можно снять вручную или авто­матически с регистрацией данных на двухкоординатном самописце — или с помощью цифропечатающего устройства, а также с помощью мини-ЭВМ.

Необходимо отметить, что наземные солнечные батареи только небольшую часть времени работают в условиях, близких к стан­дартным (AM 1,5 и соответствующее им содержание составляющих атмосферы). В течение дня меняются высота Солнца над горизонтом и соответственно значение атмосферной массы, глубина полос по­глощения водяным паром, озоном, кислородом, по-разному сказы­

вается влияние аэрозольного рассеяния. Перемена погоды, внезап­ная облачность, дождь приводят к еще более значительному отступ­лению плотности потока излучения и спектра Солнца от стандарт­ных значений.

Экспериментальным и расчетным путем многие исследователи старались определить направление изменения основных параметров, и прежде всего КПД, солнечных элементов при вариации составляю­щих атмосферы и спектра солнечного излучения. Очевидно, что об­суждаемая тенденция изменения параметров в каждом случае будет зависеть не только от различий в спектре Солнца, но и от характера спектральной чувствительности солнечного элемента из определен­ного полупроводникового материала. По разнице значений переход­ных коэффициентов от внеатмосферного (условия АМО) к стандарт­ному наземному спектру AM 1,5 для эталонных солнечных элемен­тов на основе различных полупроводниковых материалов и структур можно судить о том, сколь значительным оказывается в некоторых случаях изменение характеристик элементов при переходе к спек­трам Солнца, отличным от стандартных и общепринятых.

Особенно трудно выделить влияние на характеристики солнеч­ных элементов какого-либо одного параметра солнечного излуче­ния, например атмосферной массы т, поскольку в натурных усло­виях одновременно с ней обычно изменяются сразу несколько пара­метров излучения. Видимо, по этой причине при натурных измере­ниях, выполненных в условиях Кливленда (штат Огайо, США), не удалось обнаружить зависимость КПД солнечных элементов из кремния, арсенида галлия и сульфида кадмия от атмосферной мас­сы т при ее изменениях от 1,3 до 4,5 (при одновременных значи­тельных вариациях плотности потока излучения при одной и той же атмосферной массе за счет резкого перехода от яркого Солнца к облачности или туману) [457J. Измерения проводились в период с декабря 1974 г. по март 1975 г., когда спектральные изменения в проходящем сквозь атмосферу солнечном излучении сравнительно невелики и ток солнечных элементов был практически пропорцио­нален плотности прямого потока падающего излучения, который оце­нивали по показаниям пергелиометра независимо от значения атмо­сферной массы, изменявшейся в широких пределах.

Экспериментальные исследования, выполненные в лабораториях фирмы «Комсат» (г. Кларксбург, штат Мэриленд, США) с середины ноября 1975 г. по первую декаду января 1976 г., позволили обнару­жить зависимость КПД кремниевых элементов от атмосферной мас­сы [458]. Плотность потока солнечного излучения определялась с помощью пиранометра, который при необходимости отделить пря­мую составляющую излучения от суммарной закрывался черным диском диаметром 4 см на расстоянии 30 см от чувствительной поверхности. Экспериментальные данные были подтверждены расчетами [458] с использованием результатов измерений абсолют­ной спектральной чувствительности элементов и спектров наземного

Солнца при различных параметрах атмосферы [459, 460]. В качестве внеатмосферного спектра сравнения при условиях АМО был принят спектр Джонсона [369]. Для расчетов и экспериментов использова­лись кремниевые солнечные элементы с мелкозалегающим р—«-пере­ходом изготовления фирмы «Комсат». Аналогичные результаты были получены для элементов из арсенида галлия [458].

Несмотря на значительно меньшую электрическую мощность в наземных условиях по сравнению с генерируемой солнечными ба­тареями во внеатмосферных (из-за меньшей плотности потока из­лучения), КПД преобразования в наземных условиях может быть почти на 20% выше в зависимости от характера спектра падающего излучения и спектральной чувствительности конкретного солнечно­го элемента [458]. Если в расчетах использовать сглаженную оги­бающую кривую спектра для условий АМ1 (при этом селективные полосы поглощения водяным паром, озоном и кислородом не учиты­ваются) , то получим КПД солнечных элементов таким же, что и для условий АМО. При реальном спектре АМ1 с селективными полоса­ми поглощения КПД элементов будет выше на 10%, чем в условиях АМО (переходный коэффициент 1,1), при АМ2 — на 15% (коэффи­циент 1,15), при АМЗ —на 16% (коэффициент 1,16).

Эксперимент показал, что для условий АМ2 при относительно ясной погоде переходный коэффициент составляет 1,11—1,12 (при­чем он имеет одинаковое значение как для суммарного излучения, так и для прямой составляющей его), а для туманных дней — 1,15-1,19.

Таким образом, важная особенность изменения наземных пара­метров солнечных элементов состоит в следующем: по мере увели­чения воздушной массы, возникновения пасмурности, облачности, дымки, появления капель дождя КПД солнечных элементов, как правило, значительно растет, хотя абсолютное значение генерируе­мой ими мощности падает [458]. Причину этого явления легко по­нять из сравнения кривых спектрального распределения энергии солнечного излучения при различных атмосферных массах (см. рис. 4.2): при увеличении значения атмосферной массы от 1 до 5 плотность потока излучения падает, но максимум проходящего сквозь атмосферу солнечного излучения сдвигается вправо, прибли­жаясь к максимуму спектральной чувствительности солнечных эле­ментов из кремния и арсенида галлия [380].

Конечно, такова очевидная зависимость для прямого солнечного излучения. Спектр рассеянного излучения (при ухудшении клима­тических условий) зависит от соотношения между диаметром час­тиц, образующих дымку, туман, размерами капель дождя и длиной волны солнечного излучения. Однако увеличение переходного коэф­фициента с уровня 1,11—1,12 при хороших погодных условиях до диапазона 1,15—1,19 для плохой погоды [458] говорит о том, что соотношение между длиной волны солнечного излучения и размера­ми рассеивающих частиц может быть таким, что поглощается и за — держпвается в атмосфере в основном коротковолновое излучение, при этом спектр проходящего излучения приближается к спектраль­ной чувствительности солнечных элементов.

Молекулярное и аэрозольное рассеяние ясного неба вызывает обратный эффект — уменьшение переходного коэффициента от ус­ловии АМО к наземным условиям. Учет диффузного рассеяния ясного неба должен привести к приближению любого наземного спектра к спектру внеатмосферного Солнца, так как спектральное распределение этого рассеяния лежит в коротковолновой области спектра (см. рис. 4.4 и 4.5). Расчеты подтверждают высказанное положение: для современных кремниевых солнечных элементов с высокой чувствительностью в коротковолновой части спектра пере­ходный коэффициент от условий АМО к условиям A Ml,5 при рас­чете только на прямой поток излучения составляет 1,17, а при рас­чете на суммарное излучение (с учетом диффузного рассеяния яс­ного неба) уменьшается до 1,14 [420]. Такая же тенденция отмечена в работе [420] и для солнечных элементов на основе арсенида га — лия и сульфида кадмия.

Расчетные исследования, по нашему мнению, позволяют значи­тельно четче выделить влияние атмосферной массы, отдельных ин­тервалов спектра наземного Солнца и свойств элементов на значе­ние переходных коэффициентов. Результаты расчетов, выполненных Е. С. Макаровой, по определению переходных коэффициентов для основных конструкций солнечных элементов от условий АМО к не­скольким известным наземным спектрам приведены в табл. 4.3 [1].

