WO2008107132A2 - Reference solar cell - Google Patents

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WO2008107132A2
WO2008107132A2 PCT/EP2008/001634 EP2008001634W WO2008107132A2 WO 2008107132 A2 WO2008107132 A2 WO 2008107132A2 EP 2008001634 W EP2008001634 W EP 2008001634W WO 2008107132 A2 WO2008107132 A2 WO 2008107132A2
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solar
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Ralf Adelhelm
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Ralf Adelhelm
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Definitions

  • the present invention is concerned with reference solar cells, which are used for the determination of photoelectric characteristics in the field of photovoltaics, in particular in the field of quality assurance in the manufacture of solar cells and solar modules or in the design of such devices.
  • the inherent invariable spectral sensitivity can be considered.
  • the mismatch is used for the correction and / or an optimized mismatch is achieved by selecting a suitable reference cell from a set of reference cells with different spectral sensitivity.
  • the mismatch remaining in virtually all cases can be used as a measure of measurement accuracy, although the discussion must be differentiated.
  • the specially developed reference cell with a replica of a spectral sensitivity of a single subcell of a multiple solar cell is called a component cell.
  • MOVPE specially grown MOVPE metal-organic vapor phase epitaxy
  • the invention is concerned with the exact measurement of optoelectronic characteristics of solar cells and modules. It is an object of the invention to provide a reference solar cell, which overcomes the known deficiencies of the prior art and a has on a test cell scheduled customizable spectral sensitivity. A further object is the production of a component solar cell, which simulates the spectral sensitivity of a degraded GaAs solar cell in a GalnP / GaAs / Ge triple solar cell (GalnP / GaAs / Ge multi junction solar cell for space application).
  • the inventive solution is based on a selectable spectral sensitivity of a reference solar cell.
  • a similar problem in photometry as in the paper by D Gundlach, W. Hammer, Adaptation of a photofinisher to the standard spectral value function according to the spectral template method, color 27, 1978/79, No. 1/6 (hereinafter [Gundlach]) presented.
  • the change according to the invention and the transmission according to the invention of said method to the new application objective "adaptation of a reference solar cell to any (but fixed) spectral sensitivity of a solar cell to be tested (for example under a solar simulator) leads to a spectral template , as it is part of the reference cell according to the invention.
  • Radiation with sufficient spatial independence in spectral and spatial distribution meets the reference cell.
  • the radiation is spatially resolved with respect to the spectral properties.
  • a solar cell with sufficient homogeneity 201 detects (detects) the spatially resolved radiation mixture with its own inherent spectral sensitivity and produces a localized current that is typically collected across the surface (electrical connector 202).
  • the output signal is to be understood as an integral current via the spatially resolved current generation, caused by the spatially resolved transmittance of the gradient filter 208.
  • the output signal of the solar cell with graduated filter has a new spectral sensitivity which is determined by the geometry of the active surface of the solar cell compared to the geometry of the solar cell encryption run filters can be adjusted according to plan.
  • a geometrically freely selectable active surface of the solar cell for example by means of cutting the solar cell, in scheduled positioning in relation to the gradient filter thus leads to a reference cell according to the invention.
  • the technical realization of a geometrically freely selectable active surface is complex and usually difficult to change. Therefore, according to the invention, a spectral template 209 is accessed, which covers a planned portion of the solar cell 201, and thus allows a selectable geometry of the irradiated surface of the solar cell.
  • the shadowed part of the solar cell behaves electrically as an insulator.
  • spectral templates 209 produced mechanically (or photolithographically) (and their simple exchange)
  • a spectrally sensitive spectral sensitivity of the reference cell can be achieved.
  • Prerequisites for the production and use of the reference cell according to the invention are, on the one hand, planar graduated filters, which can be produced inexpensively and over a large area in recent times, and also (large) flat solar cells, which meet the requirements (eg linearity) of a (spectral) radiometric detector and preferably have sufficient spatially resolved homogeneity with respect to their spectral sensitivity.
  • a sufficient homogeneity of the spectral radiance distribution of the solar simulator (the radiation to be assessed) is important.
  • a reference cell according to the invention is similar in appearance and the schematic structure of the conventional reference cell according to the prior art. Exemplary embodiments of the schematic construction of the reference cell according to the invention are shown in the drawings 1-3 in cross-section and in Figures 4-5 shown as an exploded view. The following elements are shown in the drawings:
  • Peltier element (electrical connector is omitted in the drawing)
  • Spectral template 210 Separate housing for a resistor and plugs or sockets
  • the graduated filter preferably has a line or band transmission in a spectral range which covers the required spectral sensitivity.
  • the gradient interference filter VERIL BL 200 (gradient range 400nm-1000nm) is suitable for use as a filter for a silicon solar cell (sensitivity range: 300nm-1150nm) to measure the spectral sensitivity of a GaAs subcell (sensitivity range: 670nm- 900nm) of a GalnP / GaAs / Ge space solar cell (total sensitivity range: 300nm-1900nm).
  • This combination is also suitable for simulating the spectral sensitivity of the lower part cell of a so-called micro-morph silicon solar cell.
  • Suitable graduated filters with a graduated area which already start at 300 nm and cover the spectral range up to 1200 nm, are not known from commerce, but can be produced in principle. The same applies to the broadest spectral range of solar radiation of 250nm to 4 ⁇ m of interest here.
  • the production of graduated filters in the dipping process especially SoI-GeI dipping processes, have the technical potential to produce such filters for the said spectral ranges.
  • the characterization of the graduated filter essentially comprises
  • the production of the spectral template with respect to the geometry of the aperture is carried out by means of characterization numerically and empirically and iteratively.
  • a reference cell with a suitable filter and a suitable solar cell
  • a set of special spectral templates is mentioned here. It is thus possible to produce a special spectral template which has a band characteristic with constant spectral sensitivity of the reference cell in a planar spectral response. moderate wavelength range, eg 500nm-600nm.
