Эталонные элементы работают в режиме короткого замыкания, и гра­дуировка их заключается в определении тока короткого замыкания при нормируемых условиях спектрального состава и плотности по­тока солнечного излучения (внеатмосферного или наземного). Воз­можны два принципиально различных типа градуировки: на естест­венном солнечном излучении и в лаборатории с использованием средств измерений, поверенных по Государственному эталону (ГОСТ 8-196-81). При градуировке эталонных элементов, предназна­ченных для настройки имитаторов внеатмосферного солнечного излу­чения, применяется множество методов первого типа: измерения на космических аппаратах [362], ракетах [426], шарах-зондах [427]* высотных самолетах [428], на поверхности Земли [414, 429, 430].

При градуировке на космических аппаратах и ракетах значение тока для внеатмосферных условий получают в результате непосред­ственных измерений. Градуировка на космических аппаратах, по­мимо высокой стоимости, встречает ряд сложностей, связанных с возвращением эталонных элементов на Землю, и поэтому использу­ется, как правило, только для проверки точности других методов. Ракеты, поднимающиеся на высоту более 200 км, возвращают эта­лонные элементы на Землю. Все измерения проводятся на высоте не менее 100 км [426].

Шары-зонды поднимаются на высоту 30—40 км, где спектраль­ное распределение энергии солнечного излучения определяется прак­тически только полосами поглощения озона и в очень небольшой степени аэрозольным рассеянием. Влияние озона и аэрозолей учи­тывается введением поправки.

Самолеты для научных исследований обычно поднимаются на. 12—13 км. Ориентация эталонных солнечных элементов на Солнце осуществляется летчиком с помощью оптического прицела. Измере­ния начинаются при подъеме на 3—4 км. Параметры солнечного излучения зависят от высоты полета самолета над уровнем моря и от положения Солнца над горизонтом в момент измерений, т. е. от оптической массы атмосферы. Проводились измерения на научном: самолете при значениях абсолютной атмосферной массы от 1,4 до 0,14 [362]. Значение тока для внеатмосферных условий определя­лось экстраполяцией результатов к нулевой атмосферной массе. Это значение можно получить таким же образом по данным измерений в наземных, желательно высокогорных условиях.

Элементы для эталонов отбираются из числа серийно выпускаемых или изготавливаются специально. При отборе основное внимание об­ращается на качество торцевых поверхностей, значения шунтового и последовательного сопротивлений. Важно, чтобы свойства солнеч­ных элементов, используемых для этой цели, были однородны по площади (особенно спектральная и интегральная чувствительности). Желательно, чтобы у них был минимальный температурный коэф­фициент тока короткого замыкания. Отобранные по этим парамет­рам элементы монтируются в оправы и проходят естественное или ускоренное старение. Затем определяется стабильность чувствитель­ности. Исследование проводят в течение длительного времени, при этом методика должна обеспечивать, чтобы погрешность относитель­ных измерений не превышала 0,1%. При первичной градуировке ис­пользуются эталонные элементы со стабильностью чувствительно­сти в пределах ±0,5% [419]. Для эталонных солнечных элементов наземного применения проверяются также угловые зависимости чувствительности и линейность световой характеристики. Отклонение от линейности в диапазоне 400—1000 Вт/м2 не должно превышать ±0,5% от нормируемого значения интенсивности потока при AM 1,5.

Кремниевые солнечные элементы, предназначенные для энерге­тических целей и используемые как эталонные, в обычных условиях отличаются наиболее стабильными характеристиками из всех пре­образователей солнечной энергии. Эти солнечные элементы облада­ют также линейной зависимостью тока короткого замыкания (в эта­лоне они работают в режиме короткого замыкания) в довольно ши­роком диапазоне изменения плотности потока излучения и имеют небольшой^ температурный коэффициент тока короткого замыкания €,1—0,2%/° С; их чувствительность охватывает видимую и ближнюю инфракрасную области спектра. Могут быть изготовлены кремниевые солнечные элементы со сверхмелким р—«-переходом (толщина верх­него легированного слоя Z«S0,1±0,2 мкм),’чувствительные в ближней ультрафиолетовой области солнечного спектра.

Однако далеко не каждый солнечный элемент из выпускаемых серийно имеет параметры, в том числе и стабильность, отвечающие требованиям, предъявляемым к измерительным приборам. В связи с этим при создании эталонных солнечных элементов было необхо­димо не только разработать такую конструкцию, которая обеспечи­вала бы стабильность и надежность их работы в процессе эксплуата­ции, но и провести тщательный предварительный отбор элементов для эталонов. Специальные требования предъявлялись также в от­ношении способа монтажа солнечных элементов в корпусе эталона.

Измерение тока короткого замыкания солнечных элементов для определения стабильности чувствительности проводилось только пос­ле того, как элементы были полностью смонтированы Ь корпусе. Начиная с 1967 г. такие измерения выполнялись регулярно с часто­той не реже двух раз в год. В 1967 г. было изготовлено 75 эталонов и начато исследование стабильности их чувствительности. Приборы, выходившие из строя или оказавшиеся нестабильными, исключа­лись, но периодически добавлялись новые партии эталонов из крем­ниевых элементов усовершенствованного типа, а также из элемен­тов на основе гомоперехода в арсениде галлия и гетероструктур AlGaAs—GaAs и Cu2S—CdS. Эталонные солнечные элементы, кото­рые в течение года и дольше показывали стабильные свойства (ток короткого замыкания оставался неизменным в пределах ±0,5%), ис­пользовались в качество образцовых средств измерения. Они про­ходили первичную градуировку непосредственно под солнечным из­лучением или с применением образцовых средств измерения энер­гетической облученности.

