Полихроматический лазерный имитатор солнечного излучения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ПОЛИХРОМАТИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Луценко Евгений Викторович Павловский Вячеслав Николаевич Свитенков Илья Евгеньевич Ржеуцкий Николай Викторович Яблонский Геннадий Петрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Полихроматический лазерный имитатор солнечного излучения, включающий лазеры,поворотное зеркало, фокусирующую систему, диафрагму и столик для двухкоординатного микрометрического позиционирования солнечного элемента, отличающийся тем, что содержит лазеры с длинами волн со спектральными диапазонами соответственно 400-500,500-600, 600-700, 700-800, 800-900 и 900-1100 нм, имеющие возможность установления соотношения интенсивностей их излучения на поверхности солнечного элемента, соответствующего стандарту симулятора солнечного света 927-05, и стеклянную призму для сведения излучения всех лазеров в один световой пучок.//. Полезная модель относится к измерительной технике в части создания устройства для измерения локальных фотовольтаических параметров солнечного элемента или модуля в субмиллиметровых по размеру областях на их поверхности в пределах заданной площадки при освещении моно- или полихроматическим, в том числе белым, светом, соответствующим действующему стандарту 927-10 для солнечного имитатора. Известна лазерная система 1, содержащая 3 лазера с длинами волн 410, 633 и 785 нм,которая позволяет за счет поочередного использования сфокусированного излучения каждого из имеющихся лазеров исследовать разные переходы в наиболее распространенных многопереходных солнечных элементах. Система способна дать информацию о каждом из трех светопоглощающих материалов трехпереходного солнечного элемента. Она позволяет проводить локальный по площади на его поверхности анализ солнечного элемента со спектральным разрешением (по поглощающим слоям) и, таким образом, выявлять локальные дефекты на всей площади солнечного элемента в различных поглощающих слоях, обусловленные неоднородностью осаждения каждого отдельного слоя вследствие флуктуации потоков исходных компонентов. Имея в своем составе лазер с длиной волны 785 нм, система позволяет создавать неравновесные носители заряда только в самом узкозонном слое трехпереходного солнечного элемента, поглощающем инфракрасное излучение, дающее существенный вклад в солнечный спектр. Уменьшение длины волны лазерного излучения до 633 нм позволяет создать неравновесные носители заряда в следующем более широкозонном поглощающем материале солнечного элемента. Применение лазера с длиной волны 410 нм дает возможность создать неравновесные носители заряда в наиболее широкозонном поглощающем слое трехпереходного солнечного элемента и при сканировании по поверхности солнечного элемента определить набор его локальных фотовольтаических параметров при поглощении света в этом слое. Однако современные многопереходные солнечные элементы содержат до пяти переходов 2 и имеют небольшое отличие ширин запрещенной зоны соседних слоев. Описанная выше система не может обеспечить селективное поглощение света в любом заданном количестве поглощающих слоев (когда их больше трех), исключая вышележащие слои с шириной запрещенной зоны, большей энергии кванта возбуждающего лазера, и, соответственно,локальное тестирование солнечного элемента с последовательным увеличением на один слой с большей шириной запрещенной зоны количества слоев, участвующих в процессе фотовольтаического преобразования. То есть при большой разнице в рабочих длинах волн лазеров и малом (3 шт.) их количестве невозможно обеспечить в многопереходном элементе последовательное подключение более широкозонных поглощающих слоев по одному к процессу преобразования световой энергии в электрическую за счет включения следующего лазера с большей энергией кванта излучения, что исключает спектрально селективное послойное тестирование многопереходного солнечного элемента. Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой (прототипом) является трехцветная лазерная система, содержащая красный (633 нм), зеленый (532 нм) и синий(473 нм) лазеры для сканирования поверхности солнечного элемента 3. Система содержит линзовую фокусирующую систему, диафрагму, столик для размещения солнечного элемента, поворотное зеркало, которое позволяет поочередно направлять излучение одного из имеющихся трех лазеров на тестируемый солнечный элемент и, таким образом, про 2 103002014.08.30 извести сканирование поверхности солнечного элемента сфокусированным излучением отдельно каждым лазером. Спектр такого излучения в отличие от солнечного спектра состоит всего лишь из трех лазерных линий, он является белым лишь в смысле формирования