Солнечные элементы

Метод, который наиболее часто используется при градуировке под естественным солнечным излучением на поверхности Земли (как правило, в высокогорных условиях), заключается в эктраполяции результатов измерений к нулевой атмосферной массе. При градуировке последовательно измеряют ток короткого замыкания эталонных солнечных элементов для различных значений атмосферной массы (разная высота Солнца). Поскольку работа проводится в стационарных условиях, достаточно знать зависимость тока короткого замыкания эталонов от относительных значений атмосферной массы. Внеатмосферное значение тока короткого замыкания солнечных элементов получают путем линейной экстраполяции зависимости логарифма тока от относительной атмосферной массы к ее нулевому значению.

Практически метод осуществляется путем измерения тока короткого замыкания эталонных элементов в течение половины солнечного дня. Логарифмы измеренных значений тока наносятся на график в функции атмосферной массы, через экспериментальные точки проводится прямая линия (так называемая прямая Бугера), которая линейно экстраполируется к значению тока при нулевой атмосферной массе. Строго говоря, зависимость логарифма тока короткого замыкания от атмосферной массы оказывается линейной только для монохроматического света. Кремниевые солнечные элементы чувствительны в достаточно широкой области спектра, и вследствие эффекта Форбса для них эта функция изображается слабо вогнутой кривой. Однако при градуировке экстраполяцию проводят линейно, a затем вносят поправку на эффект Форбса. Для вычисления поправки (значение которой находится в пределах 1–3 %) необходимо знать спектральное распределение коэффициента прозрачности атмосферы в течение всего периода градуировки эталонных элементов, когда производятся измерения тока короткого замыкания эталонных солнечных элементов в зависимости от высоты Солнца над горизонтом.

Эти измерения проводят в сухих горных районах, где выше прозрачность атмосферы и для которых в определенные периоды года характерна устойчивость оптических свойств атмосферы. Для контроля стабильности оптических свойств атмосферы одновременно с измерениями ведут наблюдения за солнечным ореолом.

В СССР градуировка эталонных солнечных элементов осуществляется с 1965 г. регулярно один-три раза в год в окрестностях Алма-Аты на высокогорной станции Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга (43° с. ш., 77° в. д., 3040 м над уровнем моря), сотрудниками которого во главе с Э. В. Koноновичем создана программа расчета тока I_{κ 3} эталонов на ЭВМ и оборудован солнечный телескоп для этих измерений. Во Всесоюзном научно-исследовательском институте источников тока В. Я. Ковальским и И. С. Оршанским с сотрудниками были разработаны аппаратура и методика проведения высокогорной градуировки.

Пример определения I_AM0 рассмотренным методом для двух эталонных элементов приведен на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Экспериментальные зависимости логарифма тока короткого замыкания эталонных солнечных элементов от значения воздушной массы, построенные по результатам высокогорных измерений в районе Алма-Аты 26 июня 1982 г.

1 — кремниевый элемент; 2 — элемент на основе гетероперехода AlGaAs — GaAs

Если значения относительной воздушной массы, полученные во время измерений в высокогорных условиях, перевести в абсолютные величины, то зависимость логарифма тока короткого замыкания от абсолютной воздушной массы дает возможность определить ток короткого замыкания эталонных солнечных элементов не только для условий AM0, но и для AM1, AM1,5 и АМ2, а также для больших значений воздушной массы.

Однако при градуировке эталонов на согласованном в международном масштабе спектре требуется соответствие ему спектра наземного солнечного излучения, использованного при измерениях, не только по значению воздушной массы, но и по остальным параметрам: плотности потока излучения, коэффициенту мутности и селективности, количеству осажденных паров воды и озона. Сравнение спектра солнечного излучения, измеренного в день проведения испытаний в высокогорных условиях, со стандартным позволяет внести необходимую поправку в значение тока эталонов, определенное по зависимости, подобной показанной на рис. 3.2, для любых значений абсолютной воздушной массы. Тем самым удается на основании результатов высокогорных измерений получить достаточно точные градуировочные значения тока эталонных элементов для оценки параметров наземных солнечных элементов. Приведение к стандартному спектру может быть также осуществлено без детального исследования спектра солнечного излучения в определенный день — достаточно знать глубину нескольких характерных полос в спектре, что позволяет оценить содержание водяных паров, озона и аэрозолей в этот день.