กระจกคลุมเซลล์แสงอาทิตย์สำหรับอวกาศ: ทำไมต้องซีเรียม และจะอ่านค่าอย่างไร

คำตอบสั้น: เซลล์สุริยะอวกาศถูกคลุมด้วยกระจกหนาหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร และกระจกนี้เป็นส่วนหนึ่งของการออกแบบเชิงแสงมากกว่าจะเป็นเพียงบรรจุภัณฑ์ มีการเติมซีเรียมลงไปเพราะมันดูดกลืนรังสียูวีช่วงคลื่นสั้นก่อนที่แสงนั้นจะไปถึงกาวด้านล่าง และเพราะมันช่วยให้กระจกยังคงส่งผ่านแสงได้หลังจากผ่านการฉายรังสีหลายปี การอ่านเอกสารข้อมูลกระจกคลุมหมายถึงการอ่านตัวเลขสามชนิดที่แตกต่างกัน ได้แก่ ค่าเฉลี่ยช่วงแถบ ค่าที่ความยาวคลื่นเดียว และค่าตัดขาดที่กำหนดไว้

อาร์เรย์สุริยะในวงโคจรมีหน้าที่เดียว คือเปลี่ยนแสงอาทิตย์เป็นกระแสตราบเท่าที่ภารกิจยังดำเนินอยู่ ทุกสิ่งระหว่างดวงอาทิตย์กับสารกึ่งตัวนำล้วนแต่ปกป้องเซลล์หรือทำให้อาร์เรย์สูญเสียกำลัง และกระจกคลุมทำทั้งสองอย่างพร้อมกัน มันเป็นชิ้นส่วนเชิงแสงชิ้นแรกในระบบและเป็นชิ้นเดียวที่ต้องทนต่อสภาพแวดล้อมโดยสัมผัสโดยตรง

บทบาทคู่กันนี้เองที่ทำให้การเลือกกระจกคลุมเป็นเรื่องยุ่งยาก กระจกที่หนาขึ้นจะป้องกันเซลล์จากอนุภาคมีประจุและเพิ่มมวลให้กับโครงสร้างที่มักจำกัดด้วยมวล การดูดกลืนรังสียูวีช่วยปกป้องกาวด้านล่างและกำจัดแสงที่เซลล์ไม่ได้ใช้ประโยชน์อย่างมีประสิทธิภาพอยู่แล้ว แต่กลไกการดูดกลืนเดียวกันนี้อาจตัดความยาวคลื่นที่มีประโยชน์ออกไปหากออกแบบมากเกินไป

หน้านี้ติดตามเส้นทางแสงจากผิวหน้ากระจกไปจนถึงเส้นโค้ง I-V ของเซลล์ที่ประกอบแล้ว ครอบคลุมสิ่งที่ซีเรียมทำภายในกระจก วิธีอ่านตัวเลขในเอกสารข้อมูลที่อธิบายถึงมัน และการที่การสูญเสียที่ความยาวคลื่นหนึ่งกลายเป็นการสูญเสียกระแสในเซลล์ที่มีชั้นดูดกลืนมากกว่าหนึ่งชั้น

สิ่งที่แสงผ่านก่อนไปถึงเซลล์

แสงอาทิตย์ที่มาถึงอาร์เรย์สุริยะจะพบกระจกคลุมก่อน จากนั้นจึงเป็นกาวใส แล้วจึงเป็นเซลล์ กระจกมีความบาง วัดเป็นหนึ่งในสิบของมิลลิเมตร และทำหน้าที่สองอย่างพร้อมกัน คือทนต่อสภาพแวดล้อมอวกาศด้านนอก และยอมให้แสงที่เซลล์ออกแบบมาใช้ผ่านได้ ปริมาณรังสียูวีช่วงคลื่นสั้นที่มันกำจัดออกและปริมาณแสงที่มีประโยชน์ที่มันเก็บไว้ล้วนปรากฏให้เห็นในสมรรถนะของชุดประกอบสำเร็จรูป

กาวคือเหตุผลที่คำถามเรื่องรังสียูวีมีความสำคัญ มันต้องคงยึดติดและโปร่งใสตลอดอายุภารกิจ และภายใต้การส่องสว่างที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมอวกาศอื่น ๆ มันอาจมืดลง ชั้นกาวที่มืดลงจะลดสิ่งที่ไปถึงเซลล์ ซึ่งปรากฏเป็นการลดลงของกระแส กาวที่เป็นตัวเลือกได้รับการคัดกรองโดยการวางไว้ระหว่างแผ่นกระจกสองแผ่นและทำการจำลองสภาพแวดล้อมเป็นเวลานาน โดยใช้การเปลี่ยนแปลงของสีและการส่งผ่านเป็นเกณฑ์การประเมิน การทดสอบแบบนั้นวัดกาว ไม่ใช่วัดกระจก