Проверка стабильности чувствительности проводилась на имита­торах Солнца при строгом контроле параметров излучения: спектра, равномерности облучейия и особенно плотности потока. Для того чтобы оценить стабильность чувствительности исследуемых прибо­ров в пределах 0,5%, необходимо контролировать плотность потока излучения имитатора с погрешностью, не превышающей по крайней мере 0,3%, что представляет собой серьезную задачу. Питание ис­точника света осуществлялось от электронного стабилизатора на­пряжения. Электрическая мощность лампы контролировалась ватт­метром класса точности 0,1. С помощью циркуляционного термо­стата поддерживалась постоянная температура солнечного элемента в корпусе эталона с точностью ±0,5° С.

Проведена проверка стабильности тока короткого замыкания об­разцовых эталонных элементов во времени (рис. 4.14). В изготов­ленном в 1962 г. эталоне 1 использовался солнечный элемент без покрытий, полученный термодиффузией фосфора в монокристалличе — ский кремний р-типа [122, 125]. Образцы 2—6 с просветляющим покрытием [290] изготовлены в 1967 г. Из 75 образцов эталонов, смонтированных в 1967 г., к моменту измерений в 1981 г. семь сохранили постоянной свою чувствительность (в пределах ±1,5%), несмотря на то что они не имеют защитного стекла. Эталонные сол-

Рис. 1. Кремниевые солнечные батареи с зеркал] покрытиями, прозрачные в инфракрасной области работанные для советских межпланетных станций

Рис. 2. Современны lunnv кремния и сульфид; кадми (в центре) и кремни (спраї

солнечног мучення крытием і ремя не-

Рис. 5. Советские первич ные эталонные солнечные элементы, используемые для стандартизации изме рений в странах СЭВ

j

печные элементы хранились в лабораторном помещении без при­менения особых предосторожностей и использовались во время пе­риодических проверок два-три раза в год ежедневно в течение од­ной-двух недель.

Характер изменения тока короткого замыкания эталонных эле­ментов с течением времени может быть различным: возможно как уменьшение его, так и увеличение (ем. рис. 4.14). Образец 4У на­пример, за 12 лет повысил свою чувствительность на 3%. Образцо­вые эталоны, ток короткого замыкания которых изменяется в тече­ние нолугода более чем на 0,5%, переводились в разряд рабочих.

В значительном числе образцов эталонных элементов резкое из­менение чувствительности не было связано с появлением внешних
механических дефектов (образцы исследовались под микроско­пом) [425].

В рабочих эталонах приемником излучения может служить как отдельный солнечный элемент, так и их группа, содержащая 60— 70 элементов, собранных из отдельных секций [419]. Стабильность чувствительности этих эталонных групп в основном определяется характером их эксплуатации — ежедневное применение в условиях частых перепадов облученности и температуры, возможность боль­шого механического износа. Рабочая поверхность солнечных эле­ментов в этих эталонах имеет просветляющее покрытие, но не за­щищена стеклом и располагается вровень с корпусом. Временная зависимость тока короткого замыкания нескольких образцов эталон­ных групп близка к приведенной на рис. 4.14. Ток короткого замы­кания групповых эталонов в большинстве случаев изменяется силь­нее и чаще, чем эталонов из единичных солнечных элементов. Однако* как показывает опыт длительной эксплуатации, более 90% образ­цовых эталонных групп за период между поверками сохраняют ста­бильность в пределах ±1,5%.

Полученные результаты говорят о том, что полупроводниковые солнечные элементы (при соответствующей защите от воздействия внешней среды) — одни из наиболее стабильных приемников для из­мерения ойтического излучения.

Конструкция эталонных солнечных элементов в зависимости от на­значения может быть разной, но во всех случаях должно обеспечи­ваться основное требование, предъявляемое к средствам измере­ний,—высокая стабильность всех параметров. Это, в свою очередь, приводит к необходимости надежной термостабилизации солнечных элементов или точного измерения их температуры. Эталон простей­шей конструкции представляет собой солнечный элемент, укреплен­ный в углублении металлической пластины и защищенный стеклом [390, 419, 421]. Для поддержания постоянной температуры эталон­ный элемент устанавливается обычно на термостатированном столике.

В специально разработанных новых эталонных элементах типов ПС-4 [422], -5, -6 и -7 использованы кремниевые солнечные эле­менты. Эталон типа ПС-4 имеет фоточувствительный элемент разме­рами 14X24 мм с контактной полосой шириной 2 мм по всему пери­метру. Элемент прижат к латунному посеребренному корпусу пру­жинами гребенчатого вида, которые одновременно используются для токосъема с верхнего электрода, обеспечивая малое контактное со­противление (не более 0,03 Ом). Крышка с окном из оптического стекла изолирует солнечный элемент от внешней среды. Поддержа­ние заданной температуры обеспечивается с помощью нагреватель­ного элемента, встроенного в корпус приемника, двух датчиков тем­пературы (исполнительного и контрольного), укрепленных непосред­ственно на тыльной стороне солнечного элемента, и специально раз­работанного блока автоматики. Точность термостатирования ±1° С.