  • moderate wavelength range eg 500nm-600nm.
  • the energy content in the wavelength range from 500 nm to 600 nm of a solar simulator (or any radiation source) can be determined.
  • a set of specific spectral templates for corresponding wavelength ranges can determine the energy levels of a spectrum to perform a classification of a solar simulator according to IEC60904-9.
  • a further particular embodiment arises when, instead of a solar cell, a plurality of electrically isolated solar cells are installed in a precisely aligned manner and the electrical measurement of the output signals of the solar cells is made possible separately.
  • simultaneous measurements are possible, which allows a reduction in the number of spectral templates.
  • the spectral template expediently leads with its aperture effect to unirradiated parts of the solar cell.
  • undesired non-linearities can cause the non-irradiated part of the solar cell to act as parasitic resistance.
  • the ratio of unirradiated area to irradiated area can be improved.
  • a decisive advantage of a reference cell according to the invention lies in the (ideal typical) identical spectral sensitivity with the solar cell to be measured. This makes spectral corrections in the sense of the mismatch superfluous. An even more advantageous advantage results from the fact that the elaborate development and costly production of special solar cells can be avoided with the reference cell according to the invention. This applies in particular to the component cells which are used in the measurement of multiple solar cells, in particular for space applications. An example of this is the simulation of a spectral sensitivity of a GaAs subcell of a GalnP / GaAs / Ge triple junction solar cell.
  • the component cell is made with only one active pn junction in a special growth program (MOCVD), and the upper GaInP cell merely serves as a passive filter to emulate the desired spectral sensitivity.
  • MOCVD special growth program
  • a silicon solar cell as already used in the prior art for reference cells, can be used to simulate the GaAs subcell of the multi-junction solar cell. This reduces the production costs considerably. Any "deformed" curves of the spectral sensitivity of multiple solar cells due to degradation can easily be simulated by newly adapted spectral templates.
  • a multiplicity of spectral templates according to the invention can replace a corresponding number of conventional reference cells.
  • the reference cell according to the invention with a suitable set of spectral templates can be used for the spectral classification (eg according to IEC60904- 9 or DIS15387) of a solar simulator.
  • a pulsed irradiation can also be classified spectrally.
  • the invention solves a hitherto highly problematic metrological task, which is only solved by a few institutions worldwide, but is required in many places (according to IEC60904-9).
  • the reference cell according to the invention with a suitable set of spectral templates and / or a multiplicity of solar cells under the spectral template permit a multiplex method for determining spectral irradiance. In this way, a cost-effective spectrometer is created from the reference cells together with an evaluation method.

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Abstract

A reference solar cell serves as an optical and electrical reference object in measuring the output of solar cells under natural and artificial radiation (solar simulation) such as, for example, as described in IEC60904. A reference solar cell according to the invention comprises a solar cell (201) contained in a housing (200), the cell being selected with regard to (spectral) radiometric requirements. Moreover, a graduated filter (208) with location-dependent transmission (lines or bands) is attached to the solar cell (200), and a spectral screen (209) is provided that exposes part of the graduated filter (208) for the transmission of rays to the solar cell (200) such that, in the case of location-independent spectral radiation of the reference cell, a selective spectral sensitivity of the reference cell is achieved. This results in the improvement of the spectral adaptation of the reference solar cell to a spectral sensitivity of a test solar cell.

Description

REFERENZSOLARZELLE REFERENCE SOLAR CELL
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Referenzsolarzellen, die zur Bestimmung von photoelektrischen Kenngrössen im Bereich der Pho- tovoltaik, insbesondere im Bereich der Qualitätssicherung bei der Herstellung von Solarzellen und Solarmodulen bzw. bei der Auslegung solcher Bauelemente Verwendung finden.The present invention is concerned with reference solar cells, which are used for the determination of photoelectric characteristics in the field of photovoltaics, in particular in the field of quality assurance in the manufacture of solar cells and solar modules or in the design of such devices.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Die Forderung nach hoher und höchster Messgenauigkeit von elektrischen Kenngrößen von Solarzellen besteht von Seiten der Hersteller sowie Anwendern der Photovoltaik. Zentrale Schwierigkeit ist hierbei die Erzeugung und Messung optischer Strahlung im solaren Spektralbereich von 300nm-1200nm im engeren Sinne, 300nm-1900nm im weiteren Sinne und 250nm bis 4μm im weitesten Sinne.BACKGROUND OF THE INVENTION The demand for high and highest measuring accuracy of electrical characteristics of solar cells exists on the part of the manufacturers as well as users of photovoltaics. Central difficulty here is the generation and measurement of optical radiation in the solar spectral range of 300nm-1200nm in the strict sense, 300nm-1900nm in the broader sense and 250nm to 4μm in the broadest sense.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Die Verwendung von Referenzsolarzellen und ihre Kalibrierung ist aus der Veröffentlichung von S. Winter, T. Wittchen, J. Metzdorf: „PRI- MARY REFERENCE CELL CALIBRATION AT THE PTB BASED ON AN IMPROVED DSR FACILITY, Phys.-Techn. Bundesanstalt, Bundesallee 100, D-38116 Braunschweig, Germany, IEEE Conference, Glasgow, 2000 bekannt. Die Verwendung des spektralen Korrekturfaktors (spectral Mismatch) ist gemäß IEC60904-7 wohldefiniert. Es kommen den Referenzzellen zur Lö- sung der radiometrischen Aufgabenstellung (im Sinne des Mismatch) besondere Bedeutung zu. Allgemein wird die geforderte Messgenauigkeit von elektrischen Kenngrößen von Solarzellen durch die Anpassung der spektralen Empfindlichkeit einer Referenzzelle an die spektrale Empfindlichkeit einer zu testenden Solarzelle erreicht. Als Nachteil der bekannten Referenzsolarzellen kann die inhärente unveränderliche spektrale Empfindlichkeit betrachtet werden. Im Sinne geforderter höchster Messgenauigkeit wird der Mismatch zur Korrektur benutzt und/oder durch Auswahl einer passenden Referenzzelle aus einer Menge von Referenzzellen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit ein optimierter Mismatch erreicht. Der praktisch in allen Fällen verbleibende Korrekturfaktor (Mis- match) kann als ein Maß für die Messgenauigkeit herangezogen werden, obwohl die Diskussion differenziert sein muss.The use of reference solar cells and their calibration is described in the publication by S. Winter, T. Wittchen, J. Metzdorf: "PRIMARY REFERENCE CELL CALIBRATION AT PTB BASED ON AN IMPROVED DSR FACILITY, Phys.-Techn. Federal Institute, Bundesallee 100, D-38116 Braunschweig, Germany, IEEE Conference, Glasgow, 2000 known. The use of the spectral mismatch is well defined according to IEC60904-7. The reference cells are of particular importance for solving the radiometric task (in the sense of the mismatch). In general, the required measurement accuracy of electrical characteristics of solar cells is achieved by adapting the spectral sensitivity of a reference cell to the spectral sensitivity of a solar cell to be tested. As a disadvantage of the known reference solar cells, the inherent invariable spectral sensitivity can be considered. In the sense of the required highest measurement accuracy, the mismatch is used for the correction and / or an optimized mismatch is achieved by selecting a suitable reference cell from a set of reference cells with different spectral sensitivity. The mismatch remaining in virtually all cases can be used as a measure of measurement accuracy, although the discussion must be differentiated.
