Лазерная установка для имитации Солнца имеет спектральное распределение, которое почти идентично солнечному свету с длиной волны от 450 до 1750 нм. Устройство излучает свет в форме сфокусированного луча, который может быть легко адаптирован для изучения последнего поколения наноразмерных, многоячеечных и многослойных фотоэлектрических конфигураций. Недавно система была протестирована совместно с лучшими традиционными источниками света. Результат оказался многообещающим.
Коллимированное (направленное) излучение установки освещает небольшую солнечную батарею. Электрические датчики используются для измерения эффективности ячейки.
"В качестве источника света для тестирования фотоэлектрических материалов традиционно используется ксеноновая дуговая лампа ", говорит Ташши Деннис из лаборатории NIST по изучению квантовой электроники и фотоники в Боулдере, США. "Подобная лампа предлагает большое количество энергии, приличный уровень спектрального соответствия по сравнению с солнечным светом (после некоторых доработок) и хорошую равномерность. Но ее излучение сложно сфокусировать - свет излучается в каждом направлении. Более того, подобные лампы не совсем подходят для тестирования разработанных недавно многопереходных солнечных элементов, отдельные части которых способны поглощать лишь свет конкретного спектра".
Коллега Деннис, Джон Шлангер, выступил с идеей использования технологии, которая только что стала коммерчески доступной. Речь идет о волоконных лазерных источниках белого света ("суперконтинуума"). Деннис и Шлангер создали проект установки, которая позволяет вносить управляемые спектральные изменения в излучение суперконтинуума и использует его, чтобы освещать различные материалы для солнечных батарей.
"С самого начала", говорит Деннис, "нам предстояло найти ответ на один большой вопрос: на самом ли деле наш источник света будет похож на Солнце?" Ответ на этот вопрос будет зависеть от двух факторов.
Первым фактором является импульсный характер излучения новой лазерной системы, которая производит пучок суперконтинуума в два этапа. Изначально свет генерируется в оптическом мульти-ваттном лазере на основе волокон с синхронизованными модами, который испускает импульсы продолжительностью в несколько сот фемтосекунд при контролируемой периодичности - от 1 МГц до 80 МГц. Затем это излучение направляется в фотонно-кристаллические волокна. В кристаллической среде нелинейные эффекты приводят к расширению спектра в непрерывном режиме в рамках диапазона длины волн около 2000 нм. Этот широкий спектр и относится к части "супер" в суперконтинууме.
Схема лабораторного аппарата. Излучение лазера направляется на призму, которое расщепляет свет на волны разной длины. На пути луча в призме установлены маски, которые позволяют формировать спектр путем модуляции определенных длин волн. В результате происходит рекомбинация спектра, а излучение направляется в коллиматор и фокусируется на образцах солнечных батарей.
"Главное преимущество данного метода", продолжает Деннис, "заключается в том, что свет выходит из этого волокна одномодовым" - то есть, все частоты компонентов имеют одинаковое пространственное распределение и формируют единый луч. Затем излучение из волокна направляется в призму, которая расщепляет свет на спектральные составляющие и направляет их в зеркало. Так как волны различной длины по-разному распространяются в пространстве, установка масок в выбранных точках на пути света, прежде чем он попадет на зеркало, позволяет сформировать спектр, который напоминает солнечный свет (этого можно добиться, избавляясь от излучений с определенной длиной волны). Далее отраженный свет объединяется в один пучок и фокусируется на образцах фотоэлектрических элементов.
"Измененный спектр очень хорошо совпадает с солнечным на необходимом нам диапазоне длин волн", говорит Деннис, "но мы обеспокоены тем, что импульсный характер излучения пучков фотонов, возможно, не позволит нам добиться квазинепрерывного эффекта. С другой стороны мы обнаружили, что установка позволяет добиться практически того же эффекта на фотоэлектрические ячейки, который наблюдается при использовании непрерывного света ксеноновой лампы. Мы также хотели оценить чувствительность образцов к частоте импульсов, поэтому протестировали установку на частоте 20 МГц, 40 МГц и 80 МГц. Как оказалось, что изменения находились в пределах лишь около 1 процента от КПД фотоэлектрической ячейки. Таким образом, оказалось, что импульсный характер света не влияет на результаты тестирования солнечных батарей".
Вторым фактором, который все еще вызывает обеспокоенность ученых, является отсутствие ультрафиолетового (УФ) излучения в системе суперконтинуума.
"Волокно сильно ослабляет волны с длиной ниже 450 нм," говорит Деннис, "Следовательно, мы не получаем фотонов в волнах с длиной от 300 нм до 450 нм, которые имеются в солнечном свете. Мы думаем об использовании своеобразного источника на основе дуги для заполнения этих промежутков. При помощи данного механизма и дополнительных корректур спектра мы можем получить идеальную замену солнечному свету."
Графическое сравнение излучения устройства со стандартным солнечным спектром в воздушном пространстве Земли.
Но даже и без доработанного УФ-компонента команда ученых хотела определить, насколько хорошо их симулятор выполняет свою работу по сравнению с результатами ксеноновой лампы. Они обратились за помощью к своим коллегам из Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергетики (National Renewable Energy Laboratory; NREL) из города Гайден, Колорадо. Местные специалисты несут ответственность за сертификацию эффективности различных материалов для солнечных батарей и используют в своей работе ксеноновые дуговые лампы.
В начале этого года Денис и Шлангер провели измерения производительности и эффективности четырех различных фотоэлектрических материалов (кристаллического кремния р-типа; материалов из арсенида галлия (GaAs), использующих эффект гетероперехода; медь-индий-галлий-диселенидных тонкопленочных панелей (CIGS); а также аморфного кремния), освещенных светом суперконтинуума.
"Мы сделали это двумя различными способами", говорит Деннис. "Сначала мы скорректировали излучение до уровня в 100 мВт на квадратный сантиметр, что является средним показателем для солнечного света, достигающего поверхности Земли. Совпадение с данными Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии было довольно хорошим, но все равно колебалось примерно на 10 процентов, что свидетельствует о проблемах при калибровке абсолютных измерений. Расхождения, вероятно, были вызваны неоднородностью пучка и несоответствием спектра. Во втором случае мы проделали, все что только можно, чтобы настроить интенсивность светового потока, пока не получили точно такую же плотность тока для каждого образца, которую получили специалисты NREL. Затем мы измерили эффективность, и разница снизилась до 5 процентов. Некоторые материалы помогли нам добиться еще более высокого соответствия с результатами NREL ".Если система на основе суперконтинуума будет использоваться вместе с ксеноновыми лампами, как общепринятый стандарт в области симулирования солнечной света, ученые смогут избавиться от ряда трудностей, которые возникают при изучении новейших высокотехнологичных материалов для солнечных батарей. С одной стороны, сфокусированный пучок света позволит проводить выборочные исследования и возбуждать очень маленькие материалы, такие как нанопроволоку и углеродные нанотрубки.
Еще одним преимуществом новой установки является возможность тестирования многопереходных солнечных элементов. По данным исследователя из Национальной лаборатории по исследованиям возобновляемой энергии США, Даниэля Фридмана, который работает над многопереходным солнечным концентратором типа III-V, "самая высокая эффективность наблюдается в солнечных батареях, в конструкции которых используется несколько материалов, при этом каждый слой настроен на конкретную часть солнечного спектра. Чтобы протестировать эти многопереходные ячейки, спектр света, изучаемого установкой, должен поддаваться быстрой и точной регулировке. Система на основе суперконтинуума это обеспечивает".