В эталонном элементе типа ПС-5 кремниевый солнечный элемент размерами 10X20 мм припаян непосредственно к корпусу. Сверху располагается защитное стекло. Места соединения стекла с корпу­сом и электрического вывода уплотнены. Чтобы обеспечить стабиль­ность характеристик при эксплуатации, сборка осуществляется в: среде сухого инертного газа. Для поддержания постоянной темпера­туры эталонный элемент устанавливается на термостатированном столике, внутри которого протекает вода от жидкостного термостата. Градуировочная кривая зависимости напряжения холостого хода эле­мента от температуры при фиксированном значении энергетической облученности позволяет точно определить его температуру.

В эталоне типа ПС-6 используется кремниевый солнечный эле­мент размерами 10X20 мм, рядом с которым располагается кремние­вый датчик температуры, по оптическим и теплофизическим свой­ствам представляющий собой точный аналог солнечного элемента,, но без р—«-перехода. Над солнечным элементом и датчиком темпе­ратуры располагается защитное стекло.

Эталон типа ПС-7 состоит из группы солнечных элементов с об­щими размерами чувствительной поверхности 76X71 мм. Начтыль — ной стороне группы расположен датчик температуры. Солнечные — элементы защищены одним общим стеклом, укрепленным в корпусе приемника, что облегчает уход за эталоном.

В 1980—1982 гг. в СССР был разработан, усовершенствован и предложен в качестве стандарта для стран СЭВ новый эталонный солнечный элемент типа ПС-9 с прямоугольной фоточувствительной поверхностью размерами 30X35 мм и с фоточувствительной поверх­ностью круглой дисковой формы диаметром 50 мм для измерений параметров элементов и батарей космического [423J и наземного [424] применения соответственно.

Новый эталонный элемент имеет встроенный холодильник, снаб­женный радиатором, через который может протекать вода от термо­стата, и чувствительный термодатчик. В качестве фоточувствитель — ных датчиков в эталонах типа ПС-9 используются солнечные элемен­ты из кремния с мелкозалегающим р~тг-переходом и элементы на основе гетеропереходов твердый раствор алюминия в арсениде гал­лия—арсенид галлия. Большие размеры корпуса эталона ПС-9 обе­спечивают угловое поле, превышающее 166°, что позволяет исполь­зовать новый эталон при измерениях солнечных элементов и бата­рей как в полном потоке, так и в прямом коллимированном.

На корпусе нового эталона может крепиться тубус, уменьшаю­щий поле зрения до ±2,5°, что необходимо для измерения прямого потока солнечного излучения при определении характеристик бата — _рей, работающих с концентраторами. На тубусе для контроля пара­метров атмосферы (содержания паров воды, озона и аэрозолей) пре­дусмотрена возможность установки интерференционных светофиль­тров, которые пропускают излучение в узких спектральных интер­валах, соответствующих селективным полосам поглощения в спектре наземного солнечного излучения.

Абсолютная градуировка эталонных элементов трудоемка, тре­бует длительного времени и значительных затрат, поэтому эталоны, прошедшие такую градуировку, используют только в качестве образ­цового средства измерений. Для каждодневных целей применяются рабочие светоизмерительные приемники.

Эталонные элементы ПС-4 и -9 разработаны как образцовые^ При оценке их метрологических свойств измеряются следующие па­раметры*. вольт-амперная характеристика; температурная зависи­мость тока короткого замыкания в диапазоне от 20 до 60° С; зави­симость тока короткого замыкания от энергетической облученности в диапазоне значений солнечной постоянной от 0,5 до 1,5; стабиль­ность чувствительности за период не менее одного года. По резуль­татам измерений отбирается группа приемников, имеющих стабиль­ность чувствительности в пределах 0,5% и температурный коэффц*’ гциент тока короткого замыкания не более 0,2%/° С.

В качестве рабочих светоизмерительных приемников применяют­ся эталоны ПС-6 и -7, чувствительность которых в течение шести месяцев изменяется не более чем на 1,5%. Рабочие приемники гра­дуируются по образцовым на имитаторах, аналогичных тем, для ко­торых предназначен приемник. Все рабочие элементы не реже одно­го раза в шесть месяцев проходят поверку по образцовым.

Размер углового поля (поля зрения) эталонного элемента не оказывает влияния на точность измерений при работе в коллимиро­ванном пучке излучения. Однако во многих случаях, например при измерении плотности полного потока солнечной радиации в назем­ных условиях, важно, чтобы детали корпуса не затеняли чувстви­тельную поверхность эталонного элемента. Эталон с угловым полем 166° можно использовать при всех возможных значениях рассеян­ного солнечного потока и любом варианте обработки поверхности элемента [390].