จากนั้นต้องแยกกระบวนการสองอย่างออกจากกัน การกรองเกิดขึ้นตั้งแต่วันแรกที่กระจกคลุมถูกยึดติด: มันเปลี่ยนสเปกตรัมที่ไปถึงกาวทันทีและอย่างถาวร การเสื่อมสภาพเกิดขึ้นบนนาฬิกาที่ช้ากว่า: กาวอาจสูญเสียการส่งผ่านเมื่อผ่านการส่องสว่างหลายปี และตัวกระจกเองอาจมืดลง ดังนั้นชุดกระจก-กาว-เซลล์เดียวกันจึงต้องมีการวัดเริ่มต้นและการวัดสมรรถนะที่คงเหลือหลังการทดสอบสภาพแวดล้อมที่กำหนดไว้ และทั้งสองอย่างใช้แทนกันไม่ได้

ทำไมต้องซีเรียม และรังสียูวีถูกหยุดที่ใด

แสงอาทิตย์ครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นกว้าง และปลายช่วงคลื่นสั้นมีพลังงานต่อโฟตอนมากกว่า สองแถบที่มีความสำคัญในที่นี้คือ UV-B ตั้งแต่ 280 ถึง 315 นาโนเมตร และ UV-A ตั้งแต่ 315 ถึง 400 นาโนเมตร ความสัมพันธ์โดยประมาณระหว่างความยาวคลื่นกับพลังงานโฟตอนคือ E ≈ 1240/λ โดย E มีหน่วยเป็นอิเล็กตรอนโวลต์และ λ มีหน่วยเป็นนาโนเมตร ซึ่งทำให้โฟตอนที่ 300 นาโนเมตรมีค่าประมาณ 4.13 eV และโฟตอนที่ 400 นาโนเมตรมีค่าประมาณ 3.10 eV

พลังงานส่วนเกินต่อโฟตอนนี้เองที่ขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีแสงในวัสดุ กาวเป็นชิ้นส่วนที่รับผลมากที่สุด และมีแนวทางวิศวกรรมที่ได้รับการยอมรับสองแนวทางในการกันมันออกไป แนวทางหนึ่งคือกระจกคลุมฟิวส์ซิลิกาซึ่งส่งผ่านแสงได้ดีในย่านรังสียูวี พร้อมเคลือบบนผิวที่สะท้อนความยาวคลื่นช่วงสั้นออกไป อีกแนวทางหนึ่งคือกระจกโบโรซิลิเกตที่เจือด้วยซีเรียม ซึ่งดูดกลืนความยาวคลื่นเหล่านั้นภายในวัสดุก่อนที่มันจะไปถึงกาว ทั้งสองแนวทางแก้ปัญหาเดียวกันบนเส้นทางแสงเดียวกัน แต่ที่ตำแหน่งต่างกันในชั้นซ้อน

คำถามในการออกแบบคือความยาวคลื่นใดถูกกำจัดออกและความยาวคลื่นใดถูกเก็บไว้ แสงที่มองเห็นและอินฟราเรดใกล้มีส่วนทำให้เกิดโฟโตกระแสส่วนใหญ่ในเซลล์ซิลิคอนหรือแกลเลียมอาร์เซไนด์ ดังนั้นกระจกต้องคงความโปร่งใสในย่านนั้น และตำแหน่งของขอบการกรองจะเลื่อนไปตามองค์ประกอบของกระจก ความหนา และกระบวนการผลิต กระจกคลุมที่ดูดกลืนลึกเข้าไปในย่านที่มองเห็นมากเกินไปจะปกป้องกาวแต่ทำให้อาร์เรย์สูญเสียกำลัง

ผลสองประการของซีเรียม บนสองมาตราเวลา

ซีเรียมทำหน้าที่ที่สองซึ่งไม่เกี่ยวกับสเปกตรัม ณ เวลาส่งมอบ อนุภาคพลังงานสูงและรังสียูวีเข้มข้นสามารถสร้างข้อบกพร่องที่ดูดกลืนแสงใหม่ภายในกระจก ซึ่งจะค่อย ๆ มืดลงและมักเรียกว่าการมืดลงจากรังสีหรือการเสื่อมสภาพจากรังสี องค์ประกอบที่เกี่ยวข้องกับซีเรียมช่วยยับยั้งการเปลี่ยนแปลงนั้น ทำให้กระจกเก็บการส่งผ่านได้มากกว่ากระจกที่ไม่เจือเมื่อผ่านการฉายรังสี

ผลสองประการนี้วัดแตกต่างกัน การกรองเริ่มต้นอ่านได้จากสเปกตรัมการส่งผ่านของกระจกตามที่ผลิตขึ้น รวมถึงตำแหน่งที่มันเริ่มยอมให้ความยาวคลื่นช่วงสั้นผ่าน ส่วนการคงอยู่ของสมรรถนะอ่านได้โดยการวัดกระจกเดียวกันก่อนและหลังการฉายรังสีที่กำหนดไว้ ในย่านที่เซลล์ใช้จริง กระจกคลุมอาจแข็งแกร่งด้านหนึ่งและอ่อนอีกด้านหนึ่ง ซึ่งเป็นเหตุผลที่ตัวเลขทั้งสองควรอยู่ในการเปรียบเทียบ