Для двух типов кремниевых солнечных элементов с резко отли­чающейся спектральной чувствительностью (из-за различия в глу­бине залегания р—тг-перехода) при неизменном состоянии атмосфе­ры (международный спектр для условий АМ1,5 [391], в котором изменялся только один параметр — атмосферная масса т, а осталь­ные характеристики оставались постоянными: толщина слоя осаж­денных паров воды 2,0 см, озона 3,4 мм; р=0,12; а=1,3) И. С. Ор­шанским был проведен расчет переходных коэффициентов:

Даже самые высококачественные имитаторы не воспроизводят с абсолютной точностью оптические параметры стандартного солнеч­ного излучения. Погрешность измерения электрических характери-

Переходные коэффициенты от условии АМО к различным спектрам наземного солнечного излучения для основных типов солнечных

элементов

стик солнечных элементов и батарей, возникающая в связи с этим, в значительной степени снижается при использовании для настрой­ки имитаторов эталонных элементов. Снижается, но не исчезает, поскольку оптические характеристики измеряемых солнечных эле­ментов могут отличаться от характеристик эталонного элемента.

В 1976 г. Европейским космическим центром и фирмой «Комсат» проведена совместная работа по измерению 15 солнечных элементов фирмы «Комсат» на девяти имитаторах, принадлежащих различным лабораториям и организациям США и стран Западной Европы. Раз­брос определенных на разных имитаторах значений токов короткого- замыкания солнечных элементов достигал 13—15% [461]. Резуль­таты такого сравнения указывают на важность оценки точности из­мерений конкретных типов солнечных элементов на конкретных имитаторах.

Погрешность измерения солнечных элементов складывается из: нескольких составляющих: спектральной, угловой, поверхностной, температурной, временной [462]. Исследования показали, что по­грешность равным образом определяется как отличием спектра ими­татора от солнечного, так и разницей в спектральной чувствитель­ности измеряемого и эталонного солнечных элементов.

На имитаторах с высокой неравномерностью освещения погреш­ность можно уменьшить введением при настройке имитатора по­правки, учитывающей различие в облученности поверхности эталон­ных солнечных элементов и измеряемых батарей (или групп сол­нечных элементов). Поправка рассчитывается на основе детальной карты распределения облученности по рабочему полю и реального соотношения площадей эталонного элемента (единичного или груп­пового) и измеряемого объекта (элемента, группы, батареи боль­шого размера). Поправка равна отношению средней по площади измеряемого объекта облученности к средней по площади эталон­ного приемника. При измерении распределения облученности необ­ходимо, чтобы площадь используемого эталонного элемента состав­ляла не менее четверти площади измеряемого объекта. С имитато­рами, предназначенными для измерений отдельных элементов, при­меняется элемент размерами 5X5 мм. Распределение облученности солнечных батарей определяется с помощью эталонной группы сол­нечных элементов размерами 70X75 мм [419]. В результате введе­ния поправки, даже если неравномерность облученности достигает значений ±10% (в случае батарей большого размера), погрешность, возникающая в связи с этим, не превышает 2%.

Наиболее простой метод контроля спектра — периодическая про­верка «сине-красного отношения» [419], которую можно проводить поочередным измерением эталонного элемента со светофильтрами, выделяющими излучение синей и ближней инфракрасной областей спектра [400, 461, 463], а также с применением дихроического зер­кала [463].

Погрешность определения тока короткого замыкания конкретно­го солнечного элемента или батареи, связанная с отличием спек­трального распределения энергии излучения имитатора (в качестве которого может рассматриваться и наземное солнечное излучение при нестандартных условиях) и Солнца (стандартного внеатмосфер-

1 — лампа накаливания без коррекции спектра; 2 — лампа накаливания с водяным теплофильтром толщиной 4 см; 3— имитатор С-1; 4 —Солнце в горах на высоте 2000 м лад уровнем моря (склон горы Арагац в Армении); 5 —Солнце на уровне моря при толщине слоя осажденных паров воды 2,0 см 1380]

ного или, наземного), может быть подсчитана’ по следующей фор­муле [366, 396]:

тде /Им, /с — ток короткого замыкания измеряемого элемента на ими­таторе и на солнечном излучений со стандартным спектром соот­ветственно; Ес% — спектральная плотность потока стандартного сол­нечного излучения; Еямі, — спектральная плотность потока имитиро­ванного солнечного излучения; Sea — относительная спектраль­ная чувствительность эталонного и измеряемого солнечных элементов» Зависимости погрешности определения тока солнечных элемен­тов, вызванной отличием спектрального распределения энергии из­лучения разных имитаторов и стандартного внеатмосферного спектра Солнца, от цветовой температуры Тп„ лампы накаливания, а также значения погрешностей при измерениях в условиях наземных спек­тров солнечного излучения для различных значений атмосферной массы ш [396] представлены на рис. 4.21.

Спектральная погрешность невелика лишь в случае имитаторов с достаточно точной коррекцией спектра (например, имитатор С-1 (кривая 5)), однако на естественном Солнце, особенно в высоко­горных условиях, также могут быть проведены качественные изме­рения параметров солнечных элементов и батарей, особенно при не­больших значениях атмосферной массы (кривые 4 и 5).

В июне 1982 г. в г. Будапеште на имитаторе наземного Солнеч­ного излучения были проведены совместные советско-венгерские измерения вольт-амперной характеристики и КПД солнечных эле­ментов в лабораторных условиях [423].

Источником света в имитаторе служила ксеноновая лампа высо­кого давления, спектр которой коррегирован интерференционным светофильтром. Настройка имитатора осуществлялась с помощью эталонного солнечного элемента ПС-9 (чувствительная поверхность 30X35 мм), разработанного и отградуированного в СССР. Конструк­ция эталона, как уже указывалось, предложена в качестве стандар­та для стран СЭВ. Градуировка проведена для наземных условий АМ1 (плотность прямого потока солнечного излучения 1000 Ёт/м2) и для условий АМ1,5 (плотность прямого потока 850 Вт/м2). При работе на имитаторе испЬльзовался разработанный в 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 способ съема тока с от­дельной цепью для подключения вольтметра, который позволяет значительно точнее по сравнению с двухзондовым (см. рис. 1.18) 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 замеряет напряжение, которое установилось непосредственно на солнечном элементе. Как показали эксперименты, для элементов площадью 5,4 см2 при стан­

дартной плотности потока излучения и значении тока короткого замыкания 160 мА при измерении двумя способами разница в КПД не отмечается; при площади 10,5 см2 и токе короткого замыкания 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 потока или при исследовании параметров солнечных элементов с большой площадью фоточувствительной поверхности. Такая схема применяется, например, для измерения электрических характери­стик блок-элементов (модулей с параллельно соединенными солнеч­ными элементами большого размера, имеющих высокие значения тока при малых напряжениях [141, 142]).

Результаты проведенных в ВНР в июне 1982 г. измерений 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 (эталонный солнечный элемент, который используется в США для измерения наземных элементов применительно к условиям АМ1, был продемонстрирован на советско-американском семинаре в 1977 г. [393]). 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 CCGP и США.

Градуировка советских эталонов проводилась на естественном солнечном излучении в районе Алма-Аты (высота над уровнем моря 3000 м), а также по абсолютной спектральной чувствительности (см. 4.4). Градуировочное значение тока в последнем случае опре­делялось путем пересчета абсолютной чувствительности эталонных элементов на стандартный спектр АМ1 с более узкой полосой погло­щения водяными парами атмосферы в окрестностях длины волны 0,9 мкм, чем это было принято в работах [376, 387, 389], после опубликования которых форма этой полосы уточнялась, что нашло свое отражение в согласованном^ в международном масштабе спектре излучения при АМ1,5 [391]. Участок стандартных наземных спек­тров от 0,8 до 1,1 мкм при условиях АМ1 [387], АМ2 [376г 389]

Рис. 4.20. Распределение энергии в области одной из основных полос поглощения водяными парами ат­мосферы (0,8—1,1 мкм) спектра солнечного излучения при различ­ных условиях

1,2 — стандартный внеатмосферный в наземный АМ1,5 соответственно; з — АМ1, 4 — АМ2

и AM 1,5 [391] показан на рис. 4.20, из которого хорошо видно, насколько уже по современным данным [391] полоса поглоще­ния v водяными парами в обла­сти 0,9 мкм (кривая 2), Эта часть спектра находится в мак­симуме спектральной чувстви­тельности кремниевых солнеч­ных элементов, и если граду­ировка эталона США осуществ­лялась по спектру АМ1 [387] с широкой полосой поглощения водяными парами в данной об­ласти спектра, то это обстоятельство, так же как и возможное разли­чие в методах измерения абсолютной спектральной чувствительности эталонных элементов (с подсветкой и без нее, на монохроматоре или с помощью набора интерференционных светофильтров), могло по­служить причиной расхождения в результатах измерений КПД со­ветских и венгерских солнечных элементов.