Постоянное совершенствование технологии изготовления и созда­ние новых типов солнечных элементов вызывают необходимость из­мерения параметров солнечных элементов с нестандартным распре­делением спектральной чувствительности. При этом необходимо иметь набор эталонных солнечных элементов с различными вариан­тами спектральных характеристик. Солнечные элементы для таких •эталонов получают изменением глубины залегания р—п-перехода, вариацией характеристик просветляющего покрытия, облучением

элементов разными дозами протонов и электронов различной энер­гии. Быстрый подбор эталонного элемента выполняют по «сине­красному» отношению токов эталона и измеряемого элемента. С этой целью поочередно измеряется ток солнечного элемента со свето­фильтрами, выделяющими излучение в синей и ближней инфракрас­ной областях спектра, и подбирается эталонный элемент с наиболее близким значением «сине-красного» отношения. Аналогичный под­ход можно использовать для подбора эталонов при измерениях пара­метров солнечных батарей из нестандартных солнечных элементов. Создан комплект эталонных элементов с нестандартным спектраль­ным распределением чувствительности на основе приемников типа ПС-5.

Учитывая, что спектральное распределение энергии излучения даже высококачественных имитаторов отличается от стандартного солнеч — . ного, а чувствительность солнечных элементов селективна, проводить настройку интенсивности имитаторов с помощью неселективных приемников излучения (радиометров) нецелесообразно. Для этой цели применяются специально отградуированные эталонные солнеч­ные элементы [419]. Эталонные, или стандартные, солнечные эле­менты, иногда также называемые светоизмерительными приемника­ми,—это фактически радиометры с селективной чувствительностью.

Плотность потока солнечного излучения при одинаковом значе­нии воздушной массы и, казалось бы, сравнительно небольших ва­риациях основных составляющих атмосферы может изменяться, как показали расчеты, достаточно сильно [376]. Из сравнения различных атмосферных условий следует: плотность потоков солнечного излу­чения при нескольких измерениях, фиксируемая неселективным ра­диометром, может быть почти одинаковой, в то время как спектраль­ный состав излучения будет отличаться столь существенно, что сол­нечные элемента (в силу селективной чувствительности) будут вырабатывать при этом различную электрическую мощность и значи­тельно отличающиеся фототоки. Даже у высококачественных элемен­тов различие в токах короткого замыкания, измеренных в наземных условиях при одинаковой энергетической облученности, но разном состоянии атмосферы, составляет 15% [392]. В то же время одина-

новая плотность солнечного излучения 672 Вт/м2 может наблюдать­ся для следующих двух состояний атмосферы: при ні=1,5 толщина слоя озона 2 мм, (3=0,17, а=0,66 и при ш=3 толщина слоя озона 5,5 мм, р=0,02, а=1,3 (толщина слоя осажденных паров воды в обоих случаях 2,0 см), хотя очевидно, что спектральный состав из­лучения при столь разных параметрах атмосферы будет заметно от­личаться.

Сравнение градуировочного коэффициента — отношения, опреде­ленного по спектральной чувствительности интегрального фототока с единицы площади элемента к плотности потока солнечного излуче­ния, падающего на эту площадь,—для большого числа солнечных элементов показало, что если настройка интенсивности излучения имитатора из вольфрамовых ламп без фильтра проводится неселек­тивным радиометром, то погрешность измерения тока короткого за­мыкания солнечных элементов достигает 50% [420]. При исполь­зовании имитаторов на основе вольфрамовых ламп с дихроическим фильтром погрешность составит 30% (при прогнозировании значе­ний тока во внеатмосферных условиях) и 10% (в наземных), а для имитаторов на основе ксеноновых ламп с короткой дугой и интер­ференционными светофильтрами погрешность равна 15% для на­земных измерений и 3—5% для космических.

При градуировке эталонных солнечных элементов определяют ток короткого замыкания в стандартных условиях облучения. С по­мощью эталонного солнечного элемента настраивают имитатор — ре­гулируют поток его излучения до тех пор, пока ток короткого замы­кания эталона станет таким же, как при стандартных условиях.

Следует отметить, что в этом случае энергетическая облученность рабочей зоны имитатора не будет в точности совпадать с энергети­ческой облученностью, создаваемой естественным солнечным излу­чением в стандартных условиях, поскольку излучение оценивается по его воздействию на селективно-чувствительный солнечный элемент конкретной конструкции из определенного полупроводникового ма­териала.

Обычно для оценки излучения по его воздействию на приемник с конкретной спектральной чувствительностью вводят эффективные величины: оценка излучения по его воздействию на глаз человека производится в люксах, по воздействию на кожу — в эритемных еди­ницах и т. д. Однако в данном случае вводится не эффективная ве­личина, требующая нового названия, а эквивалентная. Так, если^ источник с произвольным спектром при некоторой энергетической облученности создает в солнечном элементе ток, равный внеатмо­сферному, то при этом энергетическая облученность для данного типа элементов эквивалентна 1360 Вт/м2. Например, при освещении лампой накаливания с цветовой температурой 2850 К кремниевый солнечный элемент с мелкозаяегающим д—^-переходом (/<0,5 мкм) генерирует такой же ток, как в космических условиях, если энерге­тическая облученность, создаваемая лампой, снабженной водяным фильтром толщиной 40 мм, равна приблизительно 780 Вт/м2, а лам­пой без фильтра — 960 Вт/м2. В обоих случаях при измерении излу­чения лампы кремниевый эталонный элемент покажет 1360 Вт/м2.

