Основы технологии солнечных элементов. Тестирование

Очевидно, что любое промышленное изделие перед отправкой потребителю необходимо тщательно проверить и измерить его параметры. Не избежать этой процедуры и при производстве солнечных элементов.

Нас как потребителей в первую очередь интересует вопрос «А сколько именно электроэнергии можно получить при помощи одного / десяти / ста солнечных элементов?». Но однозначного ответа нет. Солнечный элемент просто преобразует солнечное излучение в электричество, а освещенность сильно изменяется в зависимости от места, времени суток, времени года, наличия облаков и т.п. Поэтому, чтобы можно было корректно сравнить между собой различные изделия необходимо стандартизировать условия измерения их параметров.

Стандартные условия измерений

В первую очередь солнечное излучение характеризуется таким параметром, как интенсивность, т.е. мощность, падающая на поверхность определенной площади. Этот параметр отличается в различных регионах Земли, причем максимальная интенсивность солнечного излучения на нашей планете превышает 1300 Вт на кв. метр, но для удобства при измерениях принимают стандартное значение на уровне 1 кВт/кв. м.

Другим важным параметром является распределение солнечного излучения по длинам волн, т.е. спектральный состав света. Для его характеристики введено понятие «воздушной массы» (AM – Air Mass): так спектральный состав излучения с воздушной массой АМ0 соответствует спектру солнечного света за пределами атмосферы Земли; АМ1 соответствует излучению на поверхности Земли при условии, что Солнце находится строго над точкой наблюдения, т.е. лучи света прошли сквозь 1 атмосферу; при измерениях стандартом является АМ1,5, соответствующий солнечному излучению, которое прошло 1,5 атмосферы.

Спектр солнечного излучения. Показана разница между излучением за пределами атмосферы Земли и на уровне моря

Последним условием проведения стандартных измерений параметров солнечных элементов является температура. Дело в том, что характеристики этого изделия несколько ухудшаются при повышении температуры, поэтому очень важно, чтобы она не изменялась при проведении измерений. Стандартно принято, что тестирование проводится при 25 градусах по Цельсию

Тестирование солнечных элементов
Во время тестирования солнечного элемента промеряется множество параметров, среди которых ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, максимальная мощность и коэффициент полезного действия (КПД). На вопрос, который поставлен вначале этой заметки дает ответ параметр максимальной мощности солнечного элемента, а КПД показывает какая часть падающей мощности приведет к появлению электрической мощности на нагрузке.

Для проведения измерений параметров солнечных элементов используются тестеры или тестеры/сортировщики. Они бывают как импульсными, так и с облучением непрерывного действия. Импульсные тестеры интересны тем, что во время практически мгновенного измерения элемент не успевает нагреться и погрешность ниже. Также тестеры отличаются по типу ламп, что влияет на спектральный состав излучения.

Промышленный тестер/сортировщик солнечных элементов

Обычно тестер содержит эталонный солнечный элемент и встроенный компьютер, который пересчитывает измеренные параметры и приводит их к стандартным условиям измерения. На первый взгляд кажется, что измерение является довольно простой задачей - необходимо просто изменять напряжение и измерять соответствующие токи. Однако в действительности необходимо учитывать ряд дополнительных факторов, среди которых наиболее важными являются следующие:

• Так как генерируемый элементом ток прямо пропорционален освещенность, то она должна быть точно известна и постоянна.
• Необходимо добиться высокой однородности света на поверхности тестируемого элемента.
• Спектральное распределение освещенности должно быть как можно более близким к спектральному распределению естественного света.
• Необходимо точно знать температуру измеряемого элемента.
• Необходимо исключить любое падение напряжения на контактах и в цепи, которое вносит дополнительные ошибки в измерения.

Для обеспечения однородности излучения существуют два наиболее распространенных способа: использовать специальную оптику с отражающими и рассеивающими элементами или же применять точечный источник излучения. В первом варианте необходимо часто контролировать и настраивать оборудования, а также компенсировать влияние рефлектора и других оптических элементов на спектральное распределение с помощью дополнительной фильтрации, что приводит к большим трудностям в использовании. Во втором варианте требуемая однородность достигается разнесением источника и тестируемого образа на значительное расстояние.

Более сложной задачей является получение требуемого спектрального распределения освещенности. Возможно применение 4 типов источника света:

1. Лампы накаливания. При этом температура источника света составляет приблизительно 3200К, в то время как поверхность солнца имеет температуру около 5800К. Недостатком ламп накаливания является большая яркость в красной и инфракрасной областях спектра и маленькая яркость в синей и ультрафиолетовой областях спектра.
2. Металогалогенные лампы. Эти источники позволяют получить излучение в видимом диапазоне очень близкое к натуральному свету. Но спектр таких ламп имеет ряд линий, которые очень трудно отфильтровывать.
3. Непрерывные ксеноновые дуговые лампы. Этот тип источника дает спектральное распределение в видимом диапазоне наиболее близкое к натуральному свету, но также необходимо некоторые линии в ИК-области. При облучении больших поверхностей оптическая система сильно усложняется и приходится компенсировать нагрев тестируемого образца.
4. Импульсные ксеноновые лампы. Эти лампы имеют спектральное распределение близкое к АМ0, а использование дополнительных фильтров позволяет легко получить спектр АМ1,5. Нагрев образца во время вспышки пренебрежительно мал.

Наиболее распространенными в промышленности являются импульсные тестеры с ксеноновой лампой.
Специально для сайта "Солнечная энергетика"