สิ่งที่ซีเรียมทำภายในกระจก

ซีเรียมเข้าสู่การหลอมกระจกพร้อมกับวัตถุดิบอื่น ๆ และอาจอยู่ในสถานะออกซิเดชันได้มากกว่าหนึ่งสถานะ สองสถานะที่มีความสำคัญคือ Ce³⁺ และ Ce⁴⁺. สถานะวาเลนซ์เปลี่ยนระดับพลังงานที่อิเล็กตรอนเข้าถึงได้ และดังนั้นจึงเปลี่ยนว่าโฟตอนใดที่วัสดุสามารถดูดกลืนได้ องค์ประกอบของกระจก สภาวะรีดอกซ์ระหว่างการหลอมและการแปรรูปในภายหลัง ล้วนมีอิทธิพลต่อสมดุลระหว่างทั้งสอง ซึ่งเป็นเหตุผลที่กระจกเจือซีเรียมสองชนิดสามารถมีเส้นโค้งการส่งผ่านที่แตกต่างกัน

เส้นทางการดูดกลืนหนึ่งคืออิเล็กตรอนในไอออน Ce³⁺ ที่ดูดกลืนโฟตอนและเคลื่อนจากระดับ 4f ที่ต่ำกว่าไปยังระดับ 5d ส่วนที่สองมาจากการถ่ายโอนประจุที่เกี่ยวข้องกับ Ce⁴⁺โดยที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ระหว่างสถานะที่เกี่ยวข้องกับไอออนต่างกัน ทั้งสองกระบวนการใช้โฟตอนที่มีพลังงานสอดคล้องกัน และทั้งสองให้แถบการดูดกลืนที่มีตำแหน่งและความเข้มขึ้นอยู่กับแก้วแม่ สำหรับกระจกปิดหน้าจอเชิงพาณิชย์ ประสิทธิภาพการกรองตัดสินจากสเปกตรัมการส่งผ่านที่วัดได้ของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปมากกว่าจากสูตรส่วนผสม

พฤติกรรมการฟื้นตัวมีกลไกของตัวเอง หลังการฉายรังสี อิเล็กตรอนและช่องว่างที่พวกมันทิ้งไว้สามารถถูกกักโดยโครงสร้างเฉพาะที่ในแก้วและเกิดเป็นศูนย์ดูดกลืนใหม่ ซึ่งเป็นสิ่งที่ตาเห็นเป็นการมืดลง การทดลองกับแก้วโพแทสเซียมแบเรียมซิลิเกตที่รายงานในปี 1962 ฉายรังสีแกมมาให้ตัวอย่างมีระดับการเกิดสีเท่ากัน แล้วเปรียบเทียบว่าจางลงเร็วเพียงใด ตัวอย่างที่มี Ce มากกว่า³⁺ จางลงเร็วกว่า และคำอธิบายที่เสนอคือซีเรียมส่งเสริมการรวมตัวกลับของอิเล็กตรอนและโฮล ทำให้ข้อบกพร่องที่ดูดกลืนถูกกำจัดออกไปเรื่อย ๆ นั่นคือกลไกหนึ่งเบื้องหลังการฟื้นตัว สิ่งที่กำหนดสเปกสำหรับกระจกปิดหน้าจออวกาศคือการส่งผ่านที่ยังคงเหลืออยู่หลังการฉายรังสีตามที่กำหนด วัดก่อนและหลังบนแก้วเดียวกัน

เอกสารข้อมูลวัสดุและเอกสารข้อมูลผลิตภัณฑ์ก็ทำงานในสองระดับที่ต่างกัน ตารางองค์ประกอบอาจระบุสัดส่วนมวลของซีเรียมออกไซด์ในชุดออกไซด์ดิบ ซึ่งอธิบายระบบวัสดุ ค่าการส่งผ่านระบุผลลัพธ์ทางทัศนศาสตร์หลังการผลิตแก้ว สำหรับการเปรียบเทียบกระจกปิดหน้าจอสำเร็จรูปสองชนิด ความหนา สเปกตรัมการส่งผ่าน และการเปลี่ยนแปลงหลังการฉายรังสีคือสิ่งที่การเปรียบเทียบควรยึดถือ

วิธีอ่านหนึ่งแถวของเอกสารข้อมูล

การส่งผ่านที่ความยาวคลื่นหนึ่ง ๆ คืออัตราส่วนของกำลังแสงที่ออกจากตัวอย่างต่อกำลังที่เข้าสู่ตัวอย่าง ในรูปแบบการวัดที่เอกสารข้อมูลกำหนด ค่าที่อ่านได้ 91.3% ที่ 400 นาโนเมตรหมายความว่า ในรูปแบบนั้น จากแสง 100 ส่วนที่เข้าที่ความยาวคลื่นนั้น ประมาณ 91.3 ส่วนไปถึงทางออก ส่วนที่เหลืออธิบายได้ด้วยการสะท้อนที่ผิวและการดูดกลืนในแก้ว