Использование эталонных солнечных элементов позволяет про­водить удовлетворительные по точности измерения на имитаторах с плохой коррекцией спектра и даже при использовании источников излучения с произвольным спектральным распределением энергии. Погрешность оценки электрических характеристик солнечных эле­ментов в этом случае будет зависеть от степени отличия спектраль­ной чувствительности измеряемого и эталонного элементов. Таким образом, основное требование, предъявляемое к эталонным сол­нечным элементам,—идентичность их оптических и спектральных характеристик характеристикам тех солнечных элементов, для из­мерения которых они применяются. Особенно это касается спектраль­ной чувствительности. При использовании эталонных элементов в наземных условиях с имитаторами, имеющими широкий пучок из­лучения, важна также и угловая зависимость чувствительности, в значительной степени определяемая микрорельефом поверхности солнечного элемента, влияющим на коэффициент отражения света при различных углах падения [23]. Даже самый совершенный тех­нологический процесс изготовления не обеспечивает идентичности оптических и спектральных характеристик всех элементов данного типа, поэтому в качестве эталонных желательно отбирать элементы, имеющие характеристики, близкие к средним для выпускаемой про­дукции.

Проектирование эталонных солнечных элементов включает в себя создание конструкции, исследование стабильности и метрологических характеристик, разработку аппаратуры и методики градуировки.

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). На-

пример, если применяется коллимирующее устройство, то наземное излучение в летний полдень в высокогорье при сухой атмосфере и 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) [417]. В течение 1 мин плотность потока излучения на Столовой горе изменяется не более чем на 0,5%. Близкие к этим — условия 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 Г418].

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, отражен-

ного от грунта, но измерения можно проводить лишь при большой высоте Солнца [392]. 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 [392].

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 АМІД АМ2 или АМ1 [387, 389, 391] 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 солнечною 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 милли — или 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 АМ1 —к 910— 950 Вт/м2.

Для примера на рис. 4.10 представлена кривая излучения ими­татора на основе галогенных ламп [408] 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 [408], было понижено до 100 В.

7* М М Колтун

Рис 4.10. 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 при условиях АМ2

Рис. 4.Н. Оптическая схе­ма имитатора наземного

солнечного излучения с диффузным отражателем

1 — вольфрамовая галогенная

лампа марки КГМ-30-300-2;

2 — 4 — зеркальный фацетный,

диффузный и зеркальный сферический отражатели соответственно;

S — составной охлаждаемый светофильтр из набора цветных стекол; в — измеряемый солнечный элемент

Известен имитатор для измерения параметров солнечных элемен­тов, состоящий из двух ламп — ксеноновой и вольфрамовой [414]. 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 [415]. 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 «-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 [416] выпол­нен на галогенной лампе мощностью 650 Вт, работающей при цве­товой температуре 3200 К. Коррекция спектра осуществляется опти­ческим фильтром CS1-75 Corning Glass. 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. 4.11) [366]. Как показали эксперименты, такой отражатель легко позволяет получить равномерность ±5% на площади 40Х Х40 мм. Линзовая оптика в имитаторе отсутствует. Источник излу­чения — галогенные лампы с цветовой температурой 3400 К. Спек-_ тральное распределение полного потока наземного излучения при атмосферной массе 1,5 можно получить с помощью цветных стекол СЗС-24, СЗС-17, ПС-14.

Более полно реальные условия наземного излучения воспроиз­водятся при использовании оптической схемы, показанной на

7**

ттическая схема ірямого и рас — иффузного) по — шго солнечного

амовые ные лампы,

•оры,

* фацетные гели;

[вы;

шьтры для т прямого и

ного

зного) потока яя

твенно,

мый солнечный

I другой про — Ы ПОД углом, (ЛНЄЧНОГО ИЗ-

ш и попадая т рассеянное аспределение 3400 К мож — о солнечного (фильтра, со — Ю-15 — 1 мм, иной 25 мм. что позволи-

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 [403].

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 станнитов 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 [404]. Изменение спектра лампы накаливания после введения водяного фильтра видно из сравнения кривых 3 и. 4 (рис. 4.0).

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, ц 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 [405, 406]. Колба лампы предохраняет светофильтры от неблагоприятного воздействия внешней окружающей среды (в частности, повышенной влажности), а последствий термического воздействия излучения

1 — встроенная кварцевая галогенная лампа марки КГМ-110-500-2 (мощностью 500 Вт при напряжении 110 В); 2— отражатель с многослойным тонкопленочным светофильтром; 3— рассеиватель с многослойным цветокоррегирующим фильтром, . нанесенным на теплоотражающую пленку двуокиси олова

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 [406]. 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 {407]. 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.

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 [408]. В имитаторе использованы 143 кварцевые галогенные лампы с эллиптическим отражателем, на поверхность которого нанесено многослойное интерференционное покрытие (ди — хроическое 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 [409— 411}. 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 вольт-амперной 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% [409]. Равномер­ность освещения построенного на аналогичном принципе небольшо­го имитатора TTPSS вертикальной конструкции (высотой 2,3 м) так­же составляет ±2% на площади 0,6X0,6 м. Имитатор сравнительно недорог, но за время одного импульса удается получить только одну точку вольт-амперной характеристики [412].

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 [389—393]. 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/м2 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 [413]. Лампа

взрывобезопасна, снабжена двойным охлаждаемым водой кварцевым окном в металлическом корпусе, однако значительная неравномер­ность освещения по площади, достигающая ±20% на краях облу­чаемой поверхности [368], 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.

