p3 / НЕ 2.3. Лекця 14. Еталонн СЕ

НЕ 2.3. Лекція 14. Еталонні сонячні елементи та методи їх градуювання

План лекції:

• Селективність спектральної чутливості сонячних елементів(СЕ)

• Еталонні(стандартні) сонячні елементи

• Оцінка сонячного випромінювання за ефективними еквівалентними величинами

• Основні вимоги до еталонних СЕ

• Проектування еталонних СЕ та вимоги до конструкції еталонних СЕ

• Варіанти конструкцій розроблених еталонних СЕ

• Градуювання еталонних СЕ. Первинні, вторинні і робочі еталони.

• Градуювання на природному сонячному випромінюванні і в лабораторії

• Градуювання методом екстраполяції

В сонячній фотоенергетиці сонячне випромінювання перетворюється в електроенергію напівпровідниковими перетворювачами, які характеризуються саме селективною спектральною чутливістю. Тому для визначення повного і прямого потоків сонячного випромінювання повинні використовуватися не піранометри і піргеліометри, які призначені для вимірів інтегральних величин, а еталонні сонячні елементи із такою ж спектральною чутливістю, як і у вимірюваних елементів чи батарей. Крім того, від відповідності спектральних чутливостей еталонного і вимірюваних СЕ і СБ буде безпосередньо залежати точність визначення ККД і вихідної потужності цих фотоелектричних пристроїв.

Слід також відмітити, що при використанні імітаторів сонячного випромінювання, спектральний розподіл енергії імітованого(такого) випромінювання навіть для найкращих і високоякісних імітаторів відрізняється від природного і стандартного сонячного, а чутливість сонячних елементів є селективною, тому проводити налаштування інтенсивності імітаторів за допомогою неселективних приймачів випромінювання( радіометрів) є недоцільним.

Саме для врахування спектрального розподілу потоку сонячного випромінювання у таких випадках і використовують еталонні або стандартні сонячні елементи. Їх ще називають світловимірювальними приймачами.

Встановлено, що густина потоку сонячного випромінювання при одному й тому ж значенні повітряної(атмосферної) маси і порівняно невеликих змінах основних складових (компонентів) атмосфери може змінюватися достатньо значимо. Тому, навіть для високоякісних СЕ відмінності у струмах короткого замикання, що виміряні за наземних умов при однаковій енергетичній опроміненості, але при різному складі атмосфери відрізняються на 15%. І в той же час однакова густина сонячного випромінювання ( наприклад, Р= 673 Вт/м², в одному й тому ж місці, але в різні дні) може спостерігатися для таких двох станів атмосфери, як :

• m=1.5 ( АМ 1.5 ) з шаром озону 2 мм, і значеннях β=0.17 та α = 0.66; і

• m=3 ( АМ 3 ) з шаром озону 5,5 мм, і значеннях β=0.02 та α = 1.3.

При цьому є очевидним, що спектральний склад випромінювання при таких різних параметрах атмосфери повинен достатньо сильно відрізнятися.

Порівняння грудуювального коефіцієнта( як відношення інтегрального фотоструму з одиниці площі елемента, визначеного із спектральної чутливості, до густини потоку сонячного випромінювання, що падає на цю ж площу) для великого числа СЕ показало, що якщо налаштування інтенсивності випромінювання імітаторів на основі вольфрамових ламп без фільтру проводяться неселективним радіометром, то похибка вимірювання струму короткого замикання СЕ досягає до 50%. Покращення результатів вимірів можна отримати, наприклад, за допомогою використання дихроїчного фільтру (похибка складає - 30% для позаатмосферних умов, і 15% - для наземних) , або використанням ксенонових ламп із короткою дугою та інтерференційних фільтрів ( 15% похибки для наземних умов, і 3-5% для позаатмосферних).

При градуюванні еталонних СЕ спочатку визначають його струм короткого замикання за стандартних умов опромінення. Потім за допомогою такого еталонного СЕ налаштовують вже імітатор, тобто регулюють потік його випромінювання до тих пір, поки струм короткого замикання еталона стане таким же яким був при стандартних умовах.