Die speziell entwickelte Referenzzelle mit Nachbildung einer spektralen Empfindlichkeit einer einzigen Teilzelle einer Mehrfachsolarzelle wird Komponentenzelle (component cell) genannt. Im Falle von Mehrfachsolarzellen für die Weltraumanwendung werden nach Stand der Technik die speziellen Komponentenzellen eigens für die Anwendung als Referenzzelle entwickelt (speziell gewachsene MOVPE-Strukturen; MOVPE = metall-organische Gasphasenepitaxie) und sind extrem aufwändig durch eigenständige Produktion einer geringen Anzahl. Die Beurteilung des Degradationsverhaltens (durch kosmische Strahlung, E- lektronen, Protonen, etc.), insbesondere die Abnahme der spektralen Empfindlichkeit und die Änderung des Verlaufs der spektralen Empfindlichkeit, ist von hohem Interesse und ist unmittelbar an die Messgenauigkeit von entsprechenden Proben (zur Vorhersage von Degradationen) gebunden. Da die spektrale Empfindlichkeit sich im erheblichen Maße durch Degradation ändert, ist auch • mit erhöhten Korrekturen durch den Mismatch undThe specially developed reference cell with a replica of a spectral sensitivity of a single subcell of a multiple solar cell is called a component cell. In the case of multiple solar cells for space application, the special component cells are specially developed for use as a reference cell (MOVPE specially grown MOVPE = metal-organic vapor phase epitaxy) and are extremely complex by independent production of a small number. The assessment of the degradation behavior (by cosmic radiation, electrons, protons, etc.), in particular the decrease of the spectral sensitivity and the change of the spectral sensitivity, is of great interest and is directly related to the accuracy of measurements of corresponding samples (for the prediction) of degradations). Since the spectral sensitivity changes considerably due to degradation, • also with increased corrections by the mismatch and
• damit einhergehender Abnahme der Messgenauigkeit bei den Proben und• concomitant decrease of the measuring accuracy of the samples and
• damit auch mit zunehmender Unsicherheit in den Vorhersagen zu rechnen, was insgesamt einen erheblichen Einfluss auf das Design eines Satelliten haben kann und von hohem wirtschaftlichen Interesse ist.• anticipating increasing uncertainty in the forecasts, which can have a significant overall impact on the design of a satellite and is of high economic interest.
Zusammenfassend kann die aufwendige Herstellung von Referenzzellen und speziell auch von Komponentenzellen und die dann naturgemäß un- veränderliche spektrale Empfindlichkeit als Nachteil des Standes der Technik gesehen werden.In summary, the costly production of reference cells and especially of component cells and the inherently unchanging spectral sensitivity can be seen as a disadvantage of the prior art.
Die Erfindung befasst sich mit der genauen Messung optoelektronischer Kenngrößen von Solarzellen und -modulen. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Referenzsolarzelle aufzuzeigen, welche die bekannten Mängel des Standes der Technik behebt und eine auf eine Testzelle planmäßig anpassbare spektrale Empfindlichkeit besitzt. Eine weitere Aufgabe ist die Herstellung einer Komponentensolarzelle, welche die spektrale Empfindlichkeit einer degradierten GaAs-Solarzelle in einer GalnP/GaAs/Ge-Dreifach-Solarzelle (GalnP/GaAs/Ge multi junction solar cell for space application) nachbildet .The invention is concerned with the exact measurement of optoelectronic characteristics of solar cells and modules. It is an object of the invention to provide a reference solar cell, which overcomes the known deficiencies of the prior art and a has on a test cell scheduled customizable spectral sensitivity. A further object is the production of a component solar cell, which simulates the spectral sensitivity of a degraded GaAs solar cell in a GalnP / GaAs / Ge triple solar cell (GalnP / GaAs / Ge multi junction solar cell for space application).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Die erfinderische Lösung beruht auf einer planmäßig wählbaren spekt- ralen Empfindlichkeit einer Referenzsolarzelle. Es gibt ein ähnliches Problem in der Photometrie, wie in der Schrift von D Gundlach, W. Hammer, ANPASSUNG EINES PHOTOVERVIELFACHERS AN DIE NORMSPEKTRALWERTFUNKTION NACH DEM SPEKTRALSCHABLONENVERFAHREN, Die Farbe 27, 1978/79, Nr. 1/6 (nachfolgend [Gundlach]) vorgestellt. Die erfin- dungsgemäße Änderung des optischen Aufbaus und erfindungsgemäße Ü- bertragung des genannten Verfahrens auf das neue Anwendungsziel "Anpassung einer Referenzsolarzelle an eine beliebige (aber feste) spektrale Empfindlichkeit einer zu prüfenden, (bsp. unter einem Solarsimulator) Solarzelle" führt zu einer SpektralSchablone, wie sie Bestandteil der erfindungsgemäßen Referenzzelle ist.The inventive solution is based on a selectable spectral sensitivity of a reference solar cell. There is a similar problem in photometry, as in the paper by D Gundlach, W. Hammer, Adaptation of a photofinisher to the standard spectral value function according to the spectral template method, color 27, 1978/79, No. 1/6 (hereinafter [Gundlach]) presented. The change according to the invention and the transmission according to the invention of said method to the new application objective "adaptation of a reference solar cell to any (but fixed) spectral sensitivity of a solar cell to be tested (for example under a solar simulator) leads to a spectral template , as it is part of the reference cell according to the invention.