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 АМ1,5), согласованного в международном масштабе [391, 393], 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 [363, 392, 393, 420, 423].

Градуировка эталонов для оценки эффективности работы солнеч­ных элементов и батарей космического назначения с использовани­ем общепринятого в настоящее время спектра АМ0 Макаровой и Харитонова [358] 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 [5, 110, 149]. Однако расчетные и экспериментальные исследования, вероятно, позволят в недалеком будущем достаточно точно предсказывать возможное увеличение тока солнечных батарей низколетйщих спутников Земли за счет этой составляющей внеатмосферного солнечного излучения [143, 354].

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 кремниевых солнечных элементов с п+—р—/^-струк­турой и мелкозалегающим р—га-переходом эталонный элемент должен выбираться из их числа, а для солнечных элементов из новых полу­проводниковых материалов эталонный элемент следует создавать иа того же полупроводникового материала при таких же толщинах и электрофизических свойствах слоев, как в структуре элемента дан­ного типа.

Однако приведенный в 4.4 пример измерений на АМС «Вене­ра» говорит о том, что возможен и другой подход: создание ста­бильного солнечного элемента, например, из кремния со сравни­тельно глубоким р—w-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 АМС «Венера-13 и -14», при определении параметров солнечных элементов для внеатмосфер­ных условий (спектр АМО, плотность потока излучения 1360 Вт/м2) на имитаторе Солнца из ламп накаливания без коррекции спектра с плотностью излучения 1000 Вт/м2, для кремниевого эталона с глу­боким р—тг-переходом (1,0—1,2 мкм) переходный коэффициент ра­вен 1,0, а для кремниевого элемента с небольшой глубиной залега­ния р—н-перехода (0,3—0,5 мкм) —1,12—1,13; для солнечных эле­ментов на основе гетероструктуры AlGaAs—GaAs переходный коэф­фициент составляет 1,11—1,12 при толщине слоя AlGaAs 15 мкм, 1,2—1,21 при толщине того же слоя 10 мкм и 1,54 при толщине этого слоя менее 1 мкм.

Подобным же образом можно поступить и в случае градуировки имитаторов Солнца для измерения параметров наземных солнечных элементов. В паспорт эталона, используемого при настройке имита­торов внеатмосферного Солнца, при этом следует внести значение переходного коэффициента от АМО к стандартным наземным усло­виям АМ1,5, определенное или пересчитанное, как и в предыдущей случае, для такого же значения рабочей температуры, причем ток короткого замыкания при АМО и АМ1,5 должен быть отнесен к плотности соответствующего потока излучения. Значения подобных переходных коэффициентов легко получить из результатов высоко­горных измерений или путем использования абсолютной спектраль­ной чувствительности данного эталонного элемента и стандартных спектров АМО и AM 1,5. Для кремниевых солнечных элемен­тов с мелкозалегающим р—тг-переходом (глубина 0,3—0,5 мкм) переходный коэффициент от условий АМО к стандартным на­земным условиям AM 1,5 равен, как показали результаты из­мерений и расчетов, 1,13—1,14. Для солнечных элементов на основе гетероструктуры AlGaAs—GaAs он составляет 1,26, 1,24 и 1,18 при толщине слоя AlGaAs соответственно 15, 10 и менее 1,0 мкм. Для тонкопленочных солнечных элементов на основе гетероструктуры Cu2S—CdS со спектральной чувствительностью, показанной на рис. 2.23 (кривая 2), переходный коэффициент от АМО к АМ1,5 равен 1,04, а для элементов на основе гетероструктуры ITO—Si (спектральная чувствительность представлена на рис. 2 29 (кри­вая 1)) этот коэффициент составляет по результатам расчетов 1,10-1,11.

Качественно (а в некоторых случаях и количественно) были полу­чены близкие результаты в работе [441]). Измеренная на фильтровом монохроматоре (источник излучения — мощная вольфрамовая лампа накаливания) спектральная чувствительность кремниевых элемен­тов была пересчитана на спектры излучения Солнца для условий АМО [369] и АМ1 [376], что позволило определить затем интеграль­ные значения тока короткого замыкания исследуемых элементов и переходные коэффициенты от условий АМО к условиям АМ1, рав­ные: для обычных элементов без покрытий 1,08; для элементов с текстурированной неотражающей поверхностью, полученной селек­тивным химическим травлением, 1,14; для обычных элементов с про­светляющей пленкой из двуокиси кремния 1,15; для таких же эле­ментов наземного назначения с большей глубиной залегания р—п — перехода 1,16; для элементов с мелкозалегающим р—тг-переходом и просветляющим покрытием из пятиокиси тантала 1,18. Все элемен­ты были изготовлены из монокристаллического кремния; приведен­ные значения переходных коэффициентов были получены как сред­ние для партий из двух, четырех, пяти, девяти и одиннадцати эле­ментов соответственно. Расчетные результаты были подтверждены при измерениях на естественном Солнце в условиях абсолютной ат­мосферной массы m=l,7 и плотности потока излучения 850— 950 Вт/м2, а измеренные значения тока короткого замыкания были приведены по плотности потока излучения к значениям, характер­ным для условий АМ1 (около 1000 Вт/м2).

Основной параметр солнечных элементов и батарей — световая на­грузочная вольт-амперная характеристика — позволяет: определить генерируемую ими электрическую мощность по произведению hPtUopt; 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.

Значение тока короткого замыкания определяется путем пере­счета измеренной абсолютной спектральной чувствительности на стандартный внеатомосферный или наземный солнечный спектр. Ка­чество солнечных элементов и батарей, количество дефектных эле­ментов в батарее могут быть оценены также косвенйыми метода­ми—по измерению прямой и обратной ветви темновой вольт-ампер — ной характеристики, по интегральному коэффициенту поглощения солнечного излучения поверхностью батареи, рассчитываемому по ре­зультатам спектральных измерений коэффициента отражения, по ин­тегральному коэффициенту собственного теплового излучения по­верхности батареи, различному у дефектных и качественных эле­ментов.

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

Рассмотрим ряд методических 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 условиях эксплуатации.

Поскольку эталонирование солнечных элементов в космических ус­ловиях с возвратом эталонных образцов на Землю достаточно слож­но и дорого, были выполнены эксперименты по измерению парамет­ров солнечных элементов из кремния и арсенида галлия на косми­ческих аппаратах при использовании системы телеметрии, причем полученные данные могли быть с высокой достоверностью отнесены к оставшимся на Земле точным дубликатам исследованных элемен­тов, имеющим такие же, как полетные образцы, спектральные и вольт-амперные характеристики. Для проведения экспериментов были выбраны автоматические межпланетные станции (АМС) серии «Венера» [456], панели солнечных батарей которых имеют несколь­ко надежных каналов телеметрии, в частности, для измерения тем­пературы батарей. Высокая точность системы ориентации на Солнце солнечных батарей АМС «Венера» позволяет с большой достовер­ностью оценить качество прогнозирования характеристик солнечных батарей в космических условиях.

