В любом варианте электрической схемы по мере увеличения переходного сопротивления контакт солнечного элемента — токосъемный зонд, сопротивления проводов и внутреннего сопротивления амперметра измерения параметров солнечного элемента будут проводиться в области вольт-амперной характеристики, все более удаленной от точки короткого замыкания, и для элементов с высоким последовательным сопротивлением ошибка измерений будет весьма ощутимой.
Для точного определения тока короткого замыкания элементов может быть применена схема с дополнительным источником, позволяющим подавать встречное напряжение. Особенно удобно использовать ее для измерений при повышенных концентрациях солнечного излучения или при исследовании параметров солнечных элементов с большой площадью фоточувствительной поверхности. Такая схема применяется, например, для измерений характеристик блок-элементов (модулей с параллельно соединенными солнечными элементами) большого размера, имеющих высокое значение тока при малых напряжениях.
Результаты проведенных в г. Будапеште в июне 1982 г. и повторенных в Москве в мае 1986 г. советско-венгерских экспериментов по измерению параметров солнечных элементов на имитаторе Солнца сравнивались с данными, полученными на этом же имитаторе при его настройке по солнечному элементу, сличенному с эталоном, принятым в США для измерения наземных элементов применительно к условиям AM1, который был продемонстрирован на советско-американском семинаре в 1977 г. в Ашхабаде. При настройке по эталону США наблюдалось завышение КПД элементов, составлявшее для венгерских элементов в среднем 8 %, для советских — 6 %, что объясняется, по-видимому, отличиями в методах градуировки эталонов, применяемых в СССР и США.
Различие в результатах измерений при настройке имитаторов с помощью разных эталонов указывает на необходимость использования единого стандартного спектра наземного Солнца при градуировке эталонов. Намеченный в последнее время выбор стандартного наземного спектра (условия AM1,5), согласованного в международном масштабе, является, по-видимому, единственно правильным решением сложного вопроса градуировки наземных солнечных элементов, поскольку при этом можно проводить сопоставление эффективности и качества солнечных элементов и батарей, выпускаемых разными странами и фирмами.
Рис. 3.3. Спектральное распределение энергии солнечного излучения при различных значениях воздушной массы (расчетные данные Π. Муна)
1–6 — m=0, 1,2, 3,4, 5 соответственно
Градуировка эталонов для оценки эффективности работы солнечных элементов и батарей космического назначения с использованием общепринятого в настоящее время спектра AM0 Макаровой и Харитонова также позволяет достаточно точно настраивать лабораторные и заводские имитаторы Солнца и прогнозировать характеристики солнечных батарей при эксплуатации во внеатмосферных условиях. Труднее учесть переменную по спектру и потоку и непостоянную во времени часть солнечного излучения, отраженную от облаков и подстилающего рельефа Земли и эффективно используемую двусторонними и прозрачными в инфракрасной области спектра солнечными батареями. Однако расчетные и экспериментальные исследования, вероятно, позволят в недалеком будущем достаточно точно пред-сказывать возможное увеличение тока солнечных батарей низколетящих спутников Земли за счет этой составляющей внеатмосферного солнечного излучения.
Уже не раз подчеркивалось, что солнечный элемент, предназначенный для создания эталона, должен обладать основными особенностями, свойственными спектральным, фотоэлектрическим и оптическим характеристикам измеряемых элементов. Например, при оценке КПД партии солнечных элементов из кремния с п+—р — p+-структурой и мелкозалегающим р-n-переходом эталонный элемент должен выбираться из их числа, а для солнечных элементов из новых полупроводниковых материалов эталонный элемент следует создавать из того же полупроводникового материала при таких же толщинах и электрофизических свойствах слоев, как в структуре элемента данного типа.
Однако выполненные советскими исследователями измерения на автоматической межпланетной станции «Венера» (результаты которых опубликованы в журнале «Гелиотехника» в 1983 г.) говорят о том, что возможен и другой подход: создание стабильного солнечного элемента, например, из кремния со сравнительно глубоким p-n-переходом и внесение в его паспортные данные значений переходных коэффициентов, которыми необходимо пользоваться, если по данному кремниевому эталону настраивается имитатор Солнца при измерении параметров солнечных элементов из других полупроводниковых материалов или из того же материала, но иной конструкции.