กระจกปิดหน้าจอโบโรซิลิเกตเจือซีเรียมตัวแทนที่ความหนา 0.100 มิลลิเมตรโดยไม่มีการเคลือบ มีการเผยแพร่ค่าสองค่าบนแถวเดียวกัน: ค่าเฉลี่ยเลขคณิต 11.4% ในช่วง 300 ถึง 315 นาโนเมตร และค่าเดี่ยว 91.3% ที่ 400 นาโนเมตร ค่าแรกสรุปจุดวัดหลายจุดในช่วงแถบ ค่าที่สองอธิบายความยาวคลื่นหนึ่งค่า ทั้งสองถูกต้อง และไม่สามารถใช้แทนกันได้

300 ถึง 315 นาโนเมตรคือปลายความยาวคลื่นยาวของ UV-B และ 400 นาโนเมตรอยู่ที่ขอบความยาวคลื่นยาวของ UV-A ใกล้กับจุดที่แสงที่มองเห็นเริ่มต้น ค่าเฉลี่ยช่วงแถบตอบว่าแก้วส่งผ่านในช่วงนั้นโดยเฉลี่ยเท่าใด ไม่ได้บอกว่าดวงอาทิตย์ส่งโฟตอนมาเท่าใดที่นั่น และสองคำถามนี้ต่างกัน การประมาณกระแสต้องคูณการส่งผ่านที่แต่ละความยาวคลื่นด้วยจำนวนโฟตอนจากดวงอาทิตย์และการตอบสนองของเซลล์ที่ความยาวคลื่นนั้น ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมค่าเฉลี่ยช่วงแถบเดียวกันจึงให้การสูญเสียกระแสที่ต่างกันภายใต้สเปกตรัมที่ต่างกัน

จุดตัดควรอ่านอย่างระมัดระวัง ผลิตภัณฑ์กำหนดให้เป็นตำแหน่งที่การส่งผ่านถึง 46% ที่ความหนาที่ระบุ นั่นเป็นข้อตกลงที่ผู้ผลิตเลือกใช้ ไม่ใช่กฎของวัสดุ ในเอกสารข้อมูลเดียวกัน 332 นาโนเมตรอยู่ทางด้านความยาวคลื่นสั้นของ UV-A และการส่งผ่านจะเพิ่มขึ้นผ่านบริเวณเปลี่ยนผ่านไปสู่แสงที่มองเห็น เมื่อเคลื่อนไปตามสเปกตรัม ตัวเลขที่เปลี่ยนไปคือตัวเลขที่ข้อตกลงกำหนด

แก้วเดียวกัน สามตัวเลขที่ความยาวคลื่นเดียว

เอกสารข้อมูลเดียวกันระบุค่าสามค่าที่ 400 นาโนเมตร: 91.3% สำหรับแก้วไม่เคลือบ 92.3% สำหรับแก้วที่เคลือบป้องกันการสะท้อนด้านเดียว และ 95.8% สำหรับกรณีที่แสงผ่านต่อไปยังกาว คอลัมน์ที่สามคือคอลัมน์ที่มักต้องอธิบาย เพราะตัวเลขที่สูงกว่าฟังดูเหมือนแก้วที่ดีกว่า และจริง ๆ แล้วเป็นการวัดที่ต่างออกไป

เมื่อแสงผ่านจากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่ง ส่วนหนึ่งจะสะท้อน และปริมาณขึ้นอยู่กับดัชนีหักเหของทั้งสองด้าน ดัชนีหักเหของกาวใกล้เคียงกับของแก้วมากกว่าอากาศมาก ดังนั้นการแทนรอยต่อแก้ว-อากาศด้วยรอยต่อแก้ว-กาวจึงลดการสะท้อนที่ด้านหลังของแก้ว และมีแสงผ่านต่อไปยังกาวมากขึ้น การวัดทำโดยจำลองการสัมผัสดังกล่าว: ของเหลวปรับดัชนีหักเหประมาณ 1.41 และแผ่นรองรับใช้แทนกาว และการสะท้อนจากผิวด้านนอกของแผ่นรองรับถูกหักออกจากผลลัพธ์ ค่า 95.8% สิ้นสุดตรงที่แสงเข้าสู่กาว ดังนั้นการดูดกลืนภายในกาวจริงและการสะท้อนที่รอยต่อกาว-เซลล์ยังต้องตามมาอีก