Электрические параметры солнечных элементов и модулей экс­периментальных батарей, проходивших испытания на АМС «Вене­ра», измерялись в процессе всех этапов контроля в производстве, а также на высококачественных имитаторах солнечного излучения в лабораторных условиях. В лаборатории исследования выполнялись на имитаторе с ксеноновой лампой и интерференционными фильтра­ми, аналогичном описанному в работе [21], и на имитаторе с метал­ло-галогенными (газоразрядными) лампами [400—402]. Кроме того, измерения проводили с помощью имитатора С-1 на основе гало­генных ламп накаливания с фильтром из набора цветных стекол [395] или только с теплопоглощающим слоем дистиллированной воды [404]. Параметры батареи в процессе изготовления и сборки измерялись под лампами накаливания без коррекции спектра [403] и лампами-фарами с коррекцией спектра [407].

Настройка высококачественных имитаторов в лабораторных усло­виях проводилась с помощью эталонных солнечных элементов со­ответствующего типа. Градуировка эталонов применительно к мощ­ности потока и спектру внеатмосферного солнечного излучения осуществлялась методом экстраполяции результатов измерений тока короткого замыкания на естественном солнечном излучении в на­земных условиях к нулевому значению атмосферной массы. Точ­ность градуировки проверялась сличением полученных параметров с данными от аналогичных солнечных элементов, которые устанав­ливались в виде датчиков на различных космических аппаратах. Кроме того, внеатмосферные параметры вычислялись по абсолютной спектральной чувствительности.

Экспериментальные батареи, установленные на АМС «Венера», состояли из четырех отдельных генераторов, каждый площадью 0,5 м2. Генераторы монтировались из модулей, собранных из сол­нечных элементов следующих типов: кремниевых с глубоким за­леганием р—тг-перехода (1,0—1,2 мкм), кремниевых со сравнительно мелким переходом (0,3—0,5 мкм) и элементов на основе гетеро — структуры AlGaAs—GaAs. Все кремниевые модули состояли из па­раллельно соединенных элементов крупного размера, прозрачных для инфракрасной части солнечного излучения. Элементы защищены об­щим стеклом, на тыльную поверхность которого нанесена сетка из

Рис. 4.19. Абсолютная спектральная чувствительность выполненных из разных полупроводниковых материа­лов солнечных элементов, установ­ленных на АМС «Венера-13 и -14»

1 — кремний с глубиной залегания

р—n-перехода гл=0,Зт-0,5 мкм,

2 >— кремний с гл=*1,0-М,2 мкм;

3 — на основе гетероструктуры

p-AlGaAs—p-GaAs—n-GaAs с тонким слоем (менее 1 мкм) твердого раствора p-AlGaAs;

4,5 — на основе той же гетероструктуры со слоем p-AlGaAs толщиной 10 и 15 мкм соответственно

высокоотражающего металла, совпадающая с расположением меж­элементных контактных соединений. Конструкция модулей была успешно испытана при полете АМС «Венера-9 и -10» .[142]. Бла­годаря сочетанию прозрачной конструкции самих кремниевых эле­ментов с отражающей сеткой равновесная температура батарей сни­зилась в условиях полета приблизительно до 45° С. Модули из эле­ментов на основе гетероструктуры AlGaAs—GaAs имели непрозрач­ную конструкцию без теплоотражающей сетки, в связи с чем их равновесная рабочая температура составляла 65—70° С.

Достаточно точные дубликаты генераторов и солнечных элемен­тов, из которых были изготовлены генераторы, сохранялись в лабо­ратории до конца полета. Затем из этих элементов были выбраны эталонные. При отборе и градуировке эталонных элементов учиты­валось, насколько близко совпадали данные лабораторного, высоко­горного и космического эталонирований.

Для станции «Венера-13» генератор собирался из солнечных эле­ментов (на основе гетероструктур AlGaAs—GaAs) со спектральной характеристикой, подобной кривой 5 (рис. 4.19), для станции «Ве­нера-14» — кривой 4. При расчете использовались данные по спек­тральному распределению солнечного излучения, выведенные Е. А. Макаровой и А. В. Харитоновым [358].

Результаты измерений электрических параметров нескольких ге­нераторов экспериментальных батарей на солнечном имитаторе и в ходе полета представлены в табл. 4.2. Имитатор с лампами накали­вания без коррекции спектра настраивался для всех типов генера­торов с помощью одного и того же обладающего высокой стабиль­ностью чувствительности (проверенной в течение более десяти лет) эталонного солнечного элемента на основе кремния с глубоким за­леганием р—«-перехода. Ток короткого замыкания и температура измерялись в начале полета, когда платность потока солнечного из* лучениялааШбверхности батарей составляла 1,01 солнечной постоли

ной. Коэффициент пересчета (переходный коэффициент), позволяю­щий на основе результатов измерения на имитаторе получить значения для внеатмосферных условий, определялся как отноше­ние тока нагрузки батареи, который она показала в космиче­ских условиях, к току нагрузки при измерении на имитаторе. Теоре­тическое значение коэффициента вычислялось по спектральной чувствительности солнечных элементов.

Таким образом, если имитатор на лампах накаливания без кор­рекции спектра настраивать по эталонному элементу из кремния с глубоким р—«-переходом, нагрузочный ток батареи, собранной из аналогичных элементов, в космосе такой же, как при измерении на имитаторе. У батарей, собранных из кремниевых элементов с мел­ким р—«-переходом, ток оказывается в среднем на 10% выше, чем на имитаторе. При тех же условиях ток батареи, собранной из эле­ментов на основе гетеросистемы AlGaAs—GaAs, будет выше на 10— 20% (в зависимости от спектральной характеристики).

Это связано с существенным отличием спектральной чувстви­тельности элементов на основе гетероструктуры AlGaAs—GaAs и из кремния с мелким р—«-переходом от чувствительности кремниевых элементов, имеющих большую глубину залегания р—«-перехода, из которых изготовлен эталон. При одинаковом токе короткого замы­кания под излучением лампы накаливания (7%,—2800 К) элементы, выполненные по различной технологии и из разных полупроводни­ковых материалов, отличаются по значению тока короткого замыка­ния при работе под солнечным излучением за пределами атмосферы Земли (Гцв^бООО К). С уменьшением глубины залегания р—«-пере — хода в кремниевых элементах их спектральная чувствительность ме­няется в основном в коротковолновой части (см. рис. 4.19) на дли­нах волн, где энергия солнечного излучения значительно больше, чем у лампы накаливания. В результате ток во внеатмосферных ус­ловиях по сравнению с током на имитаторе возрастает. У элементов на основе гетероструктуры p-AlGaAs—p-GaAs—n-GaAs при умень­шении слоя оптического окна-фильтра из твердого раствора AlGaArf с 10 мкм до менее 1,0 мкм область спектральной чувствительности также расширяется в коротковолновую часть (см. рис. 4.19, кри­вые 3—5) и внеатмосферные параметры по сравнению с параметра­ми, определенными на имитаторе при настройке по кремниевому эталону, растут. Расчет тока короткого замыкания по спектральной чувствительности показывает, что для образца на основе гетеро­структуры с малой толщиной окна-фильтра коэффициент пересчета значительно увеличивается и составляет 1,54.

Введение соответствующих поправок при настройке имитаторов не всегда приводит к полному устранению ошибки, поскольку усло­вия измерений (параметры излучения) и характеристики самих эле­ментов не остаются во всех случаях постоянными. Для точного про­гнозирования эксплуатационных параметров батарей в космосе при измерениях лучше использовать эталоны, созданные не только на основе того же типа элементов, но и изготовленные по аналогичной технологии.

При настройке имитатора могут быть применены стабильные эта­лоны, изготовленные по иной, чем измеряемые солнечные элементы, технологии, однако при использовании этих эталонов необходимо введение поправочных коэффициентов, установленных в результате тщательных лабораторных и натурных испытаний.