Das Funktionsprinzip soll anhand Figur 1 erläutert werden. Strahlung mit hinreichender Ortsunabhängigkeit in spektraler und räumlicher Verteilung trifft auf die Referenzelle. Mit Durchstrahlung des nicht-dispergierenden Elementes eines Verlauffilters 208 wird die Strahlung hinsichtlich der spektralen Eigenschaften ortsaufgelöst. Eine Solarzelle mit hinreichender Homogenität 201 detektiert (er- fasst) das ortsaufgelöste Strahlungsgemisch mit der ihr eigenen inhärenten spektralen Empfindlichkeit und produziert einen ortsabhän- gigen Strom, der idealtypisch über die Fläche eingesammelt wird (e- lektrischer Verbinder 202) . Das Ausgangssignal ist zu verstehen als integraler Strom über die ortsaufgelöste Stromgeneration, hervorgerufen durch den ortsaufgelösten Transmissionsgrad des Verlauffilters 208. So besitzt das Ausgangssignal der Solarzelle mit Verlauffilter eine neue spektrale Empfindlichkeit, die durch die Geometrie der aktiven Fläche der Solarzelle im Vergleich zu den Geometrie des Ver- lauffilters planmäßig eingestellt werden kann. Eine geometrisch frei wählbare aktive Fläche der Solarzelle, z.B. mittels Zuschnitt der Solarzelle, in planmäßiger Positionierung im Verhältnis zum Verlauf- filter führt somit auf eine erfindungsgemäße Referenzzelle. Die technische Realisierung einer geometrisch frei wählbaren aktiven Fläche ist aufwändig und normalerweise schwer änderbar. Daher wird erfindungsgemäß auf eine SpektralSchablone 209 zugegriffen, die einen planmäßigen Anteil der Solarzelle 201 abdeckt, und so eine wählbare Geometrie der bestrahlten Fläche der Solarzelle ermöglicht. I- dealerweise verhält sich der abgeschattete Teil der Solarzelle e- lektrisch als Isolator. So kann mittels mechanisch (oder photolithographisch) hergestellter Spektralschablonen 209 (und ihrem einfachen Austausch) eine planmäßig einstellbare spektrale Empfindlichkeit der Referenzzelle erreicht werden. Voraussetzungen für Herstellung und Verwendung der erfindungsgemäßen Referenzzelle sind zum einen flächige Verlauffilter, die in jüngerer Zeit kostengünstig und großflächig hergestellt werden können und ferner (groß-) flächige Solarzellen, die den Anforderungen (z.B. Li- nearität) an einen (spektral ) radiometrischen Detektor genügen und vorzugsweise eine hinreichende ortsaufgelöste Homogenität hinsichtlich ihrer spektralen Empfindlichkeit haben. Weiters ist eine hinreichende Homogenität der spektralen Strahldichteverteilung des Sonnensimulators (der zu beurteilenden Strahlung) wichtig.The functional principle will be explained with reference to FIG. Radiation with sufficient spatial independence in spectral and spatial distribution meets the reference cell. By irradiation of the non-dispersing element of a gradient filter 208, the radiation is spatially resolved with respect to the spectral properties. A solar cell with sufficient homogeneity 201 detects (detects) the spatially resolved radiation mixture with its own inherent spectral sensitivity and produces a localized current that is typically collected across the surface (electrical connector 202). The output signal is to be understood as an integral current via the spatially resolved current generation, caused by the spatially resolved transmittance of the gradient filter 208. Thus, the output signal of the solar cell with graduated filter has a new spectral sensitivity which is determined by the geometry of the active surface of the solar cell compared to the geometry of the solar cell encryption run filters can be adjusted according to plan. A geometrically freely selectable active surface of the solar cell, for example by means of cutting the solar cell, in scheduled positioning in relation to the gradient filter thus leads to a reference cell according to the invention. The technical realization of a geometrically freely selectable active surface is complex and usually difficult to change. Therefore, according to the invention, a spectral template 209 is accessed, which covers a planned portion of the solar cell 201, and thus allows a selectable geometry of the irradiated surface of the solar cell. In some cases, the shadowed part of the solar cell behaves electrically as an insulator. Thus, by means of spectral templates 209 produced mechanically (or photolithographically) (and their simple exchange), a spectrally sensitive spectral sensitivity of the reference cell can be achieved. Prerequisites for the production and use of the reference cell according to the invention are, on the one hand, planar graduated filters, which can be produced inexpensively and over a large area in recent times, and also (large) flat solar cells, which meet the requirements (eg linearity) of a (spectral) radiometric detector and preferably have sufficient spatially resolved homogeneity with respect to their spectral sensitivity. Furthermore, a sufficient homogeneity of the spectral radiance distribution of the solar simulator (the radiation to be assessed) is important.
