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

Источником света в имитаторе служила ксеноновая лампа высо­кого давления, спектр которой коррегирован интерференционным светофильтром. Настройка имитатора осуществлялась с помощью эталонного солнечного элемента ПС-9 (чувствительная поверхность 30X35 мм), разработанного и отградуированного в СССР. Конструк­ция эталона, как уже указывалось, предложена в качестве стандар­та для стран СЭВ. Градуировка проведена для наземных условий АМ1 (плотность прямого потока солнечного излучения 1000 Ёт/м2) и для условий АМ1,5 (плотность прямого потока 850 Вт/м2). При работе на имитаторе испЬльзовался разработанный в ВНР прибор для автоматического измерения и записи вольт-амперной характе­ристики, в комплект которого входит мини-ЭВМ, что позволяет одно­временно определить оптимальные параметры солнечных элементов. В приборе использован четырехзондовый способ съема тока с от­дельной цепью для подключения вольтметра, который позволяет значительно точнее по сравнению с двухзондовым (см. рис. 1.18) измерить напряжение на солнечном элементе. Поскольку в цепи вольтметра при четырехзондовой схеме протекает очень малый ток, падение напряжения на сопротивлении перехода между контактом солнечного элемента и токосъемным зондом и на сопротивлении про­водов ничтожно, и, следовательно, вольтметр замеряет напряжение, которое установилось непосредственно на солнечном элементе. Как показали эксперименты, для элементов площадью 5,4 см2 при стан­

дартной плотности потока излучения и значении тока короткого замыкания 160 мА при измерении двумя способами разница в КПД не отмечается; при площади 10,5 см2 и токе короткого замыкания 300 мА КПД по двухзондовой схеме составляет 12,1 вместо 14,1% по четырехзондовой схеме. Если площадь элемента 24 см2 и ток короткого замыкания 670 мА, разница при измерениях по двум схе­мам еще больше (КПД=8,1 и 11,3% соответственно).

В любом варианте электрической схемы по мере увеличения пе­реходного сопротивления контакт солнечного элемента—токосъемный зонд, сопротивления проводов и внутреннего сопротивления ампер­метра измерения параметров солнечного элемента будут проводиться в области вольт-амперной характеристики, все более удаленной от точки короткого замыкания, и для элементов с высоким последова­тельным сопротивлением ошибка измерений будет весьма ощутимой.

Для точного определения тока короткого замыкания элементов может быть применена схема с дополнительным источником, позво­ляющим подавать встречное напряжение. Особенно удобно исполь­зовать ее для измерений при повышенных концентрациях солнечного потока или при исследовании параметров солнечных элементов с большой площадью фоточувствительной поверхности. Такая схема применяется, например, для измерения электрических характери­стик блок-элементов (модулей с параллельно соединенными солнеч­ными элементами большого размера, имеющих высокие значения тока при малых напряжениях [141, 142]).

Результаты проведенных в ВНР в июне 1982 г. измерений пара­метров солнечных элементов на имитаторе Солнца сравнивались с данными, полученными на этом же имитаторе при его настройке по солнечному элементу, сличенному с эталоном, принятым в США (эталонный солнечный элемент, который используется в США для измерения наземных элементов применительно к условиям АМ1, был продемонстрирован на советско-американском семинаре в 1977 г. [393]). При настройке по эталону США наблюдалось завышение КПД элементов, составлявшее для венгерских элементов в среднем 8%, для советских — 6%, что объясняется, по-видимому, отличиями в методах градуировки эталонов, применяемых в CCGP и США.

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

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

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

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

Различие в результатах измерений при настройке имитаторов с помощью разных эталонов указывает на необходимость использова­ния единого стандартного спектра наземного Солнца при градуировке эталонов. Намеченный в последнее время выбор стандартного на­земного спектра (условия АМ1,5), согласованного в международном масштабе [391, 393], является, по-видимому, единственно правиль­ным решением сложного вопроса градуировки наземных солнечных элементов, поскольку при этом можно проводить сопоставление эф­фективности и качества солнечных элементов и батарей, выпускае­мых разными странами и фирмами [363, 392, 393, 420, 423].

Градуировка эталонов для оценки эффективности работы солнеч­ных элементов и батарей космического назначения с использовани­ем общепринятого в настоящее время спектра АМ0 Макаровой и Харитонова [358] также позволяет достаточно точно настраивать лабораторные и заводские имитаторы Солнца и прогнозировать ха­рактеристики солнечных батарей при эксплуатации во внеатмосфер­ных условиях. Труднее учесть переменную по спектру и потоку

и непостоянную во времени часть солнечного излучения, отражен­ную от облаков и подстилающего рельефа Земли и эффективно ис­пользуемую двусторонними и прозрачными в инфракрасной области спектра солнечными батареями [5, 110, 149]. Однако расчетные и экспериментальные исследования, вероятно, позволят в недалеком будущем достаточно точно предсказывать возможное увеличение тока солнечных батарей низколетйщих спутников Земли за счет этой составляющей внеатмосферного солнечного излучения [143, 354].

Уже не раз подчеркивалось, что солнечный элемент, предназна­ченный для создания эталона, должен обладать основными особен­ностями, свойственными спектральным, фотоэлектрическим и опти­ческим характеристикам измеряемых элементов. Например, при оцен­ке КПД партии кремниевых солнечных элементов с п+—р—/^-струк­турой и мелкозалегающим р—га-переходом эталонный элемент должен выбираться из их числа, а для солнечных элементов из новых полу­проводниковых материалов эталонный элемент следует создавать иа того же полупроводникового материала при таких же толщинах и электрофизических свойствах слоев, как в структуре элемента дан­ного типа.

Однако приведенный в 4.4 пример измерений на АМС «Вене­ра» говорит о том, что возможен и другой подход: создание ста­бильного солнечного элемента, например, из кремния со сравни­тельно глубоким р—w-переходом, и внесение в его паспортные дан­ные значений переходных коэффициентов, которыми необходимо пользоваться, если по данному кремниевому эталону настраивается имитатор Солнца при измерении параметров солнечных элементов из других полупроводниковых материалов или из того же материала, но иной конструкции.

Как было установлено в ходе полета АМС «Венера-13 и -14», при определении параметров солнечных элементов для внеатмосфер­ных условий (спектр АМО, плотность потока излучения 1360 Вт/м2) на имитаторе Солнца из ламп накаливания без коррекции спектра с плотностью излучения 1000 Вт/м2, для кремниевого эталона с глу­боким р—тг-переходом (1,0—1,2 мкм) переходный коэффициент ра­вен 1,0, а для кремниевого элемента с небольшой глубиной залега­ния р—н-перехода (0,3—0,5 мкм) —1,12—1,13; для солнечных эле­ментов на основе гетероструктуры AlGaAs—GaAs переходный коэф­фициент составляет 1,11—1,12 при толщине слоя AlGaAs 15 мкм, 1,2—1,21 при толщине того же слоя 10 мкм и 1,54 при толщине этого слоя менее 1 мкм.

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

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