Спектральная чувствительность солнечных элементов — один из ос­новных параметров, с помощью которых в полупроводниковой фото­энергетике [6, 7, 15, 16] оценивается эффективность использования излучения на всех этапах преобразования его в электроэнергию. По спектральной чувствительности,’ в частности, можно выбрать оп­тимальный полупроводниковый материал для элемента [82]; оце­нить влияние тянущих электростатических полей [80, 84, 419]; опре­делить рекомбинационные параметры [85—90]; диффузионную дли­ну неосновных носителей в базовом слое элементов [91—93], в том числе с неравномерным распределением дефектов по глубине слоя [97]; прирост тока за счет нанесения просветляющих покрытий [290, 23].

Измерения спектральной чувствительности с помощью обычных монохроматоров в условиях низкой освещенности (от 10 до 20 мкВт/см2) не могут быть использованы в тех случаях, когда ис­следуются солнечные элементы с нелинейнс^й зависимостью тока от освещенности, ведь в условиях облучения даже однократным сол­нечным потоком плотность падающего на поверхность элемента по­тока энергии на несколько порядков выше — от 85 мВт/см2 (усло­вия АМ1,5) до 136 мВт/см2 (условия АМО). От уровня засветки при измерении спектральной чувствительности зависит, в частности, значение диффузионной длины неосновных носителей заряда L& в базовом слое, поскольку при увеличении концентрации инжекти­рованных светом носителей значение Ьб сначала резко растет, а за­тем практически не меняется [22, 92, 93]. При низкой освещенно­сти обычно отклонение от линейности связано с рекомбинационны­ми процессами, при сверхвысокой — с потерями генерируемой мощ­ности на сопротивлении растекания.

Совершенно очевидно, что измерение спектральной чувствитель­ности эталонных солнечных элементов (с целью последующего пере­счета ее на спектральное распределение энергии стандартного спек­тра и определения градуировочного значения фототока) следует про­водить в условиях засветок, близких к реальным условиям работы эталонных элементов [440—447].

Вероятно, одной из первых установок для измерения спектраль­ной чувствительности в условиях облученности, аналогичной сол­нечной по мощности падающего потока, было устройство, состоящее из мощной вольфрамовой галогенной лампы накаливания и восьми узкополосных интерференционных светофильтров, сквозь которые исследуемые солнечные элементы поочередно освещались предва­рительно откалиброванными по мощности потоками излучения [440]. В дальнейшем две подобные установки (из восьми светофильтров с полушириной полосы пропускания каждого около 200 А и восем­надцати светофильтров, перекрывающих область спектра от 0,35 до 1,2 мкм) были использованы в исследовательском центре им. Льюиса (Кливленд, штат Огайо (США)) [442]. Источником излучения служила также галогенная лампа (мощностью 1000 Вт). Полученные данные были использованы для пересчета спектраль­ной зависимости тока короткого замыкания на стандартные спектры солнечного излучения и сравнения расчетного фототока с результа­тами градуировки на высотных самолетах, ракетах, шарах-зондах [426-428].

Фильтровый монохроматор для измерения спектральной чувст­вительности солнечных элементов был значительно усовершенство­ван [443]. В качестве источника излучения, расположенного перед узкополосными светофильтрами, использовалась импульсная лампа — вспышка с энергией вспышки около 600 Дж (снабженная алюми­нированным отражателем, установленным сзади лампы), которая, однако, не обеспечивала необходимой однородности потока (нерав­номерность,, облученности на освещаемой поверхности составляла ±8%). Небольшая длительность светового импульса от ксеноновой лампы-вспышки предотвращала перегрев как измеряемых солнеч­ных элементов, так и интерференционных светофильтров. Этот при­бор предназначен для экспрессного определения спектральной чувст­вительности. Получение абсолютных значений фототока обеспечи­валось в этом случае сравнением измеряемого тока короткого замы­кания с током эталонного элемента. Оптическая схема установки Для измерения спектральной чувствительности солнечных элемен­тов показана на рис. 4.16. Свет лампы вспышки 1 поступает на из­меряемый солнечный элемент через один из шестнадцати интерфе­ренционных светофильтров, установленных на вращающемся диске — держателе 5.

Рис. 4.16. Оптическая схема установки по измерению спектральной чувстви­тельности солнечных элементов в ус­ловиях высокой освещенности с по­мощью лампы-вспышки и интерферен­ционных светофильтров

1 — ксеноновая лампа-вспышка с отражателем, 2 — блок питания лампы;

3 — интерференционные светофильтры,

4

— вращающийся диск (держатель светофильтров), 5 — вращающийся держатель образцов, 6 — солнечные элементы, 7 — кожух, S — заслонка от рассеянного света в периоды между измерениями

I — блок питания лампы и монохроматора, 2 — лампа освещения входной щели монохроматора; 3 — конденсор, 4 — модулятор; 5 — монохроматор, 6 — фокусирующая линза, 7 — термоэлектрический радиометр, 8 — усилитель напряжения термоэлектрического радиометра; 9 — графопостроитель; 10 — лампы с солнечным спектром для подсветки, 11 — термостатируемый эталонный солнечный элемент,

12 — селективный усилитель тока эталонного солнечного элемента, 13 — регистрирующий прибор

Импульсный ток солнечных элементов измеряется с помощью электронной схемы и отображается на цифровом табло. Плотность потока излучения лампы-вспышки без светофильтров превышает 50 солнечных постоянных, что позволяет создать условия измерений чувствительности, близкие к условиям эксплуатации солнечных эле­ментов.

Абсолютная градуировка установки проводилась с применением эталонного элемента, чувствительность которого измерялась на моно­хроматоре, откалиброванном с помощью неселективного термоэлек­трического приемника при длине волны 0,546 мкм. Погрешность

градуировки составляла ±2% (абсолютных) и ±1% (относи­тельных) .

При использовании для спектральных измерений лазеров или высокоинтенсивных источников света (ламп накаливания [440— 442] и ламп-вспышек [443]) с интерференционными фильтрами, однако, не создается необходимого (соответствующего внеатмосфер­ному) распределения носителей заряда по толщине элемента. В свя­зи с этим наиболее достоверные данные о чувствительности солнеч­ных элементов могут быть получены при одновременном освещении элементов модулированным потоком монохроматического излучения и немодулированным потоком, имитирующим солнечное излучение при соответствующем спектре и плотности потока. При первых при­менениях такого метода для градуировки эталонных солнечных эле­ментов [436], [446] нужный уровень инжекции носителей заряда создавался с помощью лампы накаливания. Однако спектр подсве­чивающего излучения должен воспроизводить солнечный, поскольку нелинейность световой характеристики с увеличением длины волны излучения сильно возрастает [444, 445, 447].

Этот метод градуировки был исследован и усовершенствован [447, 448]. Снижение погрешностей, связанных с нелинейностью спектральной характеристики и несоответствием распределения ге­нерированных светом носителей по толщине элемента реальному распределению, было достигнуто использованием [448] более со­вершенных неселективных радиометров для измерения монохрома­тического излучения; светосильных монохроматоров; излучения для подсветки, воспроизводящего солнечный спектр; модулятора, обеспе­чивающего минимальное содержание гармоник высшего порядка. Подсвечивающее излучение создавалось с помощью галогенных ламп с встроенными интерференционными фильтрами, воспроизводящи­ми солнечный спектр [407], а при абсолютной градуировке моно­хроматора применялся специально разработанный полостной термо­электрический радиометр с обмоткой замещения [105]. Для той же цели полезно (кроме встроенной электрической обмотки замещения) использовать эталонирование по модели черного тела. В качестве неселективного приемника излучения могут применяться также тон­копленочные детекторы на основе многокомпонентных термоэлектри­ческих слоев [103], малогабаритные приемники из набора большого числа металлических термопар [104], вакуумированные радиацион­ные термоэлементы [449] или полосные пленочные приемники с напыленными термопарами [450].

Схема установки по измерению спектральной чувствительности, созданной специально для градуировки эталонных солнечных эле­ментов, приведена на рис. 4.17.

