Характеристики элементов и батарей под естественным солнечным излучением можно определять в прямом и полном потоке. В пер­вом случае эталонные солнечные элементы, снабженные коллими­рующими тубусами (имеющими угловое поле не более 3°), наводят­ся на Солнце, а затем на их место устанавливаются измеряемые — элементы. Плотность потока прямого солнечного излучения допол­нительно определяется с помощью пергелиометра. В период измере­ния необходимо соблюдать следующие условия: энергетическая об­лученность поверхности элементов в диапазоне 750—900 Вт/м2; атмосферная масса в пределах от 1 до 2; небо ясное и голубое, что свидетельствует об отсутствии аэрозольного рассеяния; произведе­ние атмосферной массы на коэффициент мутности не более 0,25 [392].

Измерения в полном потоке [389—392] проводятся при горизон­тальном расположении элементов. Плотность потока излучения до­полнительно определяется пиранометром. Одновременно, если име­ется необходимая аппаратура, исследуется спектральное распреде­ление энергии полного потока. Градуировочное значение, относя­щееся к стандартным условиям, вычисляется на основе полученных и эталонных значений плотности излучения, записанных в паспорте использованного эталона При наличии данных о спектральном рас­пределении энергии полного потока в момент измерений и значи­тельном расхождении его со стандартным значением (условия AM 1,5) в полученные результаты может быть внесена поправка.

При измерениях требуется соблюдение следующих условий: яс­ная погода с плотностью прямого потока солнечного излучения не менее 800 Вт/м2 и плотностью рассеянного потока не более одной четверти от плотности прямого; высота Солнца не менее 54°. Во всех случаях следует использовать вольтметры с внутренним сопротив­лением не менее 10 кОм/В; падение напряжения в схеме при из­мерении тока короткого замыкания должно составлять не более* 20 мВ на один солнечный элемент.

Ток короткого замыкания желательно определять при напряже­нии, близком к нулю, что можно осуществить, используя встречное напряжение (от блока с электронным регулятором), компенсирую­щее падение напряжения на последовательном сопротивлении.

Вольт-амперную характеристику можно снять вручную или авто­матически с регистрацией данных на двухкоординатном самописце — или с помощью цифропечатающего устройства, а также с помощью мини-ЭВМ.

Необходимо отметить, что наземные солнечные батареи только небольшую часть времени работают в условиях, близких к стан­дартным (AM 1,5 и соответствующее им содержание составляющих атмосферы). В течение дня меняются высота Солнца над горизонтом и соответственно значение атмосферной массы, глубина полос по­глощения водяным паром, озоном, кислородом, по-разному сказы­

вается влияние аэрозольного рассеяния. Перемена погоды, внезап­ная облачность, дождь приводят к еще более значительному отступ­лению плотности потока излучения и спектра Солнца от стандарт­ных значений.

Экспериментальным и расчетным путем многие исследователи старались определить направление изменения основных параметров, и прежде всего КПД, солнечных элементов при вариации составляю­щих атмосферы и спектра солнечного излучения. Очевидно, что об­суждаемая тенденция изменения параметров в каждом случае будет зависеть не только от различий в спектре Солнца, но и от характера спектральной чувствительности солнечного элемента из определен­ного полупроводникового материала. По разнице значений переход­ных коэффициентов от внеатмосферного (условия АМО) к стандарт­ному наземному спектру AM 1,5 для эталонных солнечных элемен­тов на основе различных полупроводниковых материалов и структур можно судить о том, сколь значительным оказывается в некоторых случаях изменение характеристик элементов при переходе к спек­трам Солнца, отличным от стандартных и общепринятых.

Особенно трудно выделить влияние на характеристики солнеч­ных элементов какого-либо одного параметра солнечного излуче­ния, например атмосферной массы т, поскольку в натурных усло­виях одновременно с ней обычно изменяются сразу несколько пара­метров излучения. Видимо, по этой причине при натурных измере­ниях, выполненных в условиях Кливленда (штат Огайо, США), не удалось обнаружить зависимость КПД солнечных элементов из кремния, арсенида галлия и сульфида кадмия от атмосферной мас­сы т при ее изменениях от 1,3 до 4,5 (при одновременных значи­тельных вариациях плотности потока излучения при одной и той же атмосферной массе за счет резкого перехода от яркого Солнца к облачности или туману) [457J. Измерения проводились в период с декабря 1974 г. по март 1975 г., когда спектральные изменения в проходящем сквозь атмосферу солнечном излучении сравнительно невелики и ток солнечных элементов был практически пропорцио­нален плотности прямого потока падающего излучения, который оце­нивали по показаниям пергелиометра независимо от значения атмо­сферной массы, изменявшейся в широких пределах.

