DE2122044B2 - Verfahren und Anordnung zur Aufnahme der U/I-Kennlinie einer zu prüfenden Sonnenzelle - Google Patents

Description

aTransistormeßtechnik«, Braunschweig, S. 101), bei denen eine sonst auftretende unerwünschte Erwärmung der Prüflinge vermieden wird. Die Probleme einer Kennlinienaufnahme von elektronischen Bauelementen, insbesondere nicht lichtempfindlichen Halbleiterbauelementen, vorliegend Sonnenzellen, bestehen indessen darin, daß durch die ansteigenden und aofallenden Flanken elektrischer Spannung*- und Stromimpulse eine Meßwertverfälschung bei den Prüflingen nicht auftritt, während dies, wie"eineangs erläutert wurde, bezüglich der Lichtimpulse von^Gasentladungslampen zutrifft.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist unter Berücksichtigung vernünftig kurzer Zeiträume zur Prüfung einer Sonnenzelle auf die Anwendung verhältnismäßig kurzer Lichtimpulse beschränk^ die mit einer verhältnismäßig hohen Frequenz aufeinanderfolgen. Es scheiden daher für das erfindungsgemäße Verfahren solche Gasentladungslampen aus, die bei mittlerer Betriebstemperatur eine rein gasförmige Füllung aufweisen, wie z. B. Quecksilberhochdrucklampen, bei denen unter den Bedingungen einer mittleren Betriebstemperatur flüssiges Quecksilber vorliegt. Derartige Gasentladungslampen benötigen relatjv lange Einbrennzeiten in der Größenordnung von 4 bis 5 Minuten, um durch Verdampfen des Quecksilbers als Voraussetzung zu einer stabilen Gasentladung den notwendigen Betriebsgasdruck zu erzeugcn. Quecksilberhochdrucklampen sind darüber hinaus auch aus dem Grund zur Kennlinienaufnahme bei Sonnenzellen nicht brauchbar, weil selbst bei sehr hohen Drücken überwiegend ein Linienspektrum, wenngleich mit verbreiterten Linien, erzeugt wird, das dem Sonnenspcklrum bei weitem nicht angenähert ist. Dieser letztere grundsätzliche Mangel von Quecksilberhochdrucklampen kann zwar durch auf den Lampenkolben geschichtete Strahlungstransformatoren in Form von Phosphoren behoben werden, jedoch haben derartige Phosphore eine besonders lange Anregungs- und Abklingzeu, so daß die Erzeugung schnell aufeinanderfolgender Lichtimpulse damit nicht möglich ist (vgl. insbesondere den Artikel »Sind Quecksilberdampf-Hochdrucklampcn noch modem?« in der Zeitschrift »Industrie-Elektrik-I-Elektronik«, 14. Jahrgang, 1969, Nr. 17, S. 404 und 405).

In der Blitzlichlphotographie ist es seit langem bekannt, den Verschluß eines Photoapparates mit einer einmalig (also n^;cht periodisch) ausgelösten Blitzlampe so zu synchronisieren, daß der Zeitpunkt der vollen Öffnung des Verschlusses in denjenigen Zeitraum fällt, in welchem die Blitzlampe ihre maximale Intensität abgibt. Jedoch ist hier die Öffnungsdauer des Verschlusses sehr gering gegenüber dem Zeitraum, in welchem die Blitzlampe ihre maximale Intcnsität abgibt. Selbst wenn die ansteigende und abfallende Flanke des von der Blitzlampe abgegebenen Lichtimpulses für die Belichtung herangezogen würden, wären eventuelle Verfälschungen der spektralen Energieverteilung der in dem einmaligen Lichtimpuls enthaltenen Gesamtstrahlung vernachlässigbar gering.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von dem eingangs an erster Stelle abgehandelten bekannten Verfahren ein demgegenüber verbessertes Verfahren zur Kcnnlinicnaufnahme einer zu prüfenden Sonnenzelle zu schaffen, bei welchem zusätzlich zur Ver- ⁶S meidung einer unerwünschten Erwärmung, die auch bei dem bekannten Verfahren vermieden wird, nur solche Strahlung auf die Sonnenzelle fällt, deren zen- :rale Energieverteilung derjenigen des Sonnenlichtes weitestgehend entspricht. Erreicht wird dies durch Abtastung des Prüflings lediglich in Zeiträumen konstanter Intensität innerhalb der seitens der Lampe aneeeebenen Lichtimpulse, deren Gesamtdauer etwa der vierfachen Ionisationszeit entspricht.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Bestrahlung der zu prüfenden Sonnenzelle im Licht aus der ansteigenden und abfallenden Flanke des Lichtimpulses, wo die spektrale Energieverteilung dem Sonnenlicht unähnlich ist, in einwandfreier Weise vermieden, so daß zusätzlich zu einer geringen Temperaturbelastung des Prüflings einwandfreie Meßergebnisse auf der Grundlage der tatsächlichen spektralen Energieverteilung des Sonnenlichtes erzielt werden.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführung, oeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfinJungsgemäßen Verfahrens, weitgehend in Blockschaltdarstellung,