Главная отличительная особенность разработанной установки — наличие подсветки лампами-фарами, на отражатель и пропускающее окно которых нанесены многослойные интерференционные фильтры, корректирующие спектр встроенной в фару лампы марки КГМ-6,6-200 под солнечный [407]. На поверхности измеряемого элемента создает­ся облученность 1360 Вт/м2, которая контролируется термоэлектриче­ским радиометром с большим полем зрения. Радиометр имеет точ­ную энергетическую калибровку в широком спектральном диапа­зоне. Лампы подсветки получают энергию от высокостабильных источников питания, имеющих низкое содержание высокочастотных гармоник.

Монохроматическое излучение достаточной интенсивности обеспе­чивалось дифракционным монохроматором МДР-3 с решеткой 600 линий/мм. Для исключения влияния спектров высших порядков использовалось устройство (переменное гасящее сопротивление, вклю­ченное в цепь лампы и связанное с поворотным механизмом дифрак­ционной решетки монохроматора), уменьшающее цветовую темпе­ратуру тела накала лампы снижением тока при работе в длинно­волновой области спектра. Ток короткого замыкания при монохро­матическом освещении измерялся в различных участках фотОактив — ной поверхности эталонного солнечного элемента и усреднялся по всей рабочей поверхности.

Монохроматический поток, модулированный частотой 900 Гц, направляется на элемент. Взаимное расположение щели монохро­матора и модулятора, а также форма окна модулятора выбираются таким образом, чтобы монохроматический модулированный поток был по возможности приближен к синусоидальному. Необходимое условие — измерение в режиме короткого замыкания, в связи с чем переменный сигнал снимается через разделительную емкость, а сол­нечный элемент шунтируется сопротивлением порядка 0,5 Ом. Вы­сокочастотная составляющая тока короткого замыкания подается на селективный усилитель с калиброванным коэффициентом усиле­ния, напряжение с которого преобразуется в пропорциональный сигнал измерительным преобразователем и регистрируется в цифро­вой и графической формах. Для использования данных каждого эксперимента в расчетах на ЭВМ информация может быть представ­лена на перфоленте в стандартном коде.

Пересчет результатов измерений спектрального распределения чувствительности нескольких кремниевых солнечных элементов [448] на спектр внеатмосферного солнца [358] и затем расчет ин­тегрального значения тока короткого замыкания элементов показал, что в случае нелинейных солнечных элементов ошибка в опреде­лении градуировочного значения тока для внеатмосферных условий из-за измерения чувствительности без подсветки имитированным сол­нечным излучением может достигать 7%.

Сравнительные пересчеты спектральной чувствительности крем­ниевых солнечных элементов [448] на спектры внеатмосферного Солнца Макаровой и Харитонова [358], Такаекары [356, 364] и Джонсона [369] подтвердили выводы, сделанные в публикации [370]: значения тока короткого замыкания, рассчитанные по спек­тру Макаровой и Харитонова, на 3—3,5% выше определяемых по спектру Такаекары и близки к вычисленным по спектру Джонсона (несмотря на заметное расхождение в значении солнечной постоян­ной), так как первый и последний спектры близки в области спек­тральной чувствительности высококачественных кремниевых эле­ментов (от 0,3 до 1,1 мкм).

Известен еще один метод определения спектральной чувствитель­ности эталонных солнечных элементов, который обеспечивает ма­лую погрешность в дальнейших расчетах интегрального значения фототока эталонов при работе от стандартного спектра излучения [102, 395]. /

Ток короткого замыкания эталонного элемента (как во внеат­мосферных условиях, так и при облучении стандартным наземным излучением) может быть выражен двумя соотношениями:

оо оо

/к.8 = Fb $ ECS& dX = Fagm 5 EcS’a dX, о 0

где F3 — площадь фоточувствительной поверхности эталонного эле­мента; Ес — плотность потока стандартного (внеатмосферного или наземного) солнечного излучения; Sa, S/ — абсолютная и относи­тельная спектральная чувствительность эталонного элемента; gm — масштабный множитель.

Второе соотношение в этом выражении позволяет после измере­ния относительной спектральной чувствительности на обычном мо­нохроматоре с низкой монохроматической освещенностью и опре­деления абсолютного значения масштабного коэффициента при боль­ших потоках излучения, соответствующих солнечным, рассчитать абсолютную спектральную чувствительность и эталонное значение интегрального тока короткого замыкания при работе элемента от источника с любым спектром.

Масштабный множитель можно определять двумя способами: измерением интегрального тока элемента при освещении его эталон­ной светоизмерительной лампой с известными цветовой температурой и силой света; градуировкой относительных спектральных измере­ний в каком-либо узком спектральном интервале по эталонному тер­моэлементу [395].

Дальнейшее развитие и усовершенствование этот метод измере­ния и градуировки спектральной чувствительности получил в рабо­тах сотрудников Всесоюзного научно-исследовательского института оптико-физических измерений (ВНИИОФИ), где в 1978 г. создана поверочная установка высшей точности для средств измерения от­носительной спектральной чувствительности приемников излучения в диапазоне длин волн 0,35—2,5 мкм и средств измерения относи­тельной спектральной плотности силы излучения источников в диа­пазоне длин волн 0,4—1,0 мкм [451]. В том же институте имеется установка по измерению интегральной чувствительности линейных приемников и определению отклонения от линейности в случае, ко-

1, 4 — измерения на монохроматоре в условиях низких засветок с градуировкой по калиброванному термоэлементу; 2,6 — измерения 1, 4 на модулированном потоке с подсветкой имитированным солнечным излучением; 3, <5— измерения 1, 4 с пересчетом с помощью масштабного множителя, определенного по эталонной светоизмерительной лампе в условиях высоких засветок

гда нелинейность возрастает по мере роста сигнала [452]. При измерении масштабного коэффициента для получения абсолютных значений чувствительности регистрируется сигнал приемника в уль­трафиолетовой области спектра от образцового источника ультра­фиолетового излучения на длине волны 0,254 мкм, образованного группой кварцевых ламп низкого давления типа ДРБ-8 [453, 454], а в области спектра от 0,3 до 2,5 мкм в качестве образцового сред­ства измерения используются ленточные вольфрамовые лампы на­каливания типа СИ-10-300У [455].

Следует отметить, что пересчет относительной спектральной чув­ствительности с помощью масштабного множителя приводит к про­порциональному увеличению чувствительности солнечных элементов (измеренной при низкой освещенности) на всех длинах волн, в то время как влияние высоких засветок и изменение спектрального состава излучения действует, как правило, неодинаково на коротко­волновую и длинноволновую части спектральной чувствительности.

В силу этого обстоятельства для кремниевых солнечных элемен-

тов невысокого качества с нелинейными характеристиками измере­ние спектральной чувствительности несколькими методами дает су­щественно различные результаты (рис. 4.18, кривые 1—3). В то же время для высокоэффективных и достаточно линейных кремниевых солнечных элементов основные методы определения абсолютной спектральной чувствительности позволят получить близкие резуль­таты (см. рис. 4.18, кривые 5, 6), которые могут быть с уверен­ностью использованы для дальнейшего расчета интегральных зна­чений тока короткого замыкания эталонных солнечных элементов при работе от источника с любым стандартным спектром излучения. Подсветка имитированным солнечным излучением [448] приводит к росту длинноволновой части (см. рис. 4.18, кривые 2, 6) спек­тральной чувствительности (определяемой базовым слоем), а изме­рения с использованием масштабногб множителя [395, 102, 451— 455] дают более высокую чувствительность практически во всех спектральных областях (см. рис. 4.18, кривые 3, 5) по сравнению со спектральной чувствительностью, полученной на монохроматоре при низкой освещенности (см. рис. 4.18, кривые 2, 4). Однако наи­более достоверные результаты (см. рис. 4.18, кривые 5, 6) столь близки между собой, что можно говорить о хорошей сходимости дан­ных при этих измерениях.