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 до 1,4 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 [368], 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.

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 [395, 396] равномерность ±10% на площади 20Х Х30 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. 4.6), 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 ч применении специальной системы охлаждения (светофильтры по-

гружаются в прозрачный четыреххлористый углерод, охлаждаемый проточной водой) возникшие трудности удалось преодолеть [395].

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 ими — _ таторах все чаще используется специальный смеситель — оптический интегратор [397], 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 сиетем, 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-г-З) %.

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 [394].

Источником излучения большинства зарубежных имитаторов слу­жит ксеноновая лампа высокого давления. Спектр коррегируется ин­терференционными светофильтрами, позволяющими приблизить спектр лампы к спектру внеатмосферного Солнца [358] (рис. 4.7).

Имитатор Spectrosun 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, 398, 399]. Сменный комплект фильтров позволяет получать как внеатмосферный, так и наземный солнеч­ный спектр, правда, весьма далекий от стандартного спектра (усло­вия AM 1,5). І

На аналогичных принципах построены имитаторы фирмы Ushio Electric (Япония), Oriel (США), Optical Radiation Согр. (США), Bosh (ФРГ) и др. На рис. 4.8 представлены оптические схемы ими­таторов Spectrosnn Х-25 и малогабаритного фирмы Ushio Electric.

Рис» 4.6, Сравнение спектрального распределения энергии излучения имитато­ров и внеатмосферного солнечного излучения

I — внеатмосферное солнечное излучение; 2— имитатор (И, з, 4 — лампы накаливания до и после коррекции водяным фильтром толщиной 4 см соответственно

1, 2 — до и после коррекции с помощь» интерференционных светофильтров соответственно; 3 — сглаженный спектр внеатмосферного Солнца

1 — отражатель с большим углом охвата, 2—ксеноновая лампа высокого давления, 3— плоское зеркало, 4— интегратор-смеситель; 5 — интерференционные светофильтры, б — измеряемые солнечные элементы (или их группы); 7 — объектив

Среди отечественных имитаторов на средние площади хорошие параметры имеет прибор, разработанный во Всесоюзном научно-ис­следовательском светотехническом институте [400]. 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 [401, 402]. Спектры излучения металло-галогенных ламп, наполненных бромидом олова, хлоридом алюминия и иодидом индия, представлены в работе [368].

Следует отметить, что использование в достаточно точных ими­таторах внеатмосферного солнечного излучения элементов, довольно

1/27 М М. Колтун
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).

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 [368]; 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 [394].

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 боль-

ше — 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 воспроиз — * ведением 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.

Сравнение эффективности солнечных элементов, полученных в раз­личных лабораториях и при промышленном производстве, не может быть осуществлено без введения единых методов оценки их выход­ных параметров. Особенно важно применять стандартные методы при измерении характеристик солнечных элементов и батарей, рабо­тающих в наземных условиях, поскольку электрическая мощность, генерируемая селективно-чувствительными солнечными элементами,

Рис. 4.2. Спектральное распределение энергии солнечного излучения при различных значе­ниях воздушной массы

1—в— т=0, 1, 2, 3, 4, 5 соответственно

Рис. 4.3. Спектральное распре­деление энергии суммарного (1, 1′) и диффузного (2, 2′) наземного солнечного излуче­ния при т—2 и Р=0,1

1,2 — расчет;

Ґ, 2′ — эксперимент

Pi.0. 4.4. Спектральная зависи­мость относительных прямой (Y) и рассеянной (V) радиа­ции для различных высот Солнца^над горизонтом

неоднозначно связана с плотностью потока изменчивого по спектру наземного солнечного излучения.

Стандартизация методов измерений не только в государственном, но и в международном масштабе будет способствовать расширению сотрудничества в области использования солнечной энергии и облег­чит проблему сравнительной оценки качества солнечных элементов и батарей, выпускаемых в разных странах мира.

Международная комиссия по освещению (CIE) на XV сессии, проходившей в Вене в 1963 г. с участием представителей Великобри­тании, СССР, США и других стран, в качестве стандарта для ис­кусственного воспроизведения наземного солнечного излучения ре­комендовала условия облучения горизонтальной плоскости при ат­мосферной массе т=1 (условия АМ1) и следующих параметрах атмосферы: слой осажденных паров воды —2 см, озона —2 мм; коэф­фициент мутности ^=0,05. Интегральная плотность потока назем­ного солнечного излучения считается при этом равной 1110 Вт/м2.

Вопросы, касающиеся стандартных условий облучения, рассмат­ривались CIE и в последующие годы. В 1972 г. Международная
комиссия по освещению рекомендовала при имитации космических условий принимать солнечную постоянную равной 1350 Вт/м2 ±5% [384].

При испытании материалов на световое старение и расчетах энер­гетического воздействия наземного солнечного излучения комиссия рекомендовала пользоваться данными П. Муна [380] по спектраль­ному распределению излучения Солнца на поверхности Земли при различных значениях воздушной массы. Материалы Международ­ной комиссии хорошо дополняет обзор [385] предложенных разны­ми авторами расчетных формул [386] и моделей атмосферы [379].