І_кз ЕСЕ(стандартні умови випром.) = І_кз ЕСЕ(в умовах імітації випром. на імітаторі)

Слід відмітити, що в даному випадку енергетична опроміненість імітатора не буде співпадати із енергетичною опроміненістю природного сонячного випромінювання за стандартних умов, так як випромінювання оцінюється за його впливом на селективно-чутливий СЕ конкретної конструкції із певного напівпровідникового матеріалу.

В загальному випадку для оцінки випромінювання за його дією на приймач із конкретною спектральною чутливістю вводять ефективні величини:

• оцінку випромінювання за його впливом на око людини проводять в люксах,

• за впливом на шкіру – в еритемних одиницях і т.д

У випадку СЕ вводиться не ефективна величина, а еквівалентна. Так, якщо джерело з довільним спектром при деякій енергетичній опроміненості створює в СЕ струм, який дорівнює струму, отриманому на СЕ за позаатмосферних умовах, тоді енергетична опроміненість для даного типу випромінювання(джерело) еквівалентна 1360 Вт/м² .

Наприклад, при освітленні лампою розжарення із кольоровою температурою Т_к = 2850К кремнієвий СЕ із близькозалягаючим р-п-переходом ( І ≤ 0.5 мкм) генерує такий самий струм, як і за космічних умов, якщо енергетична опроміненість, що створюється лампою із додатковим водяним фільтром товщиною 40 мм, дорівнює приблизно 780 Вт/м² , а лампою без фільтра - 960 Вт/м². В обох випадках освітлюваний такою лампою кремнієвий еталонний СЕ покаже 1360 Вт/м².

Використання еталонних СЕ дозволяє проводити із задовільною точністю виміри на імітаторах з поганою корекцією спектра, а деколи навіть і при використанні джерел випромінювання з довільним розподілом енергії. В цьому випадку точність вимірів електричних характеристик СЕ буде залежати від величини відхилення спектральної чутливості вимірюваного і еталонного СЕ.

Таким чином, основна вимога до еталонних СЕ, це – ідентичність їх оптичних властивостей і спектральних характеристик до характеристик тих СЕ, для вимірів яких вони використовуються.

При використанні еталонних СЕ у наземних умовах із імітаторами з широким пучком випромінювання важливою є також кутова залежність чутливості, яка визначається в основному мікрорельєфом поверхні СЕ, що впливає на коефіцієнт відбивання світла за різних кутів падіння.

Зрозуміло, що навіть самий досконалий технологічний процес виготовлення не в змозі забезпечити ідентичність оптичних і спектральних характеристик всіх СЕ даного типу, тому для еталонних СЕ слід відбирати ті елементи, характеристики яких є наближеними до середніх значень для даного типу продукції.

Проектування еталонних СЕ включає створення конструкції, дослідження стабільності і метрологічних характеристик, розробку апаратури і методику градуювання.

Основна вимога до конструкції еталонних СЕ, яка в залежності від їх призначення може бути самою різною, полягає у високій стабільності всіх параметрів. Це в свою чергу вимагає надійної термостабілізації СЕ або точного вимірювання температури, тобто надійного контролю температури. Найпростішою конструкцією еталонного СЕ може бути сонячний елемент, закріплений на металічній пластині(в заглибленні) і захищений скляним екраном. Для підтримання постійної температури еталонного елемента його встановлюють, як правило, на термостатованому солику.

Одним із варіантів розробленого і удосконаленого еталонного СЕ та рекомендованого як стандарту для країн східної Європи для вимірювання параметрів елементів і батарей був СЕ з прямокутною фоточутливою поверхнею розмірами 30х35 мм² (і більше) для космічного використання та з фоточутливою поверхнею круглої дискової форми діаметром 50 мм (і більше) для наземного використання.