цветных изображений и не соответствует ни одному стандарту солнечного симулятора. Задачей полезной модели является создание имитатора солнечного излучения, соответствующего действующему стандарту 927-10, путем формирования локального полихроматического лазерного пятна освещения на поверхности солнечного элемента. Поставленная задача решается следующим образом. Полихроматический лазерный имитатор солнечного излучения, включающий лазеры, поворотное зеркало, фокусирующую систему, диафрагму и столик для двухкоординатного микрометрического позиционирования солнечного элемента, содержит лазеры с длинами волн со спектральными диапазонами соответственно 400-500, 500-600, 600-700, 700-800, 800-900 и 900-1100 нм,имеющие возможность установления соотношения интенсивностей их излучения на поверхности солнечного элемента, соответствующего стандарту симулятора солнечного света 927-05, и стеклянную призму для сведения излучения всех лазеров в один световой пучок. При фокусировке на его поверхность пространственно совмещенных пучков излучения шести лазеров соотношение интенсивностей излучения лазеров на поверхности солнечного элемента устанавливается соответствующим стандарту 927-10, а суммарная интенсивность излучения всех лазеров устанавливается равной одному или нескольким солнцам. Идеальное процентное соотношение вкладов излучения шести спектральных интервалов в солнечный спектр по стандарту солнечного имитатора 927-10 Диапазон длин волн, нм 400-500 500-600 600-700 700-800 800-900 900-1100 Сущность полезной модели поясняется фигурой, на которой изображен предлагаемый имитатор. Имитатор, изображенный схематически на фигуре, содержит лазеры 1, 2, 3, 4, 5 и 6, длины волн излучения которых попадают в соответствующие спектральные диапазоны таблицы, стеклянную призму 7, сводящую излучение лазеров в один световой пучок,линзовую систему 8, 9, фокусирующую излучение лазеров на поверхность солнечного элемента 10, поворотное зеркало 11, диафрагму 12 для выделения однородной части светового пучка и столик 13 двухкоординатного микрометрического позиционирования солнечного элемента. Полихроматический лазерный имитатор солнечного излучения работает следующим образом излучение всех шести лазеров 1-6 сводят стеклянной призмой 7 в один световой пучок, который затем фокусируют линзовой системой 8, 9 на поверхность солнечного элемента 10, интенсивность излучения лазеров на поверхности солнечного элемента устанавливают так, чтобы их вклад в общее излучение соответствовал таблице, а суммарная интенсивность была равна одному или нескольким солнцам перемещением двумя микрометрическими винтами (на фигуре не показаны) столика с закрепленным на нем солнечным элементом в плоскости его поверхности производят двухкоординатное сканирование поверхности сфокусированным моно- или полихроматическим лазерным излучением. При фокусировке лазерного излучения на поверхности солнечного элемента в пятно площадью 1 мм 2 для получения освещенности в одно солнце необходима суммарная мощность шести лазеров, равная 1 мВт (одно солнце - 1 мВт/мм 2). Тогда мощность излучения одного из 3 103002014.08.30 шести лазеров (например, в диапазоне 500-600 нм, где необходима наибольшая оптическая мощность для подстройки к солнечному излучению), достигающего поверхности солнечного элемента, устанавливают на уровне 199 мкВт, что легко реализуется при использовании маломощного лазера милливаттного диапазона. В других спектральных диапазонах необходима еще меньшая мощность лазеров. При более острой фокусировке лазерного излучения требования по мощности лазеров снижаются. При использовании лазерных диодов точное значение мощности для подстройки к солнечному излучению каждого лазера (таблица) легко устанавливается регулировкой тока инжекции. Настоящий имитатор позволяет спектрально селективно, то есть моно- или полихроматическим, в том числе белым, светом по стандарту имитатора солнечного излучения 927-10, сфокусированным на поверхности солнечного элемента в пятно субмиллиметровых размеров, просканировать большую площадь СЭ и оценить неоднородность распределения локальных фотовольтаических параметров по площади СЭ при поглощении света разного спектрального состава (на разной глубине однопереходного или заданными слоями многопереходного солнечного элемента), составляющего спектр стандартного имитатора излучения в одно или несколько солнц. Использование обычного лампового имитатора солнечного излучения для этих целей проблематично вследствие невозможности обеспечения острой фокусировки света лампы на поверхности СЭ и необходимости спектральной селекции излучения с исходным непрерывным спектром, требующей технически сложной его монохроматизации. Неоднородности состава слоев солнечного