Полученные многими исследователями сведения о различных характеристиках солнечной радиации [385] полезны для расчета параметров наземных солнечных элементов и батарей. К таким ха­рактеристикам относится, в частности, спектральная зависимость относительного содержания прямой (ч=Еар/Е) и рассеянной (у’= —EJE) радиации в суммарной солнечной радиации Е для различ­ных высот Солнца над горизонтом (рис. 4.4). Относительное содер­жание рассеянной радиации увеличивается^ не только по мере сни­жения высоты Солнца, но и с уменьшением длины волны, что хоро­шо заметно на рис. 4.4. При всех высотах Солнца относительное содержание рассеянной радиации в суммарной особенно велико в ультрафиолетовой и коротковолновой видимой частях спектра.

Интересны также результаты измерений спектрального состава и интенсивности прошедшего сквозь облачную атмосферу солнечного излучения [385]. Если принять плотность потока солнечного излу­чения Е в безоблачный день за 100%, то при 20% облачности (0,2 поверхности неба закрыто облаками) Е уменьшается до 89%, при 40 — до 77, при 60 — до 64, при 80 — до 46, при сплошной об­лачности — до 20 %. Коррелированная цветовая температура Солнца для наземного солнечного излучения в пасмурный день составляет 6020-6050 К.

В 1974—1975 гг. в странах, разрабатывающих солнечные элементы и батареи, начались активные исследования по выбору стандартного спектра наземного солнечного излучения применительно к измере­нию их параметров. Был предложен стандартный солнечный спектр, соответствующий атмосферной массе т=1 [387], основанный в свою очередь на расчетах, в которых в качестве исходного спектра вне­атмосферного солнечного излучения использовалось распределение Джонсона [369], при следующих условиях: слой осажденных паров воды 1,0 см, озона 3,5 мм при 200 аэрозольных частицах пыли в кубическом сантиметре воздуха [388].’ Суммарный поток такого стандартного наземного солнечного излучения (обычно обозначаемо­го как солнечное излучение для условий АМ1) 917 Вт/м2, прямая составляющая этого излучения равна 865 Вт/м2.

Следует отметить, что условия, близкие к АМ1, наблюдаются практически только в тропиках и на средних широтах в высоко­горье. В связи с этим были продолжены работы по выбору стан­дартного спектра и оптимальных методов измерений, наиболее пол­но отражающих условия эксплуатации большинства наземных фото­электрических установок.

В 1975 г. была разработана временная методика испытаний сол­нечных элементов наземного применения [389],предусматривающая три способа измерений: на естественном солнечном излучении с при­менением эталонных солнечных элементов, с применением неселектив­ных радиометров и на солнечных имитаторах. В методике описы­ваются приборы и оборудование, необходимые для проведения ис­пытаний, рекомендуются способы градуировки эталонных элементов. В качестве стандартных предложены условия облучения при атмо­сферной массе т=2 и следующих параметрах атмосферы: толщина слоя осажденных паров воды 2,0 см, озона 3,4 мм; коэффициент мутности р= 0,04; показатель селективности при аэрозольном по­глощении а=1,3 (такой спектр наземного излучения обычно кратко обозначается как условия АМ2). Спектральное распределение энер­гии солнечного излучения при стандартных условиях получено рас­четным путем на основе спектра внеатмосферного излучения, вы­веденного М. П. Такаекарой [356, 357]. В качестве стандартной тем­пературы принято значение 28±2° С.

Однако условия АМ2 также недостаточно точно соответствуют средним условиям работы наземных солнечных элементов и батарей, особенно летом в южных районах. В связи с этим временная мето­дика [389] была переработана. В усовершенствованной [390] в ка­честве стандарта приняты условия, соответствующие атмосферной массе т=1,5 (обозначаемые как условия АМ1,5). При этом счита­ется, что толщина слоя осажденных паров воды составляет 2,0 см, озона — 3,4 мм, коэффициент мутности р=0,12 и показатель селек­тивности а=1,3. Плотность прямого потока в спектре АМ1,5 равна 834,6 Вт/м2.

Для измерения плотности потока солнечного излучения преду­сматривается применять только эталонные солнечные элементы.

Среди искусственных источников света приемлемыми считаются три: ксеноновая лампа с короткой дугой, импульсная ксеноновая и вольфрамовая лампы при цветовой температуре 3400 К с дихроиче — ским интерференционным фильтром. При градуировке эталонных элементов следует использовать абсолютную радиометрическую шкалу.

Дополнительно к методике измерений характеристик солнечных элементов в прямом потоке естественного солнечного излучения вы­работаны и рекомендованы методика измерений в полном потоке и методика измерений элементов, работающих с концентраторами.

Все измерения следует проводить в специализированной лабора­тории, на которую возлагаются обязанности по разработке общих методических вопросов определения характеристик солнечных эле­ментов наземного применения, градуировке эталонных элементов и их распределению между исследовательскими организациями, а так­же общий метрологический контроль за правильностью измерений в условиях производства и выпуск соответствующих инструкций по выполнению измерений.

Детальному изучению подверглись вопросы метрологии солнеч­ных элементов на советско-американском семинаре в сентябре 1977 г. в Ашхабаде (программа по прямому преобразованию солнечной энергии; сопредседатели заседаний с советской и американской сто­рон — М. М. Колтун и Г. Брандхорст).