Damit sind konkurrierende Anforderungen an die Fläche gegeben, die für die Kombination Verlauffilter/Spektralschablone mit zunehmender Größe an Auflösungsvermögen gewinnt und jedoch gleichzeitig anfällig wird für die Ortsabhängigkeit der spektralen Bestrahlungsstärke, wie sie bei Sonnensimulatoren und allgemein bei jeder Strahlungsquelle unvermeidbar sind. Letzteres gilt es auch bei der Kalibrierung einer solchen Referenzzelle zu berücksichtigen.This gives rise to competing demands on the surface, which gains in resolution for the combination graduated filter / spectral template, but at the same time becomes susceptible to the spatial dependence of the spectral irradiance, which is unavoidable in solar simulators and generally in any radiation source. The latter is also to be considered in the calibration of such a reference cell.
Eine erfindungsgemäße Referenzzelle ähnelt im äußeren Erscheinungsbild und dem schematischen Aufbau der konventionellen Referenzzelle nach Stand der Technik. Ausführungsbeispiele des schematischen Auf- baus der erfindungsgemäßen Referenzzelle werden in den Zeichnungen 1-3 im Querschnitt sowie in Abbildungen 4-5 als Explosionszeichnung gezeigt. Dabei sind in den Zeichnungen folgende Elemente gezeigt:A reference cell according to the invention is similar in appearance and the schematic structure of the conventional reference cell according to the prior art. Exemplary embodiments of the schematic construction of the reference cell according to the invention are shown in the drawings 1-3 in cross-section and in Figures 4-5 shown as an exploded view. The following elements are shown in the drawings:
200 Gehäuse200 housings
201 Solarzelle 202 elektrische Verbinder der Solarzelle 203 Temperatursensor201 solar cell 202 electrical connector of the solar cell 203 temperature sensor
204 elektrische Verbinder (schematisch zusammengefasst) für den Temperatursensor204 electrical connectors (schematically summarized) for the temperature sensor
205 Peltierelement (auf elektrische Verbinder ist in der Zeichnung verzichtet)205 Peltier element (electrical connector is omitted in the drawing)
206 Vergussmasse, Kleber206 potting compound, adhesive
207 transparente Vergussmasse, transparenter Kleber207 transparent potting compound, transparent adhesive
208 Verlauffilter208 gradient filter
209 Spektralschablone 210 separates Gehäuse für einen Widerstand und Stecker bzw. Buchsen209 Spectral template 210 Separate housing for a resistor and plugs or sockets
211 Widerstand211 resistance
212 Schrauben für die Befestigung des separaten Gehäuses 210212 screws for mounting the separate housing 210
213 Öffnung des Gehäuses 200 zur Durchführung der elektrischen Verbinder in das separate Gehäuse 210 zur Erreichung von Stecker bzw. Buchsen213 Opening of the housing 200 for carrying out the electrical connector in the separate housing 210 to achieve plugs or sockets
214 Buchsen bzw. Stecker für den elektrischen Kontakt zur Solarzelle, zum Temperatursensor und zum Peltierelement214 sockets or plugs for electrical contact to the solar cell, the temperature sensor and the Peltier element
215 Passstifte im Gehäuse 200215 dowel pins in housing 200
216 Passlöcher in der Spektralschablone216 pass holes in the spectral template
AUSFÜHRUNGSFORMENEMBODIMENTS
Zentrale Bestandteile im Sinne der Erfindung sind der Verlauffilter 208 und die Spektralschablone 209. Der Verlauffilter besitzt vorzugsweise eine Linien- oder Bandentransmission in einem Spektralbe- reich, der die geforderte spektrale Empfindlichkeit überdeckt. So ist der Verlauf-Interferenzfilter VERIL BL 200 (Verlaufsbereich 400nm-1000nm) geeignet, als Filter für eine Silizium-Solarzelle (Empfindlichkeitsbereich: 300nm-1150nm) eingesetzt zu werden, um die spektrale Empfindlichkeit einer GaAs-Teilzelle (Empfindlichkeitsbe- reich: 670nm-900nm) einer GalnP/GaAs/Ge-Weltraumsolarzelle (gesamter Empfindlichkeitsbereich: 300nm-1900nm) nachzubilden. Diese Kombination ist auch geeignet, um die spektrale Empfindlichkeit der unteren Teilzelle einer sogenannten micro-morphen Silizium- Solarzelle nachzubilden.Central components within the meaning of the invention are the graduated filter 208 and the spectral template 209. The graduated filter preferably has a line or band transmission in a spectral range which covers the required spectral sensitivity. The gradient interference filter VERIL BL 200 (gradient range 400nm-1000nm) is suitable for use as a filter for a silicon solar cell (sensitivity range: 300nm-1150nm) to measure the spectral sensitivity of a GaAs subcell (sensitivity range: 670nm- 900nm) of a GalnP / GaAs / Ge space solar cell (total sensitivity range: 300nm-1900nm). This combination is also suitable for simulating the spectral sensitivity of the lower part cell of a so-called micro-morph silicon solar cell.
Geeignete Verlauffilter mit einem Verlaufsbereich, die bereits bei 300nm beginnen und den Spektralbereich bis 1200nm abdecken, sind aus dem Handel nicht bekannt, jedoch prinzipiell herstellbar. Das gleiche gilt für den weitesten hier interessierenden Spektralbereich der solaren Strahlung von 250nm bis 4μm.Suitable graduated filters with a graduated area, which already start at 300 nm and cover the spectral range up to 1200 nm, are not known from commerce, but can be produced in principle. The same applies to the broadest spectral range of solar radiation of 250nm to 4μm of interest here.