Солнечные элементы на основе новых полупроводниковых мате­риалов, таких, например, как арсенид галлия с верхним окном из твердого раствора алюминия в арсениде галлия, образующего гете­ропереход с арсенидом галлия, или тонкопленочные гетерофотоэле­менты сульфид меди—сульфид кадмия не обнаруживают отмеченной зависимости спектральной чувствительности от спектрального соста­ва и плотности потока подсвечивающего излучения. Это обстоятель­ство говорит о линейности их фотоэлектрических характеристик в условиях изменения плотности излучения от 0,1 до 136 мВт/см2. Важную роль здесь играет большой коэффициент поглощения света в этих материалах и малая диффузионная длина неосновных носи­телей заряда, зависящая от параметров исходного материала и уров­ня инжекции носителей слабее, чем в кремнии. Линейность харак­теристик элементов из новых полупроводниковых материалов облег­чает проблему градуировки эталонных солнечных элементов на их основе.

Если значения относительной воздушной массы, полученные во время измерений в высокогорных условиях, перевести в абсолютные величины, то зависимость логарифма тока короткого замыкания от абсолютной воздушной массы, подобная представленной на рис. 4.15 от относительной воздушной массы, дает возможность определить ток короткого замыкания эталонных солнечных элементов не толь­

ко для условий АМО, но и для AMI, AM 1,5 и АМ2, а также для больших значений воздушной массы.

Однако при градуировке эталонов на согласованном в междуна­родном масштабе стандартном солнечном спектре требуется соот­ветствие ему спектра наземного солнечного излучения, использован­ного при измерениях, не только по значению воздушной массы, но и по остальным параметрам: плотности потока излучения, количест­ву осажденных паров воды и озона, коэффициенту мутности и по­казателю селективности. Определение спектра солнечного излучения и день проведения испытаний в высокогорных условиях и сравнение со стандартным позволяет внести необходимую поправку в значение тока эталонов, полученное по зависимости, подобной показанной на рис. 4.15, для любых значений абсолютной воздушной массы. Тем самым удается на основании результатов высокогорных измерений получить достаточно точные градуировочные значения тока эталон­ных элементов для оценки параметров наземных солнечных эле­ментов. Приведение к стандартному спектру может быть также осу­ществлено без детального исследования спектра солнечного излуче­ния в определенный день — достаточно знать глубину нескольких характерных полос в спектре, что позволяет оценить содержание водяных паров, озона и аэрозолей в этот день [431].

На высокогорной станции Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга в районе Алма-Аты 3 и 4 августа 1978 г. в соответствии с изложенной методикой была проведена наземная градуировка эталонных солнечных элементов на основе кремния, арсенида галлия и сульфида кадмия [418]. Использова­лись три метода, в том числе и рассмотренный.

Плотность потока прямого солнечного излучения измерялась тер­моэлектрическим актинометром АТ-50 Количество осажденной воды определялось с помощью фильтрового монохроматора по отношению пропускания атмосферы на длинах волн 1,1 мкм и 0,84 мкм, мут­ность атмосферы оценивалась по пропусканию на длине волны 0,56 мкм и по яркости солнечного ореола, измеренной с помощью ореольного фотометра. Поглощение слоем озона определялось по средним данным для августа месяца на широте Алма-Аты.

Ток короткого замыкания эталонных солнечных элементов изме­рялся в диапазоне значений относительной атмосферной массы от 1,5 до 2,5. При этих условиях оптическая масса для всех компонент атмосферы практически одинакова и поправки Бемпорада незначи­тельны, что позволило определить абсолютные значения воздушной массы по реальному атмосферному давлению, пользуясь форму­лой (4.1).

Абсолютному значению атмосферной массы 1,5 для разных дней соответствовала относительная масса 2,1—2,2. Остальные параметры | атмосферы были следующими: 3 августа 1978 г. в момент, когда высота Солнца соответствовала абсолютной массе 1,5, плотность по­тока прямого солнечного излучения Епр=827 Вт/м2, толщина слоя

8 М M Колтун

осажденных паров воды со=2,41 см, коэффициент мутности [}=0,048, отношение яркости солнечного ореола к яркости Солнца 0С=О, О9; 4 августа 1978 г. при абсолютной атмосферной массе 1,5 наблюда­лись £,пр=904 Вт/м2, со=1,47 см, (}=0,017, ВОтн=0,07.

Были рассчитаны относительные зависимости тока короткого за­мыкания эталонных элементов от содержания водяного пара при раз­личных коэффициентах мутности. По значениям со и р, измеренным в конкретный день, рассчитывалась поправка, обусловленная отли­чием о и [J в момент измерений от их значения в стандартном меж­дународном спектре наземного солнечного излучения. Поправка на отличие плотности потока излучения в момент измерения от стан­дартного значейия вводилась простым пропорциональным пересчетом тока эталона.

При использовании этого метода градуировочные значения тока короткого замыкания наземных эталонных элементов хорошо согла­суются со значениями, полученными другими методами [366, 418, 419, 439].

Метод градуировки, который может применяться в наземных усло­виях, состоит в одновременном’ однократном измерении тока сол­нечного элемента и спектрального распределения энергии излуче­
ния. Внеатмосферный ток короткого замыкания рассчитывается по формуле, предложенной в работе [436]:

оо оо

Ламо = Ламт § Дамо (^) S’ / $ Дамт (^) (М dA., oil о

где /амт — значение тока эталонного элемента, измеренное в назем­ных условиях; Еамо (А,), /?Амт (Я,) — спектральная плотность энергии внеатмосферного и наземного солнечного излучения соответственно; S’ — относительная спектральная чувствительность эталонного эле­мента.

При таком методе градуировки требуется точное определение спектрального распределения энергии наземного солнечного излуче­ния (что представляет достаточно сложную задачу), а также отно­сительной спектральной чувствительности элементов.

Процесс градуировки эталонных элементов, включающий реги­страцию переменного во времени спектрального распределения на­земного солнечного излучения, может быть значительно ускорен и упрощен при использовании быстродействующих фильтровых, приз­менных или дифракционных монохроматоров-спектрометров.

Разработан быстросканирующий спектрорадиометр на диапазон длин волн 0,25—2,5 мкм, с шириной полосы пропускания 100 А во всем диапазоне и скоростью сканирования до 0,1 мкм/с [437]. Ди­спергирующим элементом спектрорадиометра является дифракцион­ная решетка с автоматическим перемещением и регистрацией дли­ны волны, на входе прибора установлен светорассеивающий элемент и оптическое устройство, позволяющее измерять отдельно прямую и рассеянную части падающего солнечного потока.

Для сравнения значений натурной и лабораторной градуировок параметров солнечных элементов были проведены в натурных усло­виях измерения интегрального фототока тонкопленочных солнечных элементов на основе гетеросистемы сульфид меди—сульфид кадмия для различной плотности солнечного потока при одновременной ре­гистрации его спектра.

Методика и результаты измерений в высокогорных условиях вне­атмосферных параметров солнечных элементов из кремния и на ос­нове гетеропереходов AlGaAs—GaAs и Cu2S—CdS изложены в рабо­тах [418, 419, 438].

Метод, который наиболее часто используется при градуировке под: естественным солнечным излучением на поверхности Земли (как правило, в высокогорных условиях), заключается в экстраполяции результатов измерений к нулевой атмосферной массе [431]. 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. Так как кремниевый солнечный эле­мент чувствителен в достаточно широкой области спектра, то вслед­ствие эффекта Форбса эта функция изображается слабо вогнутой кривой. Однако при градуировке экстраполяцию проводят линейно, а затем вносят поправку на эффект Форбса [432]. Для вычислении

поправки (зпачение которой находится в пределах 1—3%) необхо­димо знать спектральное распределение коэффициента прозрачности атмосферы в течение всего периода градуировки эталонных эле­ментов.