Fig. 2 einen typischen Lichtimpuls, welcher für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verfügung steht, in Schaubilddarstellung (Intensität als Funktion der Zeit).

Gemäß Fig. 1 fällt Licht von einer Xenon-Höchstdrucklampe 20 auf eine zu prüfende Sonnenzelle 12 und gleichzeitig auf eine geeichte Vergleichssonnenzelle 66. Die Lampe 20 wird über einen Pulsgeber 26/28 betrieben und gibt einen Lichtpuls von im wesentlichen konstanter Frequenz ab, von dem ein Einzelimpuls in Fig. 2 dargestellt ist. Jeder Lichtimpuls umfaßt eine ansteigende Flanke A von etwa 0,5 msec, einen Teil B von etwa 1 msec maximaler und im wesentlichen konstanter Intensität und eine abfallende Flanke C von ebenfalls etwa 0,5 msec. Für die Auswertung der Ausgangsgröße der zu prüfenden Sonnenzelle 12 wird indessen lediglich der Teil B jedes einzelnen Lichtimpulses verwendet, während die ansteigende Flanke A und die abfallende Flanke C in nachfolgend noch zu erläuternder Weise bei der Gewinnung des Meßergebnisses unterdrückt werden.

Gemäß Fig. 1 gelangen die Ausgangsgröße der zu prüfenden Sonnenzelle 12 in einen Stromintegrator 62 und diejenige der Vergleichsonnenzelle 66 zu einem Stromintegrator 64. Mittels eines Stufenschalters 52 kann der Stromkreis der Sonnenzelle 12 in verschiedenen Stufen unterschiedlich beiastet werden, und zwar durch Kurzschluß (erste Schaltstellung von links in Fig. 1), durch Öffnen des Stromkreises (zweite Schaltstellung von links in Fig. 1), wobei die offene Klemmenspannung der Sonnenzeüe 12 bei einem bestimmten Lichtimpuls erhalten wird, sowie durch \ jrschieden abgestufte Widerstände; 47, von denen der besseren Übersicht halber lediglich zwei veranschaulicht sind. Der Stufenschalter 52 wird durch ein Schrittrelais 52« betätigt, welches lediglich dann anspricht, wenn jeweils ein weiterer, vier Stufen umfassender Stufenschalter 76 einen vollen Arbeitszyklus durchlaufen hat.

Mittels des Stufenschalters 76 können der während eines Lichtimpulses integrierte Strom der Vergleichssonnenzelle66 (unterste Schaltstufe in Fig. 1), der während eines Lichtimpulses integrierte Strom der zu prüfenden Sonnenzelle 12 (zweitunterste Schaltstellung in Fig. 1), der Mittelwert der während eines Lichtimpulses von der zu prüfenden Sonnenzelle 12

abgegebenen Ausgangsspannung (zvveitoberste Schaltstellung in Fig. 1) und ein Nullwert (oberste Schaltstellung von Fig. 1) zyklisch abgetastet werden. Der Schalter 76 wird über ein Schrittrelais 76« betätigt, das seinerseits mit dem Pulsgeber 26/26 synchronisiert ist und bei jedem Lichtimpuls eine Weiterschaltung um eine Schaltstufe bewirkt.

Dem Stufenschalter 76 sind ein Digitalvoltmetcr 68 sowie ein Drucker 70 zur Auswertung der erhaltenen Meßergebnisse nachgeschaltet.

Die Integratoren 62, 64 werden durch Signale des Pulsgebers 26/28 über eine Eintast- und Austastleitung getastet, wobei ein Eintastimpuls erst dann an die Integratoren 62, 64 abgegeben wird, wenn die ansteigende Flanke/1 des Lichtimpulses beendet ist; ein Austastimpuls wird bereits dann an die Integratoren 62,64 abgegeben, bevor die abfallende Flanke C des Lichtimpulses beginnt. Bei einem typischen Beispiel beträgt die Zeitdauer der ansteigenden und abfallenden Flanke A bzw. C des Lichtimpulses jeweils 0,5 msec, während der Teil B konstanter Intensität 1 msec umfaßt, so daß die Gesamtdauer der von der Lampe abgegebenen Lichtimpulse etwa der vierfachen Ionisationszeit entspricht.