Die Herstellung von Verlauffilter im Tauchverfahren, speziell SoI- GeI-Tauchverfahren, haben das technische Potential derartige Filter für die besagten Spektralbereiche hervorzubringen. Die Charakterisierung des Verlauffilter umfasst im wesentlichenThe production of graduated filters in the dipping process, especially SoI-GeI dipping processes, have the technical potential to produce such filters for the said spectral ranges. The characterization of the graduated filter essentially comprises
- den maximalen örtlichen spektralen Transmissionsgrad τ (I,λ)max - the maximum local spectral transmittance τ (I, λ) max
- die örtliche Halbwertsbreite HW(I)- the local half width HW (I)
- spektrale Halbewertsbreite HW (λ)spectral half-width HW (λ)
Die aus [Gundlach] bekannte Behandlung der Charakterisierung muss auf die besagten Spektralbereiche ausgedehnt werden.The characterization treatment known from [Gundlach] must be extended to the said spectral ranges.
Es sei darauf hingewiesen, dass an den Verlauffilter nicht ausschließlich die Forderung gestellt wird, einen örtlichen spektralen Transmissionsgrad für Linien oder Banden besitzen zu müssen. Allgemein ist auch ein Verlauffilter mit Passfilter-Charakteristik mit ortsabhängiger Flanke möglich. Auch jeder andere beliebige ortsabhängige Transmissionsgrad kann erfolgreich eingesetzt werden. Auch die Kombination mit Vollfiltern ist möglich.It should be noted that it is not exclusively the requirement to have a local spectral transmittance for lines or bands to the graduated filter. In general, a gradient filter with a pass-filter characteristic with a position-dependent edge is also possible. Any other location-dependent transmittance can also be used successfully. The combination with full filters is possible.
Die Herstellung der Spektralschablone hinsichtlich der Geometrie der Blendenöffnung erfolgt mittels der Charakterisierung numerisch sowie empirisch und iterativ.The production of the spectral template with respect to the geometry of the aperture is carried out by means of characterization numerically and empirically and iteratively.
Als weiteres Ausführungsbeispiel wird hier eine Referenzzelle (mit geeignetem Filter und geeigneter Solarzelle) mit einem Satz spezieller Spektralschablonen genannt. So ist es möglich, eine spezielle Spektralschablone zu fertigen, die eine Band-Charakteristik mit konstanter spektraler Empfindlichkeit der Referenzzelle in einem plan- mäßigen Wellenlängenbereich, z.B. 500nm-600nm herstellt. So kann nach geeigneter Kalibrierung der Referenzzelle der Energiegehalt in dem Wellenlängenbereich von 500nm bis 600nm eines Sonnensimulators (oder einer beliebigen Strahlungsquelle) ermittelt werden. Ein Satz spezieller Spektralschablonen für entsprechende Wellenlängenbereiche kann die Energiegehalte eines Spektrums bestimmen, um eine Klassifizierung eines Sonnensimulators gemäß IEC60904-9 durchzuführen. Da die Flankensteilheit beschränkt ist, kann die idealtypische konstante spektrale Empfindlichkeit an den besagten Wellenlängenbe- reichsgrenzen nicht sprunghaft verschwinden. Eine Fehlerabschätzung für diese Weise der Energiegehaltsmessung erhält man durch Messungen mittels weiterer SpektralSchablonen, die genau an den genannten Wellenlängenbereichsgrenzen (im Beispiel um 500nm und um 600nm) eine schmalbandige spektrale Empfindlichkeit der Referenzzelle generiert. So hat der vollständige Satz von SpektralSchablonen für die Klassifizierung eines Spektrums gemäß IEC60904-9As a further embodiment, a reference cell (with a suitable filter and a suitable solar cell) with a set of special spectral templates is mentioned here. It is thus possible to produce a special spectral template which has a band characteristic with constant spectral sensitivity of the reference cell in a planar spectral response. moderate wavelength range, eg 500nm-600nm. Thus, after suitable calibration of the reference cell, the energy content in the wavelength range from 500 nm to 600 nm of a solar simulator (or any radiation source) can be determined. A set of specific spectral templates for corresponding wavelength ranges can determine the energy levels of a spectrum to perform a classification of a solar simulator according to IEC60904-9. Since the edge steepness is limited, the ideal-typical constant spectral sensitivity at the said wavelength range limits can not abruptly disappear. An error estimate for this method of energy content measurement is obtained by measurements using further spectral templates which generate a narrow-band spectral sensitivity of the reference cell precisely at the stated wavelength range limits (in the example by 500 nm and by 600 nm). So has the full set of spectral templates for the classification of a spectrum according to IEC60904-9
- 6 Spektralschablonen für die Wellenlängenbereiche 400nm-500nm, 500nm-600nm, 600nm-700nm, 700nm-800nm, 800nm-900nm. 900nm-1100nm zur Energiegehaltsbestimmung und - 7 SpektralSchablonen für die Bereichsgrenzen um 400nm, 500nm,- 6 spectral templates for the wavelength ranges 400nm-500nm, 500nm-600nm, 600nm-700nm, 700nm-800nm, 800nm-900nm. 900nm-1100nm for energy content determination and - 7 spectral templates for the range limits around 400nm, 500nm,
600nm, 700nm, 800nm, 900nm, llOOnm zur Fehlerabschätzung der Energiegehaltsmessung .600nm, 700nm, 800nm, 900nm, llOOnm for error estimation of the energy content measurement.