Экспериментальные исследования, выполненные в лабораториях фирмы «Комсат» (г. Кларксбург, штат Мэриленд, США) с середины ноября 1975 г. по первую декаду января 1976 г., позволили обнару­жить зависимость КПД кремниевых элементов от атмосферной мас­сы [458]. Плотность потока солнечного излучения определялась с помощью пиранометра, который при необходимости отделить пря­мую составляющую излучения от суммарной закрывался черным диском диаметром 4 см на расстоянии 30 см от чувствительной поверхности. Экспериментальные данные были подтверждены расчетами [458] с использованием результатов измерений абсолют­ной спектральной чувствительности элементов и спектров наземного

Солнца при различных параметрах атмосферы [459, 460]. В качестве внеатмосферного спектра сравнения при условиях АМО был принят спектр Джонсона [369]. Для расчетов и экспериментов использова­лись кремниевые солнечные элементы с мелкозалегающим р—«-пере­ходом изготовления фирмы «Комсат». Аналогичные результаты были получены для элементов из арсенида галлия [458].

Несмотря на значительно меньшую электрическую мощность в наземных условиях по сравнению с генерируемой солнечными ба­тареями во внеатмосферных (из-за меньшей плотности потока из­лучения), КПД преобразования в наземных условиях может быть почти на 20% выше в зависимости от характера спектра падающего излучения и спектральной чувствительности конкретного солнечно­го элемента [458]. Если в расчетах использовать сглаженную оги­бающую кривую спектра для условий АМ1 (при этом селективные полосы поглощения водяным паром, озоном и кислородом не учиты­ваются) , то получим КПД солнечных элементов таким же, что и для условий АМО. При реальном спектре АМ1 с селективными полоса­ми поглощения КПД элементов будет выше на 10%, чем в условиях АМО (переходный коэффициент 1,1), при АМ2 — на 15% (коэффи­циент 1,15), при АМЗ —на 16% (коэффициент 1,16).

Эксперимент показал, что для условий АМ2 при относительно ясной погоде переходный коэффициент составляет 1,11—1,12 (при­чем он имеет одинаковое значение как для суммарного излучения, так и для прямой составляющей его), а для туманных дней — 1,15-1,19.

Таким образом, важная особенность изменения наземных пара­метров солнечных элементов состоит в следующем: по мере увели­чения воздушной массы, возникновения пасмурности, облачности, дымки, появления капель дождя КПД солнечных элементов, как правило, значительно растет, хотя абсолютное значение генерируе­мой ими мощности падает [458]. Причину этого явления легко по­нять из сравнения кривых спектрального распределения энергии солнечного излучения при различных атмосферных массах (см. рис. 4.2): при увеличении значения атмосферной массы от 1 до 5 плотность потока излучения падает, но максимум проходящего сквозь атмосферу солнечного излучения сдвигается вправо, прибли­жаясь к максимуму спектральной чувствительности солнечных эле­ментов из кремния и арсенида галлия [380].

Конечно, такова очевидная зависимость для прямого солнечного излучения. Спектр рассеянного излучения (при ухудшении клима­тических условий) зависит от соотношения между диаметром час­тиц, образующих дымку, туман, размерами капель дождя и длиной волны солнечного излучения. Однако увеличение переходного коэф­фициента с уровня 1,11—1,12 при хороших погодных условиях до диапазона 1,15—1,19 для плохой погоды [458] говорит о том, что соотношение между длиной волны солнечного излучения и размера­ми рассеивающих частиц может быть таким, что поглощается и за — держпвается в атмосфере в основном коротковолновое излучение, при этом спектр проходящего излучения приближается к спектраль­ной чувствительности солнечных элементов.