ยังช่วยให้แยกการเคลือบออกจากกัน การเคลือบป้องกันการสะท้อนมีไว้เพื่อลดการสะท้อนของแสงที่เซลล์ต้องการ ซึ่งเพิ่มการส่งผ่านในช่วงแถบที่มีประโยชน์ การเคลือบสะท้อนอัลตราไวโอเลตในแนวทางฟิวส์ซิลิกามีไว้เพื่อส่งความยาวคลื่นสั้นกลับออกไป ซึ่งลดการส่งผ่านตรงนั้น ทั้งสองอยู่บนผิวเดียวกันและทำสิ่งที่ตรงกันข้ามที่ปลายทั้งสองของสเปกตรัม เมื่อเปรียบเทียบกระจกปิดหน้าจอที่เป็นตัวเลือก การเปรียบเทียบต้องกำหนดความหนา สถานะการเคลือบ และระนาบทางออกก่อน แล้วจึงอ่านการส่งผ่านในช่วงแถบที่เซลล์ตอบสนอง

ความหนาเปลี่ยนสามสิ่งพร้อมกัน

ความหนาคือพารามิเตอร์ที่เชื่อมโยงทัศนศาสตร์ มวล และการกำบังรังสี แสงเดินทางไกลขึ้นผ่านวัสดุ ดังนั้นแถบที่ถูกดูดกลืนจะลดทอนมากขึ้น ความหนาแน่นเชิงพื้นที่คือความหนาแน่นของวัสดุคูณกับความหนา: ที่ความหนาแน่น 2.51 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร แก้วหนา 0.100 มิลลิเมตรคิดเป็นประมาณ 0.251 กิโลกรัมต่อตารางเมตร บนอาร์เรย์ที่จำกัดด้วยมวล ทุกหนึ่งในสิบของมิลลิเมตรที่เพิ่มขึ้นต้องพิสูจน์คุณค่าในการกำบังหรือในสมรรถนะทางทัศนศาสตร์

เอกสารข้อมูลทางเทคนิคมักแยกความหนาสำหรับการวัดที่แตกต่างกันออกจากกัน และเป็นเรื่องที่ควรสังเกต สเปกตรัมต่อเนื่องก่อนและหลังการฉายรังสีที่เผยแพร่สำหรับแก้วชนิดเดียวกันนั้นวัดจากตัวอย่างหนา 0.150 มิลลิเมตร การรับแสงเป็นสภาวะการเกิดโซลาริเซชันที่ระบุไว้ในสุญญากาศ ซึ่งบูรณาการจนเทียบเท่ากับ 2000 ชั่วโมงดวงอาทิตย์ ค่าเดี่ยวสามค่าข้างต้นเป็นของตัวอย่างหนา 0.100 มิลลิเมตร ทั้งสองมีประโยชน์ และตอบคำถามที่แตกต่างกัน: ค่าหนึ่งแสดงว่าวัสดุเปลี่ยนแปลงอย่างไรภายใต้การฉายรังสี อีกค่าหนึ่งให้ค่าที่กำหนดไว้ที่ความหนาที่กำหนด

จากโฟตอนที่สูญเสียไปสู่กระแสที่สูญเสียไป

เส้นทางจากค่าการส่งผ่านแสงไปสู่ค่ากระแสสามารถติดตามได้ด้วยการนับอย่างง่าย พิจารณาแถบแคบหนึ่งแถบและโฟตอน 100 ตัวที่มาถึงกระจกครอบ สมมติว่า 80 ตัวผ่านกระจกและ 90% ของจำนวนนั้นผ่านกาว ดังนั้น 72 ตัวไปถึงด้านหน้าของเซลล์ สมมติว่าในสภาวะการบรรจุนี้ 60% ของโฟตอนที่มาถึงเซลล์สอดคล้องกับประจุที่เก็บได้ในวงจรภายนอก ประจุที่เก็บได้นั้นเฉลี่ยออกมาเป็น 72 × 0.60 = 43.2 ประจุอิเล็กตรอน และเนื่องจากเป็นค่าเฉลี่ยจึงสามารถเป็นเศษส่วนได้

การหาร 43.2 ด้วยโฟตอน 100 ตัวที่มาถึงให้ค่าประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกของแถบนั้นสำหรับการประกอบนั้น: จากทุกโฟตอนที่เข้าสู่พื้นผิวอ้างอิง มีประจุเท่าใดที่เก็บได้ภายนอกโดยเฉลี่ย คำว่าภายนอกมีความสำคัญ เพราะพื้นผิวอ้างอิงคือจุดที่การนับเริ่มต้น บนเซลล์เปล่ามันคือด้านหน้าของเซลล์ และบนการประกอบที่ห่อหุ้มแล้วมันคือด้านนอกของกระจกครอบ การยึดติดกระจกแทนที่รอยต่ออากาศ-เซลล์ด้วยรอยต่อกาว-เซลล์และเปลี่ยนการสะท้อนตรงนั้น ซึ่งเป็นเหตุผลหนึ่งที่การประกอบควรวัดในฐานะการประกอบ