Durch die Tastung der Integratoren 62, 64 seitens des Pulsgebers 26/26 wird also erreicht, daß zur Stromintegration lediglich der Teil B jedes Lichtimpulses herangezogen wird und dementsprechend auch in der Auswertung erscheint.

Nach jedem Lichtimpuls schaltet der Pulsgeber 26/28 den Stufenschalter 76 über das Schrittrelais 76α um eine Stufe zyklisch weiter, so daß nach Ablauf von vier Lichtimpulsen von dem Drucker 70 vier Meßergebnisse, nämlich zwei integrierte Stromwerte der Vergleichssonnenzelle 66 sowie der zu prüfenden Sonnenzelle 12, ein mittlerer Spannungswert der Sonnenzelle 12 und ein Vergleichsnullwert abgegeben werden. Hat der Stufenschalter 76 einen vollen Zyklus durchlaufen, so wird er beim Auftreten eines nächsten Lichtimpulses wiederum in seine erste Schaltstellung zurückgeführt, wobei gleichzeitig über das Schrittrelais 52a der Stufenschalter 52 um eine Stufe weitergeschaltet wird. Man erhält demzufolge insgesamt 4 k Meßergebnisse an dem Drucker 70. wobei k die Anzahl der Schaltstufen des Stufenschalters 52 darstellt. Jede Gruppe von vier Meßergebnissen ist hierbei auf einen Kurzschluß des Stromkreises der Sonnenzelle 12, auf eine öffnung des Stromkreises der Sonnenzelle 12 oder auf eine Belastung mit den verschiedenen Widerständen 47 bezogen, so daß sich das Belastungsverhalten der von der Sonnenzelle 12 abgegebenen Spannung zu den bei jedem Schaltzyklus des Stufenschalters 76 ermittelter integrierten Stromwerten in Beziehung bringen läßt. Die Messung der von der Sonnenzelle 12 abgegebenen Spannung bei verschiedenen Belastungen des äußeren Stromkreises ist an sich bekannt und bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Aufnahme der U/I-Kennlinie einer zu prüfenden Sonnenzelle bei impulsgetasteter künstlicher Bestrahlung mittels einer Gasentladungslampe, welche eine bei mittlerer Betriebstemperatur gasförmige Füllung mit einer Ionisationszeit im Millisekundenbereich enthält und eine dem Sonnenlicht im außerirdischen luftleeren Raum angepaßte Energiedichte sowie ein entsprechendes Emissionsspektrum aufweist, durch Bestimmung von Strom und Spannung des Prüflings bei verschiedenen Außenwiderständen, gekennzeichnet durch Abtastung des Prüflings lediglich in Zeiträumen konstanter Amplitude innerhalb der seitens der Lampe abgegebenen I ichtimpulse, deren Gesamtdauer etwa der vierfachen Ionisationszeit entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil (B) von konstanter Intensität der Lichtimpulse auf einem vorgegebenen Sollwert der Amplitude gehalten wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß eventuelle Schwankungen der konstante Intensität aufweisenden Teile (B) aufeinanderfolgender Lichtimpulse bzw. Abweichungen von dem vorgegebenen Sollwert auf die zu gewinnenden Kennliniendaten korrigierend übertragen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeicl· iet, daß als Gasentladungslampe in an sich bekannter Weise eine Xenon-Höchstdrucklampe verwendet wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteinrichtung für die Kennliniendaten eine geeichte Vergleichssonnenzelle (66) umfaßt, deren Ausgangsgrößen zusammen mit denjenigen der zu prüfenden Sonnenzelle (11) über einen zyklischen Stufenschalter (76) abnehmbar sind, welcher mit der Impulsfrequenz der Gasentladungslampe (20) synchronisiert ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Elemente zur Überwachung des Ausgangsstromes der Vergleichssonnenzelle (66) sowie zur Überwachung des Ausgangsstromes der Auswerteeinrichtung bei gewählten Betriebsbedingungen während aufeinanderfolgender Lichtimpulse, insbesondere bei geöffnetem Stromkreis, bei kurzgeschlossenem Stromkreis sowie bei verschiedenen Belastungswiderständen (47).