Молекулярное и аэрозольное рассеяние ясного неба вызывает обратный эффект — уменьшение переходного коэффициента от ус­ловии АМО к наземным условиям. Учет диффузного рассеяния ясного неба должен привести к приближению любого наземного спектра к спектру внеатмосферного Солнца, так как спектральное распределение этого рассеяния лежит в коротковолновой области спектра (см. рис. 4.4 и 4.5). Расчеты подтверждают высказанное положение: для современных кремниевых солнечных элементов с высокой чувствительностью в коротковолновой части спектра пере­ходный коэффициент от условий АМО к условиям A Ml,5 при рас­чете только на прямой поток излучения составляет 1,17, а при рас­чете на суммарное излучение (с учетом диффузного рассеяния яс­ного неба) уменьшается до 1,14 [420]. Такая же тенденция отмечена в работе [420] и для солнечных элементов на основе арсенида га — лия и сульфида кадмия.

Расчетные исследования, по нашему мнению, позволяют значи­тельно четче выделить влияние атмосферной массы, отдельных ин­тервалов спектра наземного Солнца и свойств элементов на значе­ние переходных коэффициентов. Результаты расчетов, выполненных Е. С. Макаровой, по определению переходных коэффициентов для основных конструкций солнечных элементов от условий АМО к не­скольким известным наземным спектрам приведены в табл. 4.3 [1].

Для двух типов кремниевых солнечных элементов с резко отли­чающейся спектральной чувствительностью (из-за различия в глу­бине залегания р—тг-перехода) при неизменном состоянии атмосфе­ры (международный спектр для условий АМ1,5 [391], в котором изменялся только один параметр — атмосферная масса т, а осталь­ные характеристики оставались постоянными: толщина слоя осаж­денных паров воды 2,0 см, озона 3,4 мм; р=0,12; а=1,3) И. С. Ор­шанским был проведен расчет переходных коэффициентов:

т	1,	1,5	О	3	5	10
/л ~ 2.5 чкч	1,155 1,175	1,2	1,23	1,26	1,27
0,7 мкм	1,12	1,135	1,145	1,155	1,155	1,125

Погрешность измерений солнечных элементов и батарей на имитаторах и в натурных условиях

Даже самые высококачественные имитаторы не воспроизводят с абсолютной точностью оптические параметры стандартного солнеч­ного излучения. Погрешность измерения электрических характери-

Переходные коэффициенты от условии АМО к различным спектрам наземного солнечного излучения для основных типов солнечных

элементов

Таблица 4.3 Расчет на полный спектр при % = 0,25 — f — — г — 3,0 мкм Чип элемента (спектральная характеристика) A Ml, 5 (прямое) АМ1,5 (прямое 4~ — г Диф- ФУ Зное) АМЗ (прямое) АМ5 (прямое) Si с мелким р—п переходом, 1л~ 0,3 мкм (рис. 4.18, кривая 6) 1,137 1,113 1,114 1,076 Si с глубоким р—«-переходом, ■си 1,5 мкм (рис.4.18, кривая 3} 1,186 1,175 1,193 1,180 GaAs—AlGaAs толщиной 10 мкм (рис. 4,19, кривая 4) 1,242 1,205 1,244 1,246 GaAs—AlGaAs толщиной 1 мкм (рис. 4.19, кривая 3) 1,185 1,173 1,168 1,148 ITO—SiOx—nSi (рис. 2.29, кривая 1) 1,106 1,101 1,107 1,087 Cu2S—CdS (рис, 2.23, кривая 2) 1,042 1,08 0,097 0,873

Расчет на часть спектра при % = 0,3 — 1,2 мкм Тип элемента (спектральная характеристика) AMI,5 (прямое) AMi,5 (прямое — f + диф­фузное) АМЗ (прямое) AM 5 (диффуз­ ное) Si с мелким р—п-переходом, 1 ~ 0,3 мкм (рис. 4.18, кривая 6) 1,115 1,071 1,145 1,164 Si с глубоким р—п-переходом, 1 СИ £2^1,5 мкм (рис. 4.18, кривая 3) 1,163 1,130 1,226 1,276 GaAs—AlGaAs толщиной 10 мкм (рис. 4,19, кривая 4) 1,218 1,159 1,270 1,347 GaAs—AlGaAs толщішой 1 мкм (рис. 4.19, кривая 3) 1,162 1,129 1,195 1,241 ITO—SiOx—nSi (рис. 2.29, кривая 1) 1,085 1,059 1,139 1,175 Cu2S—CdS (рис. 2.23, кривая 2) 1,022 1,039 0,99 0,944

стик солнечных элементов и батарей, возникающая в связи с этим, в значительной степени снижается при использовании для настрой­ки имитаторов эталонных элементов. Снижается, но не исчезает, поскольку оптические характеристики измеряемых солнечных эле­ментов могут отличаться от характеристик эталонного элемента.

