ФОТОВОЛЬТАИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУРАХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МОДУЛИ
PHOTOVOLTAIC EFFECT IN SEMICONDUCTORS STRUCTURES.
PHOTOELECTRIC MODULES
Статья поступила в редакцию 22.09.15. Ред. per. № 2358 The article has entered in publishing office 22.09.15. Ed. reg. No. 2358
УДК 621.3.088
ОСОБЕННОСТИ МЕТОДОВ КАЛИБРОВКИ ИМИТАТОРА
СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ КОНТРОЛЕ ЭНЕРГОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ МНОГОПЕРЕХОДНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
1 2
С.А. Богомолова'
'ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова» РФ 428015, Чувашская Республика, г. Чебоксары, Московский просп., 15 тел.: +7(8352)45-21-93; e-mail: s_bogomolova@mail.ru ^Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ФГУП ВНИИМС)
РФ 119361, Москва, ул. Озёрная, 46 тел.: +7(495)437-37-29
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.011
Заключение совета рецензентов: 01.10.15 Заключение совета экспертов: 15.10.15 Принято к публикации: 23.10.15
В статье проведен анализ методов настройки (калибровки) имитаторов солнечного излучения при измерении вольт-амперных характеристик полноразмерных многопереходных фотоэлектрических модулей (ФЭМ). Обоснован выбор метода настройки (калибровки) имитатора по параметрам «энергетическая освещенность» и «спектральная плотность энергетической освещенности» с использованием эталонного однопереходного ФЭМ и многопереходного ФЭМ. Отмечены преимущества применения данного метода в производственных условиях.
Ключевые слова: фотоэлектрический модуль, калибровка имитатора солнечного излучения, эталонный модуль, энергетическая освещенность, спектральная плотность энергетической освещенности.
APPROACH TO CALIBRATION OF SOLAR SIMULATOR FOR MONITORING THE ENERGY GENERATION BY MULTI-JUNCTION PHOTOVOLTAIC MODULES
S.A. Bogomolova
1,2
'Chuvash State University 15 Moskovsky ave., Cheboksary, Chuvash Republic, 428015 Russian Federation ph.: +7(8352)452193; e-mail: s_bogomolova@mail.ru 2All-Russian scientific research institute of metrological service 46 Ozernaya st., Moscow, 119361 Russian Federation ph.: +7(495)437-37-29
doi: 10.15518/isjaee. 2015.19.011 Referred 1 October 2015 Received in revised form 15 October 2015 Accepted 23 October 2015
The article summarizes the methods of solar simulators adjustment (calibration) in measuring current-voltage characteristics of the full-sized multi-junction photovoltaic modules. There is substantiated a choice of the method for adjustingthe parameters "irradiance" and "spectral irradiance" with using single-junction and multi-junction reference photovoltaic modules. The advantages of using this method in mass-production are underlined.
Keywords: photovoltaic module, solar simulator calibration, reference module, irradiance, spectral irradiance.
Богомолова Светлана Анатольевна Svetlana A. Bogomolova
Сведения об авторе: старший преподаватель кафедры «Промышленный менеджмент и сертификация», ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова».
Образование: ФГБОУ ВПО «ЧГУ им. И.Н. Ульянова».
Область научных интересов: метрология, метрологическое обеспечение, фотоэнергетика.
Публикации: 15.
Information about the author: senior lecturer of the "Industrial Management and Certification" department, Chuvash State University.
Education: Chuvash State University.
Research area: metrology, metrologi-cal provision, photovoltaics.
Publications: 15.
Введение
Развитие солнечной энергетики сопровождается совершенствованием конструкций и технологических процедур изготовления фотоэлектрических модулей (ФЭМ). В настоящее время все более широкое распространение получают тонкопленочные технологии, которые обладают очевидными преимуществами в сравнении с технологиями на основе объемных кристаллических материалов: возможностью формирования многослойных структур, обеспечивающих более высокую эффективность преобразования, и меньшим расходом полупроводниковых материалов, энергии при изготовлении. Фотоэлектрические параметры ФЭМ являются эксплуатационными характеристиками и выражают эффективность преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Контроль фотоэлектрических параметров ФЭМ в промышленных условиях проводится методом измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) на имитаторах солнечного излучения. Данное испытательное оборудование обеспечивает формирование требуемого уровня энергетической освещенности на фотоактивной поверхности исследуе-
мого ФЭМ, кроме того, оно оснащено устройствами для измерения его нагрузочной ВАХ и температуры. Важным этапом при подготовке имитатора к процедуре контроля энергопроизводительности ФЭМ является настройка и калибровка по параметру «энергетическая освещенность» с целью обеспечения про-слеживаемости результатов измерений ВАХ к Международной системе единиц (СИ) [1]. В данной работе рассмотрены особенности настройки и калибровки имитатора солнечного излучения при контроле энергопроизводительности многопереходных ФЭМ, состоящих из двух субэлементов со структурой аморфного гидрогенизированного и микрокристаллического кремния (а-81/це-81).