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsgeber (26/28) Elemente zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen Sollwertes der Amplitude in dem die konstante Intensität aufweisenden Teil jedes Lichtimpulses aufweist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 6, 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Integratoren (62, 64) mit der Vergleichssonnenzelle (66) bzw. der zu prüfenden Sonnenzelle (12) verbunden ist, um Informationen entsprechend dem in der Vergleichssonnenzelle sowie dem in der zu prüfenden Sonnenzelle während jedes Lichtimpulses erzeugten Strom z;u speichern.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufnahme der U/I-Kennlinie einer zu prüfenden Sonnenzelle bei impulsgetasteter künstlicher Bestrahlung mittels einer Gasentladungslampe, welche eine bei mittlerer Betriebstemperatur gasförmige Füllung mit einer Ionisationszeit im Millisekundenbereich enthält und eine dem Sonnenlicht im außerirdischen luftleeren Raum angepaßte Energiedichte sowie ein entsprechendes Emissionsspektrum aufweist, durch Bestimmung von Strom und Spannung des Prüflings bei verschiedenen Außenwiderständen, gekennzeichnet durch Abtastung des Prüflings lediglich in Zeiträumen konstanter Intensität innerhalb der seitens der Lampe abgegebenen Lichtimpulse, deren Gesamtdauer etwa der vierfachen Ionisationszeit entspricht.

Es ist bereits ein Verfahren der erwähnten Art bekannt, welches gegenüber älteren Verfahren (z. B. USA.-Patentschrift 3 350 635), die mit kontinuierlicher Bestrahlung der Sonnenzelle arbeiten, den Vorteil aufweist, daß keine wesentliche Strahlungserwärmung des Prüflings verursacht werden und insoweit auch keine Meßwertverfälschungen entstehen. Während indessen bei dem mit kontinuierlicher Bestrahlung arbeitenden Verfahren die spektrale Energieverteifung der Gasentladungslampe konstant bleibt, trifft dies bei einem Impulsantrieb der zur Prüfung verwendeten Gasentladungslampe nicht zu. Vielmehr eigibt sich eine konstante spektrale Energieverteilung erst nach Ablauf der für die Gasentladungslampe charakteristischen Ionisationszeit, die im Millisekundenbereich liegt und für eine bestimmte Art einer Xenon-Höchstdrucklampe beispielsweise etwa 0,5 msec beträgt. Während der ansteigenden und abfallenden Flanke eines Lichtimpulses wird demgemäß die Sonnenzelle mit Licht bestrahlt, welches in seiner spektralen Zusammensetzung nicht dem Sonnenlicht entspricht. Je kürzer die Gesamtdauer der verwendeten Lichtimpulse ist, desto mehr tragen die ansteigenden und abfallenden Flanken der Lichtimpulse, die von dem Prüfling aufgenommen werden, zu einer unerwünschten Verfälschung des Meßergebnisses bei.

Es sind zwar Blitzlampen für Impulsbetrieb mit einer verhältnismäßig sehr kurzen Anstiegs- und Abfallzeit des Lichtimpulses bekannt (vgl. USA.-Patentschrift 5 346 529), jedoch ist bei derartigen Blitzlampen die erzielbare Energiedichte sehr gering, und es kann auch kein dem Sonnenspektrum entsprechendes quasi-kontinuierliches Emissionsspektrum erzeugt werden. Demgegenüber weisen indessen Gasentladungslampen von sehr hoher Leistungsaufnahme, welche diese Forderungen erfüllen, eine verhältnismäßig flache Anstiegsflanke und Abfallflanke des Lichtimpulses bei intermittierendem Betrieb auf.

In Verbindung mit kontinuierlich brennenden Gasentladungslampen, die ein quasi-kontinuierliches Emissionsspektrum aufweisen, ist es nach der USA.-Patentschrift 3 360 650 auch bekannt, die Intensität mittels eines geschlossenen Regelkreises konstant zu halten, um beispielsweise unter der normalen Sonnenstrahlung ähnlichen Bedingungen Stoffe über einen vorgegebenen Zeitraum auf Sonnenechtheit zu prüfen.

Es sind auch Verfahren zur Kennlinienaufnahme von elektronischen Bauelementen durch angelegte Impulse bekannt, vgl. H. Rothfuss, »Transistormeßpraxis«, Stuttgart, 1961, S. 121 bis 123; R. Paul,