После подробного обсуждения специалистами разных стран, в том числе Великобритании, СССР, США и Франции, в 1982 г. методика измерений солнечных элементов при условиях АМ1,5 взята за осно­ву выбора стандартного спектра Международной электротехниче­ской комиссией ООН [391]. Этот спектр, так же как и спектр для условий АМО [358], приведен в приложении 1.

Следует отметить, что советскими специалистами спектр AM 1,5 и до этого широко использовался для измерений не только парамет­ров солнечных элементов, но и интегральных оптических характе­ристик гелиотехнических материалов (см., например, [ 146]). Однако параметры атмосферы, обусловливающие форму спектральных полос поглощения, в работе [146] не были определены и эти данные нель­зя было использовать при международной стандартизации.

В соответствии с методикой измерений параметров солнечных элементов под естественным солнечным излучением [392] в качест­ве стандартных были выбраны условия облучения в полном потоке солнечного излучения при атмосферной массе 1. В отличие от дру­гих исследований, где спектр наземного излучения получен пересче­том из внеатмосферного, в этой методике стандартное распределение энергии полного потока установлено усреднением одиннадцати экс­периментальных кривых, полученных в течение четырех дней в июле 1976 г. на о-ве Мальта. Остров расположен на широте 36°, и в июле в полдень атмосферная масса не превышает 1,03. В качестве стан­дартной принята плотность потока 1000 Вт/м2. Измерения могут проводиться на естественном солнечном излучении, а также на ими­таторах. На естественном излучении измерения рекомендуется про­водить в полном потоке при наведении солнечных элементов и бата­рей по нормали на Солнце с точностью ±5°. При этом плотность потока должна быть не менее 800 Вт/м2. Излучение, отраженное от Земли (которое, например, в случае снежного покрова может быть достаточно большим) и окружающих предметов, должно быть ис­ключено. Для измерения плотности потока излучения имитаторов и Солнца применяются эталонные солнечные элементы, отградуиро­ванные в соответствующих условиях.

Западцоевропейскими странами недавно принята единая мето­дика измерений солнечных элементов наземного применения [366], разработанная международной группой под эгидой Европейского экономического сообщества в Объединенном научном центре (ШС), Италия. Созданы метрологические лаборатории по градуировке и

проверке эталонных элементов при европейских центрах по изучению космического пространства: RAE (Фарнбороу, Великобритания), CNES (Тулуза, Франция), ESTEC (Нордвик, Нидерланды).

Создана методика измерений солнечных элементов наземного при­менения [393], единая для стран —членов СЭВ. Наиболее активное участие в ее разработке принимали специалисты из Болгарии, Венг­рии, Монголии, Польши, СССР и Чехословакии. Методика включает проведение измерений солнечных элементов на естественном сол­нечном излучении, на имитаторах Солнца, а также измерения при концентрированном солнечном излучении. При ее разработке учиты­валась возможность согласования условий измерения в более широ­ком международном масштабе; в этой методике использован опыт исследований, проводившихся в разных странах мира. В качестве стандарта приняты два варианта условий облучения: т=1, Е— = 1000 Вт/м2; га=1,5, £Пр=850 Вт/м2. Параметры атмосферы в обоих случаях одинаковы: слой осажденных паров воды 2,0 см, озона 3,4 мм; коэффициент мутности ^=0,12 и показатель селективно­сти а=1,3.

Согласно этой методике характеристики солнечных элементов можно измерять в прямом и полном потоках излучения.

При измерениях в прямом потоке измеряемые и эталонные эле­менты должны быть ориентированы на Солнце с точностью 2°, при­чем их поле зрения следует ограничить углом 10°. Измерения можно проводить при плотности потока излучения (определяемой по эта­лонному элементу) не менее 750 Вт/м2 при ш^З.

При измерениях в полном потоке измеряемые и эталонный эле­менты ориентируются на Солнце с точностью ±5° и устанавливают­ся под углом к горизонтальной плоскости не более 60°. Плотность потока излучения должна быть не менее 800 Вт/м2, атмосферная масса — не более 2. Мутность атмосферы, облачность и альбедо под­стилающей поверхности контролируются в период измерений по об­щему действию рассеянного излучения на солнечные элементы: от­ношение тока эталонного элемента при измерениях в полном сол­нечном потоке, к току, измеряемому в прямом потоке, не должно превышать 1,3. Поле зрения эталонного элемента при измерении ин­тенсивности прямого потока необходимо снизить до 10°.

В октябре 1980 г. в Ереване проводилось совещание специали­стов стран СЭВ по метрологии солнечных элементов, на котором методика рекомендована к применению.

Общепринятые в настоящее время (при расчетах и эксперимен­тальном определении КПД и выходных электрических параметров солнечных элементов и батарей) спектры внеатмосферного [358] и наземного солнечного излучения при условиях AM 1,5 [390, 391] представлены на рис. 4.5.

Важность стандартизации спектра солнечного излучения и со­става атмосферы при измерениях можно проиллюстрировать следую­щим примером: при одинаковой атмосферной массе 1,5 и безоблач-

ном небе в зависимости от влажности и количества аэрозольных частиц плотность прямого потока солнечного излучения может из­меняться от 943 до 616 Вт/м2 [376].