Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. (19) BY (11) 10300
(13) U
(46) 2014.08.30
(51) МПК
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
G 01R 31/40 (2014.01)
(54) ПОЛИХРОМАТИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ ИМИТАТОР
СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
(21) Номер заявки: u 20140085
(22) 2014.03.03
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Луценко Евгений Викторо-
вич; Павловский Вячеслав Николае-
вич; Свитенков Илья Евгеньевич;
Ржеуцкий Николай Викторович; Яб-
лонский Геннадий Петрович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физи-
ки имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
Полихроматический лазерный имитатор солнечного излучения, включающий лазеры,
поворотное зеркало, фокусирующую систему, диафрагму и столик для двухкоординатного
микрометрического позиционирования солнечного элемента, отличающийся тем, что со-
держит 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, соот-
ветствующего стандарту симулятора солнечного света ASTM E927-05, и стеклянную
призму для сведения излучения всех лазеров в один световой пучок.
(56)
1. Vorasayan P., Betts T.R., Tiwari A.N., Gottschalg R. Multi-laser LBIC system for thin
film PV module characterization. Solar Energy Materials & Solar Cells 93. - 2009. - P. 917-921.
2. Dimroth F., Baur C., Bett A.W., Kostler W., Meusel M., Strobl G. Thin 5-Junction Solar
Cells with Improved Radiation Hardness. Proceedings of the 2006 IEEE 4th World Conference
on Photovoltaic Energy Conversion. - Vol. 2. - P. 1777-1780.
BY10300U2014.08.30

2. BY 10300 U 2014.08.30
2
3. Javier Navas, Rodrigo Alcantara, Concha Fernandez-Lorenzo and Joaquin MartinCalleja
(2011). Trichromatic High Resolution-LBIC: A System for the Micrometric Characterization of
Solar Cells, Solar Cells - Silicon Wafer-Based Technologies, Prof. Leonid A. Kosyachenko
(Ed.), ISBN: 978-953-307-747-5, InTech, Available from: http://www.intechopen.com/
books/solar-cells-silicon-wafer-based-technologies/trichromatic-high-resolution-lbic-a-system-
for-the-rnicrometric-haracterization-of-solar-cells.
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 площад-
ки при освещении моно- или полихроматическим, в том числе белым, светом, соответст-
вующим действующему стандарту ASTM E927-10 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 каж-
дого из имеющихся лазеров исследовать разные p-n-переходы в наиболее распространен-
ных 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, вы-
являть локальные дефекты на всей площади солнечного элемента в различных погло-
щающих 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 инфра-
красное 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. Приме-
нение лазера с длиной волны 410 нм дает возможность создать неравновесные носители
заряда в наиболее широкозонном поглощающем слое трехпереходного солнечного эле-
мента и при сканировании по поверхности солнечного элемента определить набор его ло-
кальных фотовольтаических параметров при поглощении света в этом слое. Однако
современные многопереходные солнечные элементы содержат до пяти p-n-переходов [2] и
имеют небольшое отличие ширин запрещенной зоны соседних слоев. Описанная выше
система не может обеспечить селективное поглощение света в любом заданном количест-
ве 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 эле-
менте последовательное подключение более широкозонных поглощающих слоев по од-
ному к процессу преобразования световой энергии в электрическую за счет включения
следующего лазера с большей энергией кванта излучения, что исключает спектрально се-
лективное 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 содер-
жит линзовую фокусирующую систему, диафрагму, столик для размещения солнечного
элемента, поворотное зеркало, которое позволяет поочередно направлять излучение одно-
го из имеющихся трех лазеров на тестируемый солнечный элемент и, таким образом, про-