การขยายหนึ่งแถบไปสู่สเปกตรัมทั้งหมดให้ความหนาแน่นกระแสแสงเป็นอินทิกรัลตลอดความยาวคลื่น นั่นคือ J_ph ≈ q ∫ Φ(λ) EQE_assembly(λ) dλ โดยที่ Φ คือฟลักซ์โฟตอนจากดวงอาทิตย์ด้านหน้าของกระจกครอบ ต่อหน่วยพื้นที่ เวลา และความยาวคลื่น EQE_assembly วัดโดยใช้กระจกครอบเป็นพื้นผิวอ้างอิง และ q คือประจุมูลฐาน ประมาณ 1.602 × 10^-19 คูลอมบ์ อินทิกรัลคือผลรวม: ฟลักซ์โฟตอนคูณประสิทธิภาพควอนตัมคูณประจุ รวมเข้าด้วยกันตลอดความยาวคลื่น

นี่คือเหตุผลที่ 91.3% ที่ 400 นาโนเมตรยังต้องนำกลับไปใส่ในสเปกตรัมก่อนที่จะมีความหมายใด ๆ ต่อกำลังไฟ ดวงอาทิตย์ไม่ได้ส่งโฟตอนจำนวนเท่ากันในทุกแถบ และเซลล์ไม่ได้ตอบสนองเท่ากันต่อทุกแถบ การสูญเสีย 10% ในแถบที่เซลล์ตอบสนองอ่อนทำให้สูญเสียกระแสน้อย การสูญเสียในแถบที่เซลล์ย่อยเฉพาะเจาะจงพึ่งพาอยู่ทำให้สูญเสียมากกว่ามาก การคำนวณควรใช้สเปกตรัม อุณหภูมิ และข้อมูลการตอบสนองหลังการฉายรังสีที่ตรงกับภารกิจ

เซลล์แบบซ้อนชั้น: ตำแหน่งที่การสูญเสียเกิดขึ้นมีความสำคัญ

เซลล์หลายรอยต่อซ้อนเซลล์ย่อยหลายตัวที่ดูดกลืนส่วนต่าง ๆ ของสเปกตรัม และเชื่อมต่อกันแบบอนุกรม ดังนั้นกระแสเดียวจึงไหลผ่านทั้งหมด แต่ละรอยต่อจึงต้องวัดแยกกัน ขณะที่วัดรอยต่อหนึ่ง รอยต่ออื่น ๆ จะถูกไบแอสด้วยแสงในแถบของตัวเองเพื่อให้จ่ายโฟโตกระแสได้เพียงพอและไม่จำกัดรอยต่อที่กำลังทดสอบ อาจใช้ไบแอสแรงดันที่เหมาะสมร่วมด้วย การกวาดความยาวคลื่นของแสงตรวจวัดจะให้การตอบสนองของเซลล์ย่อยเป้าหมายทีละจุด

ในการวิเคราะห์การจับคู่กระแส รอยต่อที่อ่อนแอที่สุดเป็นตัวกำหนดกระแสอนุกรม พิจารณาเซลล์สามรอยต่อสมมติที่มีความหนาแน่นโฟโตกระแส 18, 17 และ 20 มิลลิแอมแปร์ต่อตารางเซนติเมตรสำหรับรอยต่อบน กลาง และล่าง รอยต่อกลางเป็นตัวจำกัด เปลี่ยนกระจกครอบเพื่อให้รอยต่อบนได้รับแสงความยาวคลื่นสั้นน้อยลง และค่าทั้งสามกลายเป็น 16, 17 และ 20: ตอนนี้รอยต่อบนเป็นตัวจำกัด ทั้งสองสถานการณ์มีการสูญเสียในขนาดเดียวกัน และมีผลที่แตกต่างกัน

การปรับปรุงแสงที่ไปถึงรอยต่อที่เป็นตัวจำกัด หรือรอยต่อที่ใกล้เคียง มักเป็นวิธีที่ตรงที่สุดในการเพิ่มกระแสอนุกรม การเปลี่ยนแปลงในรอยต่ออื่นยังสามารถส่งผลต่อกำลังรวมผ่านแรงดัน ดังนั้นการวิเคราะห์จึงไม่สิ้นสุดที่กระแสของเซลล์ย่อย ถัดไปวัดเส้นโค้งกระแส-แรงดันเต็มของเซลล์: ที่แรงดันขั้วแต่ละค่า บันทึกกระแส กำลังที่แต่ละจุดคือผลคูณของทั้งสอง และค่าสูงสุดของผลคูณเหล่านั้นคือจุดกำลังสูงสุด เนื่องจากกระจกครอบเปลี่ยนสเปกตรัมที่เข้ามา สเปกตรัมเปลี่ยนโฟโตกระแสของเซลล์ย่อย และการเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับแรงดันร่วมกันกำหนดกำลังเอาต์พุต วงจรจึงต้องปิดด้วยการวัดมากกว่าด้วยค่าจากเอกสารข้อมูลเพียงอย่างเดียว