Ein weiteres besonderes Ausführungsbeispiel entsteht, wenn anstelle einer Solarzelle gleich mehrere elektrisch getrennte Solarzellen passgenau aneinandergereiht installiert werden und die elektrische Messung der Ausgangssignale der Solarzellen getrennt ermöglicht ist. Damit sind Simultanmessungen möglich, die eine Reduktion der Anzahl der Spektralschablonen erlaubt. Mathematisch ergibt sich bei ideal- typischer Betrachtung kein Unterschied. Jedoch kann die Aufteilung in eine Mehrzahl von Solarzellen einen unerwünschten Effekt kompensieren: Die Spektralschablone führt zweckmäßig mit ihrer Blendenwirkung zu nicht bestrahlten Teilen der Solarzelle. Zu unerwünschten Nicht-Linearitäten kann jedoch der nicht bestrahlte Teil der Solar- zelle als parasitärer Widerstand führen. Durch mehrere Solarzellen kann das Verhältnis von unbestrahlter Fläche zu bestrahlter Fläche verbessert werden.A further particular embodiment arises when, instead of a solar cell, a plurality of electrically isolated solar cells are installed in a precisely aligned manner and the electrical measurement of the output signals of the solar cells is made possible separately. Thus, simultaneous measurements are possible, which allows a reduction in the number of spectral templates. Mathematically, there is no difference in the ideal-typical view. However, the division into a plurality of solar cells can compensate for an undesirable effect: The spectral template expediently leads with its aperture effect to unirradiated parts of the solar cell. However, undesired non-linearities can cause the non-irradiated part of the solar cell to act as parasitic resistance. Through several solar cells The ratio of unirradiated area to irradiated area can be improved.
WEITERE VORTEILE DER ERFINDUNG Ein entscheidender Vorteil von einer erfindungsgemäßen Referenzzelle liegt in der (idealtypischen) identischen spektralen Empfindlichkeit mit der zu vermessenden Solarzelle. Damit werden spektrale Korrekturen im Sinne des Mismatch überflüssig. Ein noch höherwertiger Vorteil ergibt sich dadurch, dass mit der er- findungsgemäßen Referenzzelle die aufwendige Entwicklung und kostspielige Produktion von speziellen Solarzellen umgangen werden kann. Dies trifft insbesondere auf die Komponentenzellen zu, die bei Messung von Mehrfachsolarzellen insbesondere für die Weltraumanwendung eingesetzt werden. Als Beispiel sei die Nachbildung einer spektralen Empfindlichkeit einer GaAs-Teilzelle einer GalnP/GaAs/Ge-Dreifach- Solarzelle (triple junction solar cell) genannt. Nach Stand der Technik wird die Komponentenzelle mit nur einem aktiven pn-Übergang in einem speziellen Wachstumsprogramm (MOCVD) hergestellt und die obere Zelle aus GaInP dient lediglich als passiver Filter zur Nach- bildung der gewünschten spektralen Empfindlichkeit. Mit der erfindungsgemäßen Referenzzelle kann eine Silizium-Solarzelle, wie sie bereits nach Stand der Technik für Referenzzellen verwendet wird, zur Nachbildung der GaAs-Teilzelle der Mehrfachsolarzelle verwendet werden. Damit sinken die Herstellungskosten erheblich. Etwaige "de- formierte" Kurven der spektralen Empfindlichkeit von Mehrfachsolarzellen durch Degradationen können einfach durch neu angepasste Spektralschablonen nachgebildet werden.FURTHER ADVANTAGES OF THE INVENTION A decisive advantage of a reference cell according to the invention lies in the (ideal typical) identical spectral sensitivity with the solar cell to be measured. This makes spectral corrections in the sense of the mismatch superfluous. An even more advantageous advantage results from the fact that the elaborate development and costly production of special solar cells can be avoided with the reference cell according to the invention. This applies in particular to the component cells which are used in the measurement of multiple solar cells, in particular for space applications. An example of this is the simulation of a spectral sensitivity of a GaAs subcell of a GalnP / GaAs / Ge triple junction solar cell. In the prior art, the component cell is made with only one active pn junction in a special growth program (MOCVD), and the upper GaInP cell merely serves as a passive filter to emulate the desired spectral sensitivity. With the reference cell according to the invention, a silicon solar cell, as already used in the prior art for reference cells, can be used to simulate the GaAs subcell of the multi-junction solar cell. This reduces the production costs considerably. Any "deformed" curves of the spectral sensitivity of multiple solar cells due to degradation can easily be simulated by newly adapted spectral templates.
Allgemein kann eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Spektralschablonen eine entsprechende Anzahl konventioneller Referenzzellen erset- zen.In general, a multiplicity of spectral templates according to the invention can replace a corresponding number of conventional reference cells.
Die erfindungsgemäße Referenzzelle mit geeignetem Satz von Spektralschablonen kann zur spektralen Klassifizierung (z.B. gemäß IEC60904- 9 oder DIS15387) eines Sonnensimulators herangezogen werden. So kann insbesondere auch eine gepulste Bestrahlung spektral klassifiziert werden. Damit löst die Erfindung eine bislang höchstproblematische messtechnische Aufgabe, die weltweit lediglich von wenigen Instituten gelöst wird, jedoch vielerorts (gemäß IEC60904-9) gefordert wird.The reference cell according to the invention with a suitable set of spectral templates can be used for the spectral classification (eg according to IEC60904- 9 or DIS15387) of a solar simulator. In particular, a pulsed irradiation can also be classified spectrally. Thus, the invention solves a hitherto highly problematic metrological task, which is only solved by a few institutions worldwide, but is required in many places (according to IEC60904-9).
Die erfindungsgemäße Referenzzelle mit geeignetem Satz von Spektral- Schablonen und/oder einer Vielzahl von Solarzellen unter der Spektralschablone erlauben ein Multiplexverfahren zu Ermittlung von spektralen Bestrahlungsstärken. So entsteht aus den Referenzzellen zusammen mit einem Auswerteverfahren ein kostengünstiges Spektrome- ter. The reference cell according to the invention with a suitable set of spectral templates and / or a multiplicity of solar cells under the spectral template permit a multiplex method for determining spectral irradiance. In this way, a cost-effective spectrometer is created from the reference cells together with an evaluation method.