Градуировка проводится в сухих горных районах, где выше про­зрачность атмосферы и для которых в определенные периоды года. характерна устойчивость оптических свойств атмосферы. Контроль •стабильности оптических свойств осуществляется по солнечному ореолу. При градуировке оптические свойства атмосферы считаются леизменными для промежутка времени, в течение которого значе­ние относительного солнечного ореола, рассчитанное на единицу ат­мосферной массы, изменяется немонотонно и в пределах, не пре­вышающих 10%.

Такой метод градуировки основан на законах атмосферной опти­ки [371—376, 433, 434]. Световой луч, проходя сквозь земную ат­мосферу, теряет свою интенсивность в связи с рассеянием и погло­щением. Согласно закону Бугера, отношение спектральной энергети­ческой плотности солнечного излучения на поверхности Земли Е% и вне атмосферы Е0х определяется ранее приведенным уравнени­ем (4.4).

Абсолютная атмосферная масса является функцией не только положения Солнца над горизонтом, но и высоты места над уровнем моря, что учтено введением в формулу (4.1) для определения атмо­сферной массы множителя р/р0 При малой высоте Солнца в расче­тах приходится использовать поправки, связанные с искажениями и оптическом пути лучей, вносимыми кривизной Земли и концентри­ческих слоев атмосферы, а также с искривлением солнечных лучей из-за постепенного и непрерывного изменения показателя прелом­ления воздуха по высоте. Точные значения атмосферной массы опре­деляют по таблицам Бемпорада [371] или таблицам, приведенным в монографии [373].

Обозначим в формуле (4.4) ехр(— а*) через Рх. Тогда закон Бу­гера для атмосферы принимает вид

Ек/Еок = Р£.

Введенная величина Рх называется спектральным коэффициен­том прозрачности земной атмосферы. Учитывая соотношение (4.5), выражение для тока короткого замыкания эталонного элемента на поверхности Земли можно представить следующим образом:

(4.6)

где SK — спектральная чувствительность; F — площадь эталонного элемента; Э — коэффициент, учитывающий эллиптичность орбиты Земли и равный отношению энергетической облученности в данной точке орбиты к солнечной постоянной.

Поскольку ток короткого замыкания эталонного элемента при солнечной постоянной определяется выражением

Iamq== F j dX,
о

из уравнений (4.6.) и (4.7) можно получить

оо оо

/к 3= Э/д. мо§ E0xP™S^ dX J § ЕqxSі dX.

о ‘ о

Отношение интегралов в выражении (4.8) имеет смысл интеграль­ного коэффициента пропускания атмосферы:

Величина Рэф является эффективным коэффициентом прозрачно­сти атмосферы. Подставив соотношение (4.9) в выражение (4.8) и прологарифмировав, получим

lg Э/амо = lg І* з — т lg Рэф. (4.10)

Уравнение (4.10) используется для определения /амо путем гра­фической экстраполяции. На полученное таким образом значение тока накладывается поправка г|э [432], связанная с эффектом Форб­са [434]. Она определяется значениями эффективного коэффициента прозрачности Рэф в начальный (абсолютная масса тх) и конечный (т2) моменты измерений при стабильных параметрах атмосферы:

i|)=1+0,384 {т^+т^+Атм) (lg РЭф (тт) — lg Рэф (mi)) / (m2—mt).

(4.11)

Эффективный коэффициент прозрачности атмосферы РЭф можно определить исходя из следующих соображений. Согласно выраже­нию (4.10) для монохроматического излучения получаем

lgA = lg9Wo + «lg/V (4.12)

В данном случае Р не зависит от тп. Из уравнения (4.12) вид­но, что спектральный коэффициент прозрачности атмосферы Рк равен антилогарифму углового коэффициента прямой, изображаю­щей зависимость IgA от атмосферной массы. Таким образом, изме­рив ток короткого замыкания эталонного элемента при воздействии узкого, практически монохроматического излучения в условиях раз­личных атмосферных масс, можно получить значение спектрального коэффициента прозрачности для данной длины волны. Определив Р% во всем диапазоне излучения Солнца, где эталонный элемент из дан­ного полупроводникового материала чувствителен, по формуле (4.9) можем определить эффективный коэффициент прозрачности атмо­сферы Рэф.

Градуировка эталонных солнечных элементов проводится в СССР с 1965 г. регулярно один—три раза в год [394, 395, 418, 419, 430— 433] в окрестностях г. Алма-Аты на высокогорной станции Госу­дарственного астрономического института им. П. К. Штернберга (43° с. ш., 77° в. д., 3014 м над уровнем моря), сотрудниками ко­торого во главе с Э. В. Кононовичем создана программа расчета тока /кз эталонов на ЭВМ и оборудован солнечный телескоп для этих измерений. Во Всесоюзном научно-исследовательском институ­те источников тока В. Я. Ковальским с сотрудниками были раз­работаны аппаратура и методика проведения высокогорной гра­дуировки.

Относительная атмосферная масса М является функцией истин­ного времени т и зависит от склонения Солнца б на данный день и широты места наблюдений ф:

М= cosec 0=sin ф sin 6+COS ф cos б cos т,

где 0 — высота Солнца над горизонтом.

Отсчет моментов измерений при градуировке проводится ПО ДЄ-1 кретному времени Гд. Истинное время определяется по следующей формуле:

т=Гд—h—П+£>—Ат—12,

где П — часовой пояс места наблюдения; D — долгота места наблю­дения; Ат — уравнение времени (разница между средним и истинным временем); h — разница между поясным и декретным временем.

В результате расчетов получается зависимость относительной ат­мосферной массы от декретного времени.

Для каждого момента измерений тока короткого замыкания фоточувствительного элемента ореольного фотометра /ор (при наве­дении на ореол вокруг Солнца) и /с (при наведении непосредственно на Солнце) находится значение относительной атмосферной массы. Вычисляются значения относительного солнечного ореола Ос, рас­считанного на единицу атмосферной массы:

Oq = IopfIcm.

Определяется степень стабильности относительного солнечного ореола за половину солнечного дня. Находится интервал атмосфер­ных масс, при котором Ос изменяется немонотонно и в пределах, не превышающих 10%. В результате получается начальное и конеч­ное значения интервала атмосферных масс тгь и тп2 периода стабиль­ной атмосферы.

Пример определения /амо рассмотренным методом для двух эта­лонных элементов приведен на рис. 4.15.

Для вычисления поправки Форбса строится зависимость 1 g/*.= =/(m), где Д —значение тока короткого замыкания фильтрового монохроматора при различной атмосферной массе. Угол наклона

1 — кремниевый; 2 — на основе гетероперехода АШаАа—GaAs

этой прямой к дает значение спектрального коэффициента прозрач­ности атмосферы Рх:

tg%=-lgPx.

Рассчитав Рх для всех фильтров, можно построить полную кри­вую спектрального распределения прозрачности атмосферы.

Эффективный коэффициент прозрачности атмосферы РЭф подсчи­тывается при начальном (тt) и конечном (т2) значениях интер­вала атмосферной массы периода стабильной атмосферы по форму­ле (4.9), а поправка на эффект Форбса ф —по формуле (4.11).

Окончательный результат градуировки — ток 1Амот, вычисляется по полученному значению тока для внеатмосферных условий /амо, •определенного экстраполяцией к нулевой атмосферной массе lg/m=o •с учетом поправок на эффект Форбса и на эллиптичность орбиты Земли:

/АМ0т = /тг=оф/Э.

Коэффициент эллиптичности орбиты вычисляется по отношению энергетической облученности на границе атмосферы в данной точке орбиты Земли к солнечной постоянной, т. е. к энергетической облу­ченности на среднем расстоянии от Земли до Солнца. Коэффици­ент Э в течение года меняется от 0,965 до 1,035; значение Э в кон­кретный день измерений берется из астрономического ежегодни­ка [435].