มีข้อควรระวังหนึ่งอยู่ตรงนี้ รายงานเกี่ยวกับแนวปฏิบัติการวัดหลายรอยต่อชี้ให้เห็นว่าความไม่สอดคล้องระหว่างสเปกตรัมของเครื่องจำลองกับผลตอบสนองของเซลล์ย่อยเปลี่ยนเส้นโค้งที่วัดได้และดังนั้นจึงเปลี่ยนประสิทธิภาพที่วัดได้ เซลล์ที่ดูดีกว่าภายใต้สเปกตรัมเครื่องจำลองหนึ่งอาจดูแย่ลงภายใต้อีกสเปกตรัมหนึ่ง และกระจกครอบเป็นส่วนหนึ่งที่กำหนดสเปกตรัมที่เซลล์มองเห็น

การเลือกกระจกครอบแสดงให้เห็นอย่างไร

การคัดเลือกเริ่มจากภารกิจมากกว่าวัสดุ: สเปกตรัมที่อาร์เรย์จะมองเห็น ชนิดเซลล์ อุณหภูมิที่คาดไว้ และอายุการใช้งานที่ต้องการ จากนั้นจึงได้ความหนาของกระจกครอบและเป้าหมายการป้องกันรังสี ผู้สมัครจะถูกเปรียบเทียบที่ความหนาเดียวกัน สภาวะการเคลือบเดียวกัน และระนาบการวัดเดียวกัน โดยเริ่มจากการส่งผ่านแสง และต่อมาด้วยกาวและเซลล์จริงโดยการวัดประสิทธิภาพควอนตัมของการประกอบและเส้นโค้งกระแส-แรงดันระดับเซลล์

การทดสอบด้านสิ่งแวดล้อมจำเป็นต้องมีชิ้นงานทดสอบอ้างอิงที่สามารถนำมาเปรียบเทียบกันได้ ชิ้นงานแก้วเคลือบจะแสดงให้เห็นว่าเกิดอะไรขึ้นกับแก้วและชั้นเคลือบ แซนด์วิชแก้ว-กาวจะแยกผลของกาวออกมา และชุดเซลล์ที่ประกอบสมบูรณ์จะวัดกำลังผลผลิตรวม วัสดุและกระบวนการของชิ้นงานเหล่านี้ควรสอดคล้องกับการกำหนดค่าของการบินจริง เพื่อที่ว่าเมื่อนำสเปกตรัมและผลลัพธ์ทางไฟฟ้ามาเปรียบเทียบก่อนและหลังการรับแสง จะสามารถระบุการสูญเสียได้ว่าเกิดจากชั้นใดชั้นหนึ่ง แทนที่จะเพียงแค่ระบุปริมาณการเสื่อมสภาพโดยรวม ชุดประกอบที่สูญเสียกำลังไฟนั้น เมื่อพิจารณาโดยลำพังแล้ว เป็นเพียงการวัดการเสื่อมสภาพโดยรวมเท่านั้น

โครงการทดสอบแบ่งตามสิ่งที่กำลังทดสอบ การรับแสงอัลตราไวโอเลตครอบคลุมเรื่องการกรอง การเข้มขึ้นของแก้ว และการสูญเสียการส่งผ่านของกาว การฉายรังสีอิเล็กตรอนและโปรตอนครอบคลุมสภาวะอนุภาคที่สอดคล้องกันสำหรับวัสดุและเซลล์ การวัดก่อนและหลังใช้สเปกตรัม อุณหภูมิ และพื้นผิวอ้างอิงที่สอดคล้องกัน เพื่อให้การเปลี่ยนแปลงของการส่งผ่านสามารถจับคู่กับการเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าที่ออกมา สำหรับมาตรฐานที่เกี่ยวข้อง ขอบเขตของมาตรฐานครอบคลุมเซลล์ซิลิคอนผลึกและเซลล์แกลเลียมอาร์เซไนด์แบบรอยต่อเดี่ยวหรือหลายรอยต่อที่มีความหนาเกิน 50 ไมโครเมตร แนวทางแบบฟิล์มบางพิเศษและแนวทางใหม่กว่าจำเป็นต้องมีการประเมินความสามารถในการนำไปใช้ของตนเองตามลักษณะของอุปกรณ์และบรรจุภัณฑ์ สำหรับการผสมวัสดุที่มีอยู่แล้ว การทวนสอบอัลตราไวโอเลตตามมาตรฐานสามารถต่อยอดจากข้อมูลการเสื่อมสภาพระยะยาวที่มีอยู่ได้ การผสมวัสดุใหม่ต้องสร้างพื้นฐานของตนผ่านการทดสอบทางวิศวกรรมที่ยาวนานขึ้นก่อนการรับรอง ในระหว่างการทดสอบนั้น กระแสไฟฟ้าลัดวงจรจะถูกตรวจติดตามตลอดการรับแสง และเส้นโค้งกระแส-แรงดันจะถูกวัดเป็นระยะ เพื่อให้บันทึกความก้าวหน้าได้ ไม่ใช่เพียงจุดสิ้นสุดเท่านั้น

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมไม่ใช้แก้วที่หนาขึ้นแล้วจบเรื่องไปเลยล่ะ?