В 1976 г. Европейским космическим центром и фирмой «Комсат» проведена совместная работа по измерению 15 солнечных элементов фирмы «Комсат» на девяти имитаторах, принадлежащих различным лабораториям и организациям США и стран Западной Европы. Раз­брос определенных на разных имитаторах значений токов короткого- замыкания солнечных элементов достигал 13—15% [461]. Резуль­таты такого сравнения указывают на важность оценки точности из­мерений конкретных типов солнечных элементов на конкретных имитаторах.

Погрешность измерения солнечных элементов складывается из: нескольких составляющих: спектральной, угловой, поверхностной, температурной, временной [462]. Исследования показали, что по­грешность равным образом определяется как отличием спектра ими­татора от солнечного, так и разницей в спектральной чувствитель­ности измеряемого и эталонного солнечных элементов.

На имитаторах с высокой неравномерностью освещения погреш­ность можно уменьшить введением при настройке имитатора по­правки, учитывающей различие в облученности поверхности эталон­ных солнечных элементов и измеряемых батарей (или групп сол­нечных элементов). Поправка рассчитывается на основе детальной карты распределения облученности по рабочему полю и реального соотношения площадей эталонного элемента (единичного или груп­пового) и измеряемого объекта (элемента, группы, батареи боль­шого размера). Поправка равна отношению средней по площади измеряемого объекта облученности к средней по площади эталон­ного приемника. При измерении распределения облученности необ­ходимо, чтобы площадь используемого эталонного элемента состав­ляла не менее четверти площади измеряемого объекта. С имитато­рами, предназначенными для измерений отдельных элементов, при­меняется элемент размерами 5X5 мм. Распределение облученности солнечных батарей определяется с помощью эталонной группы сол­нечных элементов размерами 70X75 мм [419]. В результате введе­ния поправки, даже если неравномерность облученности достигает значений ±10% (в случае батарей большого размера), погрешность, возникающая в связи с этим, не превышает 2%.

Наиболее простой метод контроля спектра — периодическая про­верка «сине-красного отношения» [419], которую можно проводить поочередным измерением эталонного элемента со светофильтрами, выделяющими излучение синей и ближней инфракрасной областей спектра [400, 461, 463], а также с применением дихроического зер­кала [463].

Погрешность определения тока короткого замыкания конкретно­го солнечного элемента или батареи, связанная с отличием спек­трального распределения энергии излучения имитатора (в качестве которого может рассматриваться и наземное солнечное излучение при нестандартных условиях) и Солнца (стандартного внеатмосфер-

1 — лампа накаливания без коррекции спектра; 2 — лампа накаливания с водяным теплофильтром толщиной 4 см; 3— имитатор С-1; 4 —Солнце в горах на высоте 2000 м лад уровнем моря (склон горы Арагац в Армении); 5 —Солнце на уровне моря при толщине слоя осажденных паров воды 2,0 см 1380]

ного или, наземного), может быть подсчитана’ по следующей фор­муле [366, 396]:

тде /Им, /с — ток короткого замыкания измеряемого элемента на ими­таторе и на солнечном излучений со стандартным спектром соот­ветственно; Ес% — спектральная плотность потока стандартного сол­нечного излучения; Еямі, — спектральная плотность потока имитиро­ванного солнечного излучения; Sea — относительная спектраль­ная чувствительность эталонного и измеряемого солнечных элементов» Зависимости погрешности определения тока солнечных элемен­тов, вызванной отличием спектрального распределения энергии из­лучения разных имитаторов и стандартного внеатмосферного спектра Солнца, от цветовой температуры Тп„ лампы накаливания, а также значения погрешностей при измерениях в условиях наземных спек­тров солнечного излучения для различных значений атмосферной массы ш [396] представлены на рис. 4.21.

Спектральная погрешность невелика лишь в случае имитаторов с достаточно точной коррекцией спектра (например, имитатор С-1 (кривая 5)), однако на естественном Солнце, особенно в высоко­горных условиях, также могут быть проведены качественные изме­рения параметров солнечных элементов и батарей, особенно при не­больших значениях атмосферной массы (кривые 4 и 5).