Определение коэффициента полезного действия и метрологических характеристик солнечных элементов, и батарей

Хорошо известно, что для определения коэффициента полезного действия солнечных элементов и батарей необходимо (так же как в случае любых других преобразователей излучения) знать количество энергии излучения, поступившей на солнечный элемент, и количество электроэнергии, выработанной им. Проблема, однако, осложняется несколькими обстоятельствами:

• — Энергия поступает к элементу в форме солнечного излучения, спектральный состав и мощность которого продолжают уточняться даже для внеатмосферных условий, а характеристики наземного солнечного излучения чрезвычайно сильно зависят от состояния атмосферы и часто изменяются в течение весьма непродолжительных периодов времени;
• — Создание имитаторов Солнца, копирующих по всем основным параметрам внеатмосферное или выбранное в качестве стандарта наземное солнечное излучение, представляет собой сложную научнотехническую задачу;
• — При разработке стабильных эталонных солнечных элементов для настройки имитаторов Солнца, следует учитывать особенности оптических и электрических свойств каждого типа элементов, в частности их спектральной-чувствительности; при измерении выходных электрических параметров элементов и батарей необходимо иметь в виду сильное влияние последовательного сопротивления элементов и сопротивления измерительных приборов на получаемые значения.

Таким образом, определение КПД солнечных элементов и батарей представляет собой сложную комплексную проблему, и это выделило метрологию полупроводниковых преобразователей энергии излучения в самостоятельный раздел исследований по фотоэлектричеству.

Метрологические задачи и вопросы точного определения КПД солнечных элементов, с одной стороны, и изучение их оптических характеристик — с другой, тесно связаны между собой. Общность используемых спектральных и интегральных оптических приборов и методов, решающее влияние свойств поверхности солнечных элементов на их КПД, необходимость точно имитировать спектр солнечного излучения при измерении как КПД, так и оптических параметров элементов, высокие требования, предъявляемые в обоих случаях к оптическим покрытиям на рабочих поверхностях преобразователей солнечной энергии и элементов имитаторов солнечного излучения, — все это объединяет две большие и важные области современной гелиоэнергетики.

Разработке и стандартизации точных методов измерения характеристик солнечных элементов, и батарей уделяется большое внимание во всех странах, занимающихся использованием и преобразованием солнечного излучения в другие формы энергии. Повышение интереса к работам в этой области вызвано значительными достижениями на пути усовершенствования кремниевых элементов [2, 5, 13, 17—22], а также элементов с гетеропереходами на основе арсенида галлия [1, 19, 15—17, 16—18], что позволяет уже сейчас широко использовать солнечные батареи не только в космических, но и в наземных условиях, и закладывает основу для создания фотоэлектрических станции значительной мощности [1—3]. Проблемы, связанные с обеспечением стабильности параметров современных солнечных элементов и батарей при длительной эксплуатации, можно считать в основном решенными [13, 12, 18, 13, 11, 17].

Измерение электрических характеристик солнечных элементов проводится для решения различных задач, в том числе: определение нормируемых параметров при приемо-сдаточных испытаниях; контроль за ходом технологических процессов; сортировка по КПД перед сборкой отдельных элементов и групп для их соединения с минимальными коммутационными потерями [13, 21]; прогнозирование электрических характеристик в различных нестационарных условиях работы; оптимизация параметров при разработке и исследовании новых типов солнечных элементов [5, 12, 19, 34]. Требования к условиям и точности измерений во всех случаях могут быть существенно различными. Одной из наиболее важных является задача измерения характеристик готовой продукции при приемо-сдаточных (квалификационных) испытаниях. Такие измерения должны быть строго единообразными, а методы их проведения — достаточно точными, позволяющими получать надежные воспроизводимые результаты. Стандартизация методов измерений позволяет с высокой степенью точности прогнозировать и определять нормируемые характеристики батарей при их проектировании, разработке и изготовлении.