Claims

ANSPRUCHE
1. Referenzsolarzelle mit im wesentlichen einer in einem Gehäuse1. Reference solar cell with essentially one in a housing
(200) gefassten Solarzelle (201) , die hinsichtlich (spektral-) radiometrischer Anforderungen ausgewählt ist, insbesondere Li- nearität und Bandbreite und Verteilung der spektralen Empfindlichkeit, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verlauffilter (208) mit ortsabhängiger Transmission (Linien oder Banden) auf die Solarzelle (200) aufgebracht ist und eine zusätzlich aufge- brachte Spektralschablone (209) einen Teil des Verlauffilters (208) zur Transmission von Strahlung auf die Solarzelle (200) freigibt, so dass bei ortsunabhängiger spektraler Bestrahlung der Referenzzelle eine wählbare spektrale Empfindlichkeit der Referenzzelle resultiert.(200) composed solar cell (201) which is selected in terms of (spectral) radiometric requirements, in particular linearity and bandwidth and distribution of the spectral sensitivity, characterized in that a history filter (208) with location-dependent transmission (lines or bands) on the solar cell (200) is applied and an additionally applied spectral template (209) releases a part of the gradient filter (208) for the transmission of radiation to the solar cell (200) so that, with spatially independent spectral irradiation of the reference cell, a selectable spectral sensitivity of the reference cell results.
2. Referenzzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (201) , der Verlauffilter (208) und die Spektralschablone (209) minimalen Abstand zueinander haben und insbesondere die Solarzelle (201) und der Filter (208) miteinander verklebt sind.2. Reference cell according to claim 1, characterized in that the solar cell (201), the graduated filter (208) and the spectral template (209) have minimal distance from each other and in particular the solar cell (201) and the filter (208) are glued together.
3. Referenzzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spektralschablone (209) entweder unmittelbar zwischen Solarzelle (201) und Verlauffil- ter (208) befindet oder auf eine Kombination von Solarzelle3. Reference cell according to one or more of claims 1-2, characterized in that the spectral template (209) is either directly between solar cell (201) and gradient filter ter (208) or on a combination of solar cell
(201) und Verlauffilter (208) aufgebracht ist.(201) and graduated filter (208) is applied.
4. Referenzzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauffilter (208) ein Interfe- renzverlauffilter ist und insbesondere im SoI-GeI- Tauchverfahren hergestellt ist.4. reference cell according to one or more of claims 1-3, characterized in that the graduated filter (208) is an interference gradient filter and in particular in the SoI-GeI- dipping method is produced.
5. Referenzzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralschablone (209) als kör- perliche ebene flächige Blende ausgebildet ist, die eine oder mehrere freie Öffnungen (zusammen eine ortsabhängige Blenden- Öffnung) aufweist, um besagte Strahlung passieren zu lassen und an den planmäßig auszublendenden Bereichen vorzugsweise vollständig die Strahlung absorbiert.5. reference cell according to one or more of claims 1-4, characterized in that the spectral template (209) is formed as a physical flat planar aperture, one or more free openings (together a location-dependent aperture Opening) in order to allow said radiation to pass through and preferably fully absorb the radiation at the areas to be planatically blanked out.
6. Referenzzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralschablone (209) so mit dem Gehäuse der Referenzzelle verbunden wird, dass einerseits eine dauerhaft fixierte und damit radiometrisch kalibrierbare Einheit aus Solarzelle, Verlauffilter und SpektralSchablone entsteht und anderseits die Spektralschablone (208) von dem Gehäuse der Referenzzelle auf einfache Weise wieder gelöst und beliebig häufig auch wieder mit reproduzierbarer Position aufgebracht werden kann.6. reference cell according to one or more of claims 1-5, characterized in that the spectral template (209) is connected to the housing of the reference cell, on the one hand, a permanently fixed and thus radiometrically calibratable unit of solar cell, graduated filter and SpektralSchablone arises and on the other hand the spectral template (208) can be loosened from the housing of the reference cell in a simple manner and applied as often as desired again with a reproducible position.
7. Referenzzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die SpektralSchablone (209) bewegliche Blendenteile besitzt, die reproduzierbare mechanische Änderungen der Blendenöffnung zulassen und damit die Referenzzelle eine einstellbare spektrale Empfindlichkeit hat.7. reference cell according to one or more of claims 1-6, characterized in that the SpektralSchablone (209) has movable diaphragm parts that allow reproducible mechanical changes of the aperture and thus the reference cell has an adjustable spectral sensitivity.
8. Referenzzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spektralschablone (209) so gewählt ist, dass die resultierende spektrale Empfindlichkeit in einem planmäßigen Wellenlängenintervall konstant ist und damit die resultierende Referenzzelle geeignet ist, den Energiegehalt eines Wellenlängenbereiches eines Spektrums zu bestimmen.8. reference cell according to one or more of claims 1-7, characterized in that the spectral template (209) is selected so that the resulting spectral sensitivity is constant in a scheduled wavelength interval and thus the resulting reference cell is suitable, the energy content of a wavelength range of To determine spectrum.
9. Referenzzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Satz von planmäßig gewählten Spektralschablonen vorgesehen ist, mit dem die Energiegehalte eines Spektrums in bestimmten Wellenlängenbereichen ermittelt werden und so eine Klassifizierung eines Sonnensimulators oder einer beliebigen Strahlungsquelle erlauben.9. reference cell according to one or more of claims 1-8, characterized in that a set of scheduled spectral templates is provided, with which the energy contents of a spectrum in certain wavelength ranges are determined, thus allowing a classification of a solar simulator or any radiation source.
10. Referenzzelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer Solarzelle (201) eine Vielzahl von elektrisch getrennten Solarzellen passgenau aneinandergereiht sind und so eine Simultanmessung der Solarzellen ermöglicht wird.10. reference cell according to one or more of claims 1-9, characterized in that instead of a solar cell (201) a large number of electrically separated solar cells are lined up precisely matching each other and thus a simultaneous measurement of the solar cells is made possible.
11. Referenzsolarzelle gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzsolarzelle mit einem Temperatursensor ausgestattet ist. 11. Reference solar cell according to one or more of claims 1-10, characterized in that the reference solar cell is equipped with a temperature sensor.
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