Теоретические основы
Измерения вольт-амперных характеристик ФЭМ выполняют при создании на их фотоактивной поверхности энергетической освещенности (1 000±5) Вт/м2 со спектральной плотностью энергетической освещенности, соответствующей спектру АМ1.50 [2], и температуре 25 0С.
я 1OO н
<u
в
н
о
g so
о -&
д о
X
ы в
а в
Э
<u
н
m
6O
ы
в AO
2O
demo demo demo demo
demo demi
demo demo
/ ■
iemo
demo demo demo demo
о-убэлем dem i-Si demo demo^™ demo^
í A V
demo demo demo demo
A 4 V
AOO 5OO 6OO 7OO SOO 9OO 1OOO 11OO Длина волны, нм
Рис. 1.Зависимость внешнего квантового выхода фотоответа от длины волны для субэлементов a-Si и |jc-Si многопереходного ФЭМ Fig. 1. The dependence of external quantum efficiency of photoresponse from wavelength for the subcells a-Si and jc-Si of multi-junction PV module
demo
demo
o
O
Структура многопереходных ФЭМ образована субэлементами, максимальная фоточувствительность которых наблюдается в различнык диапазонах длин волн. В частности, субэлемент на основе a-Si генерирует фототок преимущественно под воздействием излучения синего спектра, а субэлемент на основе дс-Si - красного спектра [3]. Зависимость внешнего квантового выхода фотоответа от длины волны, характеризующая спектральную чувствительность, для субэлементов a-Si и yc-Si многопереходного ФЭМ приведена на рисунке 1.
Конструкция имитатора, предназначенного для оценивания энергопроизводительности многопереходных a-Si/^c-Si ФЭМ, должна обеспечивать не только возможность настройки энергетической освещенности в рабочей области, но и регулировки спектрального состава излучения (сине-красного отношения спектра). Данным требованиям соответствует имитатор импульсного излучения PVS1114i фирмы NISSHINBO Mechatronics Inc. (Япония), служащий для измерения нагрузочных В АХ и определения нормируемых выходных фотоэлектрических параметров полноразмерных ФЭМ площадью
(1,3 х 1,1) м . Энергетическая освещенность в рабочей области имитатора формируется комбинированным источником излучения, состоящим из 36-ти линейных галогенных и двух ксенонных импульсных ламп. Световой импульс с длительностью плоской части 50 мс создается за счет включения галогенных ламп, а затем и ксенонных ламп. Ксенонные лампы обеспечивают воспроизведение коротковолновой (синей) области спектра (300-700 нм), а галогенные - длинноволновой (красной) области спектра (550-1 100 нм). В конструкции имитатора предусмотрена возможность регулирования энергетической освещенности и спектрального состава излучения (спектральной плотности энергетической освещенности) в рабочей области за счет изменения напряжения на лампах. Вклад излучения галогенных ламп в результирующий световой поток устанавливается в процентах в соответствии с данными электронной системы контроля осветителей. Спектральная плотность энергетической освещенности в рабочей области имитатора, а также спектры, формируемые ксенон-ным и галогенным источниками излучения, приведены на рисунке 2.
Рис. 2. Спектральная плотность энергетической освещенности (СПЭО) в рабочей области имитатора (1)
и СПЭО для ксенонного (2) и галогенного (3) источников излучения Fig. 2.The spectral irradiance in the test plane of the solar simulator (1) and the spectral irradiance for xenon (2)
and halogen (3) sources of radiation
В [4] предложены два подхода к настройке (калибровке) имитаторов по энергетической освещенности с учетом спектра излучения при измерении ВАХ многопереходных ФЭМ:
• по силе тока короткого замыкания эталонного ФЭМ, скорректированного с учетом спектрального несоответствия [5];
• по силе тока короткого замыкания эталонного многопереходного ФЭМ при известных характеристиках спектральной чувствительности каждого субэлемента [6].
При реализации первого метода энергетическая освещенность имитатора настраивается в результате
многократных измерений силы тока короткого замыкания эталонного однопереходного ФЭМ, калибровочное значение которого, Icsf, определяют из выражения [7]:
Iref
real _ se .•in
sc ~MM '
где Iе - значение силы тока короткого замыкания эталонного ФЭМ, приведенное в сертификате калибровки при стандартных условиях; MM - коэффици-
ент спектрального несоответствия, рассчитанный согласно [7] для субэлемента, ограничивающего фототек исследуемого многопереходного ФЭМ.
Второй метод настройки (калибровки) имитатора по параметру «энергетическая освещенность» основан на постоянстве значений отношения фототоков субэлементов как для стандартных условий, так и при исследованиях на имитаторе. Для каждого субэлемента справедливо равенство фототоков, генерируемых в стандартных условиях и под воздействием излучения имитатора: = I^ .В этом случае настройка энергетической освещенности с учетом спектрального состава излучения осуществляется по силе тока короткого замыкания субэлементов, значения которых рассчитываются на основании результатов измерений характеристик спектральной чувствительности субэлементов и справочных значений спектральной плотности энергетической освещенности для ста
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.