УДК 621.362

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЯ ТЕРМОФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Шутов С.В., Аппазов Э.С., Марончук А.И., Самойлов Н.А.

Разработке и стандартизации методов и средств измерений параметров фотопреобразователей уделяется большое внимание, что объясняется потребностью в их точной и экономичной аттестации в условиях производства. Для этих целей широко используются специальные тестеры, которые иногда называют имитаторами излучения. Предлагаемые в настоящее время имитаторы излучения в основном ориентированы на воспроизведение спектрального состава, плотности, пространственной равномерности и однородности потока в рабочей зоне имитатора, что определяется требованиями к измерению характеристик солнечных элементов [1,2].

В настоящее время в Украине действует ГОСТ 28977-91 (МЭК 904-1-87), регламентирующий методику измерения вольтамперных характеристик кристаллических кремниевых ФП. Однако не существует ни официально принятой методики градуировки эталонных ФП, ни их официального поставщика.

Для изучения нагрузочных характеристик ТФВ – преобразователей стандартные имитаторы солнечного излучения оказываются не вполне удобными прежде всего в силу отличий в спектральном составе источника излучения. Единых требований к измерению ТФВ – преобразователей вообще не существует. В этой связи возникла необходимость в разработке и изготовлении оборудования для исследования нагрузочных характеристик ТФВ – преобразователей. Внешний вид разработанного стенда приведен на рис. 1. Устройство вакуумной камеры и принцип работы стенда подробно описан в работе [3].

Рис. 1 Стенд для измерения температурных колебаний фотопреобразователей

Источником излучения служил карбидкремниевый нагревательный элемент, закрепленный на вертикальном штативе и снабженный отражателем из полированной нержавеющей стали.

Мощность излучения измерялась при помощи прибора ИМО-3. Принцип работы заключается в поглощении приемным элементом мощности теплового излучения и преобразовании ее в эквивалентное значение термоэдс, значение которой измеряется измерителем ЦР6802.

Температура источника излучения (нагревательного элемента из карбида кремния) определялась при помощи оптического пирометра ОППИР – 09 по спектральной (монохроматической λ=0,65 мкм) яркости. Результаты измерений зависимости яркостной температуры излучателя от протекающего через него тока, а также интегральной мощности излучения при различных температурах излучателя приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерений характеристик излучателя.

Результаты измерений показывают, что SiC нагреватель имеет неоднородное распределение температуры вдоль вертикальной оси рис. 2.

В таблице 2 приведены экспериментально измеренные и расчитанные с использованием алгоритма [4], значения некоторых параметров ТФВ – системы, содержащей источник излучения – SiC – нагревательный элемент и преобразователь на основе p-n - структуры GaSb.

 При расчете интегральной плотности потока, излучаемого в направлении преобразователя, полагалось, что SiC - излучатель имеет коэффициент серости, равный 0,9 во всем исследованном диапазоне температур излучения. Так же в таблице 2. приведены экспериментально измеренные при помощи ИМО-3 значения удельной интегральной мощности излучения, для различных температур излучателя, данные которой позволили определить удельную мощность эффективного для преобразования участка спектра излучения.

Рис. 2 Зависимость плотности потока лучистой энергии от расстояния (кр. 1), а также распределение мощности излучения по длине излучателя (кр. 2, 3)

Таблица 2

Результаты расчетов и экспериментальные характеристики ТФВ – преобразования

Расчет производился по формуле Планка, с учетом, что максимум спектрального распределения плотности излучения достигался при длине λ=λ_м, значение которой соответствовало экспериментально определенному из пирометрических измерений значению температуры излучателя. При этом пропорционально уменьшали распределение Е_мах(λ) таким образом, чтобы общая площадь под кривой спектральной функции распределения соответствовала экспериментально измеренным значениям интегральной плотности потока излучения. Соответствующие результаты расчета удельной мощности, приходящейся на участок длин волн 0<λ<λ_гр (где λ_гр соответствует E_g преобразователя – 0,68 эВ), приведенные в табл. 2. послужили основой для определения расчетных значений І_кз и Р_эл. Проведено сопоставление экспериментально наблюдаемой электрической мощности ТФВ – преобразователя Р_эл с расчетными зависимостями. При этом расчетные значения определялись из соотношения: Р_эл = η·Р_0<λ<λгр (табл. 2). Экспериментальные значения Р_эл определялись на основе измеренных U_xx и І_кз (табл. 2) по формуле Р_эл=FF·U_xx·І_кз. Расхождения между экспериментальными результатами и расчетными данными Р_эл определяются, в первую очередь, различиями величин наблюдаемых и рассчитанных значений U_xx и могут быть объяснены в рамках существующих физических представлений о процессе фотоэлектрического преобразования.

Дальнейшая модернизация установки должна быть направлена на усовершенствование систем измерения параметров и обработки полученной информации.

1.        Надежность и эффективность в технике: Справочник. Т1. Методология. Организация. Терминология / Под ред. А.И. Рембезы. М.: Машиностроение, 1986. 224 с.

2.        http://www.technoexan.ru

3.        Шутов С.В., Аппазов Э.С. Марончук А.И. Испытание фотоэлектрических преобразователей в условиях экстремальных температурных колебаний. // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. – Херсон, 2003. №1 (11). - С.113 – 115.

4.        Шутов С.В., Аппазов Э.С. Подбор оптимальных параметров материалов для термофотовольтаических преобразователей. // Петербургский журнал электроники. 2002. -№2 (31). - С. 37 – 39.