Даний еталонний СЕ має вбудований холодильник, постачений радіатором, через який може протікати вода від термостата, і чутливий термодатчик. Як фоточутливий давач в такому еталоні використовуються СЕ на кремнію із близькозалягаючим р-п-переходом та елементи на основі гетеропереходів твердий розчин алюмінію в арсеніді галію - арсенід галію (AlGaAs- GaAs). Великі розміри корпусу еталона забезпечують кутове поле > 166⁰ , що дозволяє використовувати його при вимірах СЕ як к повному, так і в прямому потоці сонячного випромінювання. На корпусі еталона кріпиться тубус, що дозволяє зменшувати поле зору до + 2.5⁰ , що є необхідним для вимірів прямого потоку випромінювання для сонячних батарей, які працюють із концентраторами. Крім того, на тубусі для контролю за параметрами атмосфери(вміст парів води, озону, аерозолів) передбачена можливість встановлення інтерференційних світлофільтрів, які пропускають випромінювання у вузьких інтервалах, що відповідають селективним смугам поглинання в спектрі наземного сонячного випромінювання.

Елементи для еталонів відбираються із числа тих, що серійно випускаються або виготовляються спеціально. При відборі основна увага приділяється якості поверхні, величині шунтованого та послідовного опорів, щоб їх властивості(особливо спектральна та інтегральна чутливості) були однорідні по площі, щоб у них був мінімальний температурний коефіцієнт струму короткого замикання. Для еталонів наземного використання перевіряються також кутові залежності чутливості та лінійність залежності І_к.з від світлового потоку.

Найбільш стабільними характеристиками у звичайних умовах володіють кремнієві СЕ, що призначені для енергетичних цілей і використовуються як еталонні.

Абсолютне градуювання еталонних СЕ це трудоємкий процес, який потребує тривалого часу і значних витрат, тому еталони, що пройшли таке градуювання, використовують тільки як первинні еталони зразкового засобу вимірювання. Для щоденних цілей використовують світловимірні прилади - як вторинні і робочі еталони.

Еталонні елементи працюють в режимі короткого замикання, і їх градуювання полягає у визначенні струму короткого замикання при нормованих умовах спектрального складу і густини потоку сонячного випромінювання(позаатмосферного або наземного).

Можливі два принципіально відмінні типи градуювання еталонних СЕ:

На природному сонячному випромінюванні і в лабораторії із використанням засобів вимірювань, що повірені на державному еталоні, із вимірюванням спектральної чутливості еталонних СЕ за удосконаленими методиками.

Для градуювання еталонних СЕ, призначених для роботи налаштування імітаторів позаатмосферного випромінювання, використовуються багато методів першого типу: вимірювання на космічних апаратах, ракетах, кулях-зондах, висотних літаках, на поверхні Землі.

При градуюванні на космічних апаратах і ракетах значення струму І_к.з отримують із результатів безпосередніх вимірів, які проводяться на висотах не менших за 100 км. При використанні куль-зондів, виміри здійснюються на висотах 30-40 км, де потрібно враховувати вплив на виміри озону і аерозолів, що роблять введенням поправок. Виміри на літаках, що піднімаються на висоту 12-13 км, починають виконувати при підйомі на висоті 3-4 км і закінчують верхнею межею, а значення І_к.з для позаатмосферних умов отримують екстраполяцією результатів до нульової атмосферної маси.

Метод, який найчастіше використовується для при градуюванні під природнім сонячним випромінюванням на поверхні Землі(здебільшого у високогірних умовах) полягає в екстраполяції результатів вимірів до нульової атмосферної маси. Для цього послідовно заміряють струм І_к.з еталонних СЕ для різних значень атмосферної маси(для різної висоти Сонця), а позаатмосферне значення струму одержують шляхом лінійної екстраполяції залежності логарифма струму (lg І_к.з ) від відносної атмосферної маси ( m ) до її нульового значення. Через експериментальні точки логарифмів значень струму проводиться пряма лінія, яка і лінійно екстраполюється до значення струму при нульовій атмосферній масі ( див . рис ). Такі виміри проводять в сухих гірських районах, де спостерігається найвища прозорість атмосфери і для яких у певні періоди року є характерною стійкість оптичних властивостей атмосфери.

Результати градуювання еталонних СЕ різними методами показують, зазвичай, достатньо хороше співпадання отримуваних значень.