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-

Рис. 4.18. Абсолютная спектральная чувствительность кремниевых солнечных элементов, непросветленных с глубоким р—/г-переходом (толщина легирован­ного слоя 1> 1,2 мкм) (1—3) и просветленных с мелкозалегающим р—/г-пере­ходом 0,3 мкм) (4—6)

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.