Описание экспериментальной установки
На рис. 3.3 представлен внешний вид установки для измерения ВАХ СЭ в условиях изменения освещенности, работающей в импульсном режиме.
Установка включает в себя:
осветитель на основе импульсной ксеноновой лампы;
источник питания осветителя;
схему для подачи напряжения смещения (схема развертки по напряжению);
электронную измерительную схему;
персональный компьютер с управляющей программой.
Установка оснащена устройством плавной регулировки осветителя по высоте и светозащитным корпусом.
Рис. 3.3. Внешний вид установки для исследований ВАХ СЭ.
Режимы работы установки
Обеспечиваются следующие режимы работы установки при проведении измерений:
Режим А: Форма светового импульса – протяженная с длительностью импульса до 1 мс (время, в течение которого освещенность меняется не более чем на 5%). В течение одного светового импульса измеряется вся вольт-амперная характеристика. Обеспечивается воспроизведение спектра и интенсивности солнечного излучения, в том числе концентрированного.
Режим Б: Форма светового импульса – протяженная, как и в Режиме А. Спектр и интенсивность солнечного излучения воспроизводятся при длительности импульса до 1 мс. Измеряется одна пара значений «ток – напряжение» в момент окончания «плоской» части импульса. Данный режим предназначен для измерения солнечных элементов с большим временем жизни неравновесных носителей заряда.
Схема развертки по напряжению
Схема развертки по напряжению вырабатывает двухполярные импульсы напряжения специальной формы, вызывающие протекание тока через тестируемый СЭ (рис. 3.4). Схема включает в себя емкость С1, заряжаемую вначале до положительного напряжения Vпрям, соответствующего прикладываемому к СЭ прямому напряжению смещения, затем перезаряжаемую до отрицательного напряжения Vобр, соответствующего прикладываемому обратному напряжению смещения, а затем вновь перезаряжаемую до положительного напряжения Vпрям. Перезаряд емкости С1 осуществляется путем подключения к ней емкостей С2 и С3 через сильноточный электронный коммутатор. Во время перезаряда емкости С1 производится процедура измерения и записи вольтамперной характеристики солнечной батареи: темновой характеристики от начального момента времени t0 до момента поджига первой из ламп t1; световой характеристики в интервале плато импульса света.
Рис. 3.4. Упрощенные электрические схемы цепи разряда лампы и цепи развертки по напряжению при измерении ВАХ СЭ.
Временные диаграммы интенсивности освещения, напряжения, прикладываемого к СЭ, и протекающего через элемент тока приведены на рис. 3.5:
участок 1 – к образцу прикладывается напряжение смещения в прямом направлении и измеряется темновая ВАХ СЭ или туннельного диода;
участок 2 – производится смена полярности приложенного напряжения (за период времени ~1 мс) и СЭ или туннельный диод оказываются при отрицательном обратном напряжении смещения;
участок 3 – напряжение смещения снова меняется с отрицательного на положительное за период времени ~1 мс. Одновременно, в случае измерения нагрузочной ВАХ, сигнал от ПК запускает время-задающую схему, которая инициирует вспышку лампы имитатора солнечного излучения. В период горения лампы (~ 1 мс) происходит измерение нагрузочной ВАХ.
Измерительный блок совместно с компьютером регистрируют временные зависимости генерируемого фототока и напряжения от тестируемого СЭ и значение фототока от калиброванного контрольного элемента, установленного в плоскости измерений или вблизи импульсной лампы. На основании этих данных строятся темновая и световая вольтамперная характеристики тестируемого СЭ.
Рис. 3.5. Временные диаграммы интенсивности освещения СЭ (красная линия), варьируемого напряжения (зеленая линия), приложенного к элементу, и тока, протекающего через СЭ (синяя линия).
Устройство активной электронной нагрузки регулирует величину напряжения, прикладываемого к исследуемому образцу, в диапазоне 0 20 В при автоматическом изменении напряжения в течение одного протяженного импульса света. Величина регистрируемого тока составляет 0 5 А. Время измерения одной ВАХ – 1 мс. Время измерения одной пары значений «ток-напряжение» - 10 мкс.
Устройство измерения состоит из многоканального аналого-цифрового преобразователя, калиброванных сопротивлений (10, 1, 0.1 Ом) и виртуального запоминающего осциллографа. Пары значений «Ток – Напряжение» для каждого момента измерения вводятся в компьютер в цифровой форме для построения вольт-амперной характеристики. Точность измерения напряжения и тока не хуже 0.2 %. Все цифровые выходы обеспечены опто-изолирующими элементами
Управление и контроль процессом измерений и обработка результатов осуществляется в персональном компьютере по специальной программе.
Спектры излучения имитатора и стандартного солнечного излучения приведены на рис. 3.6 и в таблице 3.1.
Рис. 3.6. Спектральная плотность интенсивности излучения имитатора и стандартного солнечного излучения АМ1.5G.
Таблица. 3.1. Спектральное распределение плотности интенсивности имитатора и стандартного солнечного излучения АМ1.5G.
Длинна волны, нм |
Интенсивность имитатора, Вт/м2/нм |
Интенсивность АМ1.5G, Вт/м2/нм |
Длинна волны, нм |
Интенсивность имитатора, Вт/м2/нм |
Интенсивность АМ1.5G, Вт/м2/нм |
320 |
0.167 |
0.181 |
780 |
0.794 |
1.13 |
340 |
0.266 |
0.435 |
800 |
0.771 |
1.08 |
360 |
0.462 |
0.52 |
820 |
1.54 |
0.785 |
380 |
0.455 |
0.713 |
840 |
0.673 |
0.96 |
400 |
1.10 |
1.01 |
860 |
0.379 |
0.979 |
420 |
1.36 |
1.18 |
880 |
1.12 |
0.933 |
440 |
1.39 |
1.3 |
900 |
1.01 |
0.749 |
460 |
1.84 |
1.6 |
920 |
0.748 |
0.69 |
480 |
1.65 |
1.63 |
940 |
1.01 |
0.258 |
500 |
1.54 |
1.55 |
960 |
0.766 |
0.527 |
520 |
1.45 |
1.48 |
980 |
0.882 |
0.646 |
540 |
1.42 |
1.55 |
1000 |
0.650 |
0.729 |
560 |
1.51 |
1.53 |
1020 |
0.329 |
0.73 |
580 |
1.45 |
1.44 |
1040 |
0.254 |
0.69 |
600 |
1.43 |
1.44 |
1060 |
0.237 |
0.66 |
620 |
1.53 |
1.46 |
1080 |
0.243 |
0.5 |
640 |
1.48 |
1.42 |
1100 |
0.243 |
0.417 |
660 |
1.38 |
1.4 |
1120 |
0.241 |
0.1 |
680 |
1.50 |
1.27 |
1140 |
0.128 |
0.13 |
700 |
1.20 |
1.2 |
1160 |
0.248 |
0.36 |
720 |
1.27 |
1.01 |
1180 |
0.477 |
0.47 |
740 |
1.32 |
1.21 |
1200 |
0.128 |
0.41 |
760 |
1.54 |
0.644 |
|
|
|