Спектральная чувствительность солнечного элемента представляет собой спектральную зависимость его тока короткого замыкания, рас­считанного на единицу энергии падающего оптического излучения.

Рис. 1.25. Схема установки для! измерения спектральной чувстви­тельности солнечных элементов

1 — источник света;

2 — монохроматор;

3 — сменные оптические фильтры;

4 — линзы,

5 — 6 — измеряемый и эталонный

солнечные элементы соответственно (при градуировке термоэлемент);

7 — потенциометр;

8 — вольтметр,

9 — амперметр;

10 — 12 — резисторы сопротивлением

Ri—R3 соответственно,

13 — источник компенсирующего
напряжения (Б7=1,5 В)

Рис. 1.26. Оптическая схема зер­кального монохроматора ЗМР-З

1 — входная щель, пропускающая

излучение источника;

2 — зеркальный объектив;

3 — призма;

4 — поворачивающееся плоское

зеркало (зеркало Литтрова); ч

5 — плоское зеркало;

6 — выходная щель

Для обычных, не прецизионных измерений спектральной чувст­вительности используется зеркальный монохроматор ЗМР-З со стек­лянной оптикой (рис. 1.25). Источником света служит ленточная вольфрамовая лампа накаливания типа СИ-6-40 (мощностью 36 Вт), тело накала которой с помощью зеркального эллиптического отра­жателя проектируется на входную щель прибора. Стабильность све­тового потока поддерживается за счет постоянства тока накала лампы (5,8 А), который контролируется амперметром класса 0,2.

Лампа СИ-6-40 дает возможность проводить измерения в види­мой и инфракрасной областях спектра (до границы пропускания стекла). При измерениях в ультрафиолетовой области спектра от 0,4 мкм до 0,3 мкм применяется лампа накаливания с увиолевым стеклом, цветовая температура которой 3200 К, а при измерениях в области длин волн менее 0,3 мкм рекомендуется использовать водородную лампу [102], поскольку она дает сплошной спектр и отличается высокой (по сравнению с другими газоразрядными лам­пами) стабильностью.

Рабочие щели монохроматора ЗМР-З изменялись от 1 мм для области спектра 0,4—0,5 мкм до 0,25 мм в области длин волн боль­ше 0,9 мкм, с тем чтобы спектральная ширина щели оставалась по­стоянно в пределах 0,01—0,015 мкм. В монохроматоре ЗМР-З изме­

нение длины волны осуществляется небольшим поворотом зеркала 4 (рис. 1.26), что позволяет излучению любой выделяемой длины волны проходить через призму с минимальным отклонением от пер­воначального пути.

Для устранения рассеянного света при измерениях спектраль­ной чувствительности (см. рис. 1.25) в соответствующих областях "спектра используются светофильтры СЗС-8, СЗС-14 и СЗС-12. За вы­ходной щелью монохроматора помещаются две линзы, с помощью которых расходящийся световой поток может быть распределен по всей поверхности или собран на части солнечного элемента. Этот световой поток на определенном расстоянии от второй линзы проеци­руется в полоску размерами порядка 1,5X9 мм, полностью попа­дающую на приемную пластину термоэлемента. Затем солнечный "элемент устанавливается на место термоэлемента таким образом, чтобы весь свет, измеренный термоэлементом, вписывался в прием­ную поверхность солнечного элемента (см. рис. 1.25). Если при определении освещаемой площади с помощью микроскопа окажет­ся, что часть света попадает на контактные полоски солнечного элемента, то освещаемая площадь полос должна, конечно, вычитать­ся из общей освещаемой площади.

Измерения плотности потока монохроматического излучения мо­гут быть осуществлены, например, с помощью вакуумного компен­сационного термоэлемента Козырева марки РТЭ с приемными плас­тинами размерами 2X12 мм каждая. Термоэлемент включается на вход низкоомного потенциометра. В экспериментах чувствительность одного из, использованных термоэлементов составляла 0,47 В/Вт и периодически проверялась по эталонным светоизмерительным лам­пам, отградуированным во ВНИИМ им. Менделеева (г. Ленинград) или во ВНИИОФИ (г. Москва) по цветэвой температуре и силе света.

В качестве неселективных могут быть также использованы при­емники излучения, основанные на: металлических термопарах [103]; пленочных термоэлементах [104]; полупроводниковых термостолби­ках [105]. Градуировку этих приемников полезно осуществить не­сколькими независимыми методами: применяя эталонную лампу; с помощью встроенной обмотки замещения, по которой пропуска­ется определенный ток [ 105]; используя модель абсолютно черного тела с известной температурой.

При измерениях сначала весь спектр монохроматора от 0,4 до 1,16 мкм градуируется с помощью термоэлемента, а затем на его место устанавливается солнечный элемент, ток короткого замыка­ния которого измеряется по компенсационной схеме (см. рис. 1.25), Установка и снятие исследуемого элемента после каждого изменения длины волны привели бы к значительно большим погрешностям за счет неточности механических перемещений.

В качестве индикатора нуля используется гальванометр Ml95/2, измерительным прибором может служить микроамперметр М95 с

Рис. 1.27. Спектральная зависимость состав­ляющих легированной (2, 2) и базовой (3, 4) областей в суммарном коэффициенте собира­ния для солнечных элементов 4 ‘

1,3 — кремний (п — на р-типа);

2, 4 — арсенид галлия (р — на п-типа)

шунтом. В схеме использовались резис­торы сопротивлением Д2—100 кОм, i?3— ^3 кОм, Ri — до 10 кОм. Применение такой схемы исключает влияние на из­меряемый ток сопротивления микро­амперметра. Погрешность измерения фототока лежит в пределах ±10% в области длин волн 0,45—0,5 мкм, не превышает ±5% при А,>0,5 мкм и мо­жет возрастать до 30% в области 0,4—0,45 мкм, если измеряются солнечные элементы, имеющие низкую чувствительность в этой об­ласти спектра.

Энергия на выходе монохроматора изменялась во всем спектраль­ном диапазоне в пределах 0,002—0,02 мВт (что соответствует пото­ку фотонов 1,5‘1012—1-Ю14 с-1).

Следует отметить, что из-за нелинейности люкс-амперной ха­рактеристики многих солнечных элементов при переходе от низких освещенностей, создаваемых монохроматическим светом, к высоким, характерным для солнечного излучения вне атмосферы или в ясные дни в наземных условиях, особо ответственные прецйггйонные из­мерения спектральной чувствительности, например для эталонных солнечных элементов, проводятся на усовершенствованных уста­новках.

Абсолютной значение спектральной чувствительности рассчиты­вается после измерений /я. з(А,) как отношение 1К,3(Х)/Е(Х). Для определения коэффициента собирания (/к.3 на один поглощенный фотон) дополнительно измеряется коэффициент отражения от по­верхности солнечных элементов в той же области спектра.

Эксперименты и расчеты показали, что составляющая верхнего легированного слоя кремния в суммарном коэффициенте собирания при переходе к малой глубине залегания р—п-перехода и при уве­личении скорости поверхностной рекомбинации начинает умень­шаться [63, 84].

При создании солнечных элементов из арсенида галлия также наблюдается отмеченная тенденция. Гомогенный р—тг-переход в этом материале создается обычно с помощью мелкой термодиффу — зйи цинка — примеси р-типа — в исходный арсенид галлия /г-типа. Однако существенно более высокие значения коэффициента погло­щения в арсениде галлия (по сравнению с кремнием) и его резкая спектральная зависимость (см. рис. 1.1) приводят к тому, что почти все фотоактивцое излучение поглощается в верхнем легированном
слое p-типа и собирается из него нижележащим р—гс-переходом в арсениде галлия.

Были выполнены также сравнительные расчеты для солнечных элементов из кремния и арсенида галлия при близкой толщине сло­ев и одинаковой скорости поверхностной рекомбинации. Результаты этих расчетов показывают, что составляющая базового слоя в сум­марном коэффициенте собирания становится заметной лишь в длин­новолновой области спектральной чувствительности солнечных эле­ментов из арсенида галлия (рис. 1,27, кривая 4).

По спектральной чувствительности исследованных солнечных элементов в соответствии с методикой, описанной в работе [86], были рассчитаны время жизни и диффузионная длина неосновных носителей в областях по обе стороны р—тг-перехода [106]. Выясни­лось, что дополнительная причина столь незначительного влияния базовой области на общий коэффициент собирания в элементах из арсенида галлия — чрезвычайно малая диффузионная длина неос­новных носителей в этом материале, не превышающая 1,5 мкм.