3. BY 10300 U 2014.08.30
3
извести сканирование поверхности солнечного элемента сфокусированным излучением
отдельно каждым лазером. Спектр такого излучения в отличие от солнечного спектра со-
стоит 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, соот-
ветствующего действующему стандарту ASTM E927-10, 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, фокусирую-
щую систему, диафрагму и столик для двухкоординатного микрометрического позицио-
нирования 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 по-
верхности солнечного элемента, соответствующего стандарту симулятора солнечного све-
та ASTM E927-05, и стеклянную призму для сведения излучения всех лазеров в один
световой пучок.
При фокусировке на его поверхность пространственно совмещенных пучков излуче-
ния шести лазеров соотношение интенсивностей излучения лазеров на поверхности солнеч-
ного элемента устанавливается соответствующим стандарту ASTM E927-10, 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 ASTM E927-10
Диапазон длин волн, нм Вклад в солнечный спектр, %
400-500 18,4
500-600 19,9
600-700 18,4
700-800 14,9
800-900 12,5
900-1100 15,9
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 диапазо-
ны 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 све-
тового пучка и столик 13 двухкоординатного микрометрического позиционирования сол-
нечного 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 уста-
навливают так, чтобы их вклад в общее излучение соответствовал таблице, а суммарная
интенсивность была равна одному или нескольким солнцам; перемещением двумя микро-
метрическими винтами (на фигуре не показаны) столика с закрепленным на нем солнеч-
ным 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 мм2
для получения освещенности в одно солнце необходима суммарная мощность шести
лазеров, равная 1 мВт (одно солнце - 1 мВт/мм2
). Тогда мощность излучения одного из

4. BY 10300 U 2014.08.30
4
шести лазеров (например, в диапазоне 500-600 нм, где необходима наибольшая оптиче-
ская мощность для подстройки к солнечному излучению), достигающего поверхности
солнечного элемента, устанавливают на уровне 199 мкВт, что легко реализуется при ис-
пользовании маломощного лазера милливаттного диапазона. В других спектральных диа-
пазонах 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 полихро-
матическим, в том числе белым, светом по стандарту имитатора солнечного излучения
ASTM E927-10, сфокусированным на поверхности солнечного элемента в пятно субмил-
лиметровых размеров, просканировать большую площадь СЭ и оценить неоднородность
распределения локальных фотовольтаических параметров по площади СЭ при погло-
щении света разного спектрального состава (на разной глубине однопереходного или
заданными слоями многопереходного солнечного элемента), составляющего спектр стан-
дартного 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 необ-
ходимости спектральной селекции излучения с исходным непрерывным спектром, тре-
бующей технически сложной его монохроматизации.
Неоднородности состава слоев солнечного элемента, распределенные по площади и
глубине, оказывают существенное влияние на общую эффективность его фотовольтаиче-
ского 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 преоб-
разования 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, обу-
словленных различием в характеристиках однотипных элементов (потерь на рассогласо-
вание). Чем тщательнее подобраны элементы в модуле (то есть, чем меньше различие в
характеристиках элементов), тем ниже потери на рассогласование. К примеру, при последо-
вательном 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 источни-
ком 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 эле-
мента или модуля при моно- и полихроматическом освещении, в том числе белым светом
по стандарту имитатора солнечного излучения ASTM E927-10, позволяет выявить степень
их неоднородности по площади на разной глубине или в разных слоях, обнаружить де-
фекты 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 выяв-
ления пространственной неоднородности параметров СЭ (тока короткого замыкания, на-
пряжения 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 диапа-
зонов, соотношение вкладов которых в спектр AM1.5G определяется действующим стан-
дартом ASTM E927-10.

5. BY 10300 U 2014.08.30
5
Существующие стандарты на имитаторы солнечного излучения для тестирования сол-
нечных элементов налагают требования по спектральному соответствию имитаторов
спектру солнца. Для солнечного спектра AM1.5G идеальное процентное соотношение
вкладов излучения шести спектральных интервалов по стандарту солнечного имитатора
ASTM E927-10 представлено в таблице. Определение локальных параметров солнечного
элемента при монохроматическом освещении (в одном из спектральных диапазонов стан-
дарта ASTME927-10) возможно при двумерном сканировании его поверхности с микро-
метрическим шагом, сфокусированным излучением одного лазера, длина волны генера-
ции 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
ASTM E927-10 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 по-
зволяет оценивать неоднородность распределения по площади фотовольтаических пара-
метров 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 ос-
вещении.
Следует отметить, что при использовании лазерных диодов стоимость имитатора ста-
новится 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 фотовольтаиче-
ских 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 ASTM E927-10.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.