элемента, распределенные по площади и глубине, оказывают существенное влияние на общую эффективность его фотовольтаического преобразования. Дефекты в слоях солнечного элемента снижают его эффективность. В солнечном модуле, представляющем собой набор соединенных между собой солнечных элементов, наименее эффективный солнечный элемент определяет эффективность преобразования всего модуля. Производство солнечных элементов и модулей большой площади требует отработки технологии формирования однородных слоев. Мощность солнечного модуля всегда ниже, чем сумма мощностей составляющих элементов, из-за потерь, обусловленных различием в характеристиках однотипных элементов (потерь на рассогласование). Чем тщательнее подобраны элементы в модуле (то есть, чем меньше различие в характеристиках элементов), тем ниже потери на рассогласование. К примеру, при последовательном соединении десяти элементов с разбросом характеристик 10 , потери составляют примерно 6 , а при разбросе 5 снижаются до 2 . Неразрушающая характеристика слоев солнечных элементов с пространственным разрешением является важным источником получения информации о пространственном распределении их локальных параметров и совершенстве технологии их нанесения. Для выявления локальных дефектов солнечного элемента необходимо определять характеризующие его параметры с разрешением по площади и по глубине (по слоям). Определение локальных параметров солнечного элемента или модуля при моно- и полихроматическом освещении, в том числе белым светом по стандарту имитатора солнечного излучения 927-10, позволяет выявить степень их неоднородности по площади на разной глубине или в разных слоях, обнаружить дефекты и детали, которые не могут быть найдены с помощью оптического микроскопа, и найти пути уменьшения ее влияния на рабочие параметры модулей. Полихроматический лазерный имитатор солнечного излучения применяют для выявления пространственной неоднородности параметров СЭ (тока короткого замыкания, напряжения холостого хода, фактора заполнения, квантовой эффективности) по их площади при проведении измерений фотовольтаических характеристик при локальном освещении в заданных точках на поверхности сфокусированным излучением одного или сразу нескольких(до шести) лазеров, каждый из которых излучает в одном из шести спектральных диапазонов, соотношение вкладов которых в спектр 1.5 определяется действующим стандартом 927-10. 4 103002014.08.30 Существующие стандарты на имитаторы солнечного излучения для тестирования солнечных элементов налагают требования по спектральному соответствию имитаторов спектру солнца. Для солнечного спектра 1.5 идеальное процентное соотношение вкладов излучения шести спектральных интервалов по стандарту солнечного имитатора 927-10 представлено в таблице. Определение локальных параметров солнечного элемента при монохроматическом освещении (в одном из спектральных диапазонов стандарта 927-10) возможно при двумерном сканировании его поверхности с микрометрическим шагом, сфокусированным излучением одного лазера, длина волны генерации которого находится в каком-либо спектральном диапазоне таблицы. Использование пространственно совпадающих сфокусированных световых пучков шести лазеров, длина волны излучения каждого из которых попадает только в один из диапазонов стандарта 927-10 имитатора солнечного света, позволяет при соотношении интенсивностей излучения лазеров, соответствующем таблице, произвести сканирование поверхности солнечного элемента сфокусированным искусственным белым светом, удовлетворяющим этому стандарту. Применение каждого из шести лазеров в отдельности или в заданном сочетании позволяет оценивать неоднородность распределения по площади фотовольтаических параметров солнечного элемента в разных спектральных диапазонах, выявить дефектные области, установить причины их образования и принять меры по оптимизации технологии с целью повышения общего КПД элемента или модуля при естественном солнечном освещении. Следует отметить, что при использовании лазерных диодов стоимость имитатора становится значительно ниже стоимости лампового имитатора солнечного излучения. Предлагаемый полихроматический лазерный имитатор солнечного излучения позволяет определить локальные фотовольтаические параметры в микрометрически сканируемых точках поверхности солнечного элемента при освещении моно- или полихроматическим, в том числе белым, светом, что обеспечивает спектральную детализацию фотовольтаических параметров (по глубине, по поглощающим слоям) и дает возможность построения и анализа карт фотовольтаических параметров при моно- и полихроматическом освещении,в том числе белым светом по стандарту имитатор солнечного излучения 927-10. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5