เพราะความหนาคือมวล และบนยานอวกาศ มวลคืองบประมาณที่ทุกสิ่งอื่นต้องแข่งขันด้วย แก้วที่หนาขึ้นยังดูดกลืนแสงที่ผ่านเข้ามามากขึ้นด้วย ดังนั้นกำไรจากการป้องกันจึงต้องถูกชั่งน้ำหนักกับต้นทุนทางทัศนศาสตร์ จุดออกแบบคือความสมดุลระหว่างการส่งผ่าน การป้องกัน และความหนาแน่นเชิงพื้นที่ ไม่ใช่ค่าสูงสุด

ซีเรียมในแก้วเหมือนกับตัวกรองอัลตราไวโอเลตหรือไม่?

ในเชิงหน้าที่ใช่ แต่ในเชิงกลไกไม่ใช่ ตัวกรองคือองค์ประกอบทางทัศนศาสตร์เพิ่มเติมที่กำจัดช่วงคลื่นหนึ่งออกไป ส่วนการเจือซีเรียมทำให้ตัวแก้วเองดูดกลืนช่วงคลื่นนั้น ทั้งสองวิธีป้องกันชั้นที่อยู่ด้านล่าง และแตกต่างกันในสิ่งที่เพิ่มเข้าไปในชั้นซ้อนและในพฤติกรรมหลังการรับรังสี

ทำไมเอกสารข้อมูลจึงให้ค่าเฉลี่ยช่วงคลื่นแทนที่จะเป็นเส้นโค้ง?

เพราะตัวเลขเดียวระบุข้อกำหนดและเปรียบเทียบได้ง่ายกว่า และค่าเฉลี่ยเป็นวิธีที่กระชับในการระบุว่าแก้วบล็อกช่วงหนึ่งได้ดีเพียงใด เส้นโค้งให้ข้อมูลมากกว่า และเอกสารข้อมูลจำนวนมากมีทั้งสองอย่าง คือชุดค่าที่กำหนดไว้สำหรับข้อกำหนด และสเปกตรัมต่อเนื่องสำหรับงานวิศวกรรม

ค่าการส่งผ่านที่สูงกว่าหมายถึงอะไรเสมอหรือไม่?

หมายความเพียงว่า ณ ความยาวคลื่นที่ระบุและในการจัดวางการวัดที่ระบุ มีแสงผ่านระนาบทางออกมากขึ้น การวัดนั้นรวมถึงความหนา สภาพการเคลือบ และวิธีที่ด้านหลังของชิ้นงานได้รับการจัดการ การเปรียบเทียบการวัดที่ส่งเข้าสู่กาวกับการวัดที่ส่งเข้าสู่อากาศไม่ใช่การเปรียบเทียบแก้วสองชนิด แต่เป็นการเปรียบเทียบการจัดวางสองแบบ

ทำไมต้องวัดเซลล์แบบซ้อนทีละรอยต่อ?

เพราะรอยต่อต่างๆ ต่อกันแบบอนุกรมและรอยต่อที่อ่อนแอที่สุดเป็นตัวจำกัดกระแส และเพราะการวัดเซลล์ทั้งเซลล์เพียงครั้งเดียวไม่สามารถบอกได้ว่ารอยต่อใดขาดกระแส ประสิทธิภาพควอนตัมทีละรอยต่อแสดงให้เห็นว่าการตอบสนองขาดหายไปตรงไหน ซึ่งเป็นการวัดที่เชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงทางสเปกตรัมของกระจกครอบกับการเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าที่ออกมา

เหตุผลเดียวกันนี้ใช้กับโมดูลบนพื้นดินหรือไม่?

หลักการทางทัศนศาสตร์ใช้ได้ แต่ตัวเลขใช้ไม่ได้ โมดูลบนพื้นดินก็มีกระจกด้านหน้า สารห่อหุ้ม และเซลล์ และตรรกะเดียวกันเกี่ยวกับรอยต่อระหว่างชั้นและสเปกตรัมก็ยังใช้ได้ สิ่งที่แตกต่างคือสภาพแวดล้อม สารห่อหุ้มถูกเลือกให้ต้านทานความชื้นและการหมุนเวียนความร้อน แทนที่จะต้านทานอัลตราไวโอเลตในสุญญากาศและอนุภาคมีประจุ และการทดสอบการรับรองก็แตกต่างกันตามไปด้วย

บทสรุปสุดท้าย

กระจกครอบที่เจือซีเรียมเป็นเรื่องปกติบนแผงโซลาร์ในอวกาศด้วยเหตุผลที่ตรวจสอบได้ในทุกขั้นตอน มันลดอัลตราไวโอเลตช่วงคลื่นสั้นที่ไปถึงกาว และช่วยให้แก้วรักษาการส่งผ่านในย่านที่ใช้ผลