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).