Как было установлено в ходе полета автоматических межпланетных станций «Венера-13 и -14», при определении параметров солнечных элементов для внеатмосферных условий (спектр AM0, плотность потока излучения 1360 Вт/м2) на имитаторе Солнца из ламп накаливания без коррекции спектра с плотностью излучения 1000 Вт/м2 для кремниевого эталона с глубоким р-n-переходом (1,0–1,2 мкм) переходный коэффициент равен 1,0, а для кремниевого элемента с небольшой глубиной залегания р-n-перехода (0,3–0,5 мкм) — 1,12—1,13; для солнечных элементов на основе гетероструктуры AlGaAs-GaAs переходный коэффициент составляет 1,11—1,12 при толщине слоя AlGaAs 15 мкм, 1,2–1,21 при толщине того же слоя 10 мкм и 1,54 при толщине этого слоя менее 1 мкм.
Подобным же образом можно поступить и в случае градуировки имитаторов Солнца для измерений параметров наземных солнечных элементов. В паспорт эталона, используемого при настройке имитаторов внеатмосферного Солнца, при этом следует внести значение переходного коэффициента от AM0 к стандартным наземным условиям AM1,5, определенное или пересчитанное, как и в предыдущем случае, для такого же значения рабочей температуры, причем ток при AM0 и AM 1,5 должен быть отнесен к плотности соответствующего потока излучения. Значения подобных переходных коэффициентов были получены советскими специалистами из результатов высокогорных измерений и путем использования абсолютной спектральной чувствительности данного эталонного элемента и стандартных спектров AM0 и AM1,5.
Для кремниевых солнечных элементов с мелкозалегающим p-n-переходом (глубина 0,3–0,5 мкм) переходный коэффициент от условий AM0 к стандартным наземным условиям AM 1,5 равен, как показали результаты измерений и расчетов, 1,13—1,14.
Для солнечных элементов на основе гетероструктуры AlGaAs-GaAs он составляет 1,26, 1,24 и 1,18 при толщине слоя AlGaAs соответственно 15, 10 и менее 1,0 мкм. Для тонкопленочных солнечных элементов на основе гетероструктуры Cu2S-CdS переходный коэффициент от AM0 к AM1,5, как правило, равен 1,04, а для элементов на основе гетероструктуры ITO-Si этот коэффициент составляет, по результатам расчетов, 1,10-1,11.
Качественно (а в некоторых случаях и количественно) близкие результаты были получены американскими исследователями. Измеренная на фильтровом монохроматоре (источник излучения — мощная вольфрамовая лампа накаливания) спектральная чувствительность кремниевых элементов была пересчитана ими на спектры излучения Солнца для условий AM0 и AM1, что позволило затем определить интегральные значения тока короткого замыкания исследуемых элементов и переходные коэффициенты от условий AM0 к условиям AM1, равные: для обычных элементов без покрытий 1,08; для элементов с текстурированной неотражающей поверхностью, полученной селективным химическим травлением, 1,14; для обычных элементов с просветляющей пленкой из двуокиси кремния 1,15; для таких же элементов наземного назначения с большой глубиной залегания p-n-перехода 1,16; для элементов с мелкозалегающим p-n-переходом и просветляющим покрытием из пятиокиси тантала 1,18. Все элементы были изготовлены из монокристаллического кремния; приведенные значения переходных коэффициентов были получены как средние для партий из двух, четырех, пяти, девяти и одиннадцати элементов соответственно. Расчетные результаты были подтверждены при измерениях на естественном Солнце в условиях атмосферной массы т = 1,7 и плотности потока излучения 850–950 Вт/м2, а измеренные значения тока короткого замыкания были приведены по плотности потока излучения к значениям, характерным для условий AM1 (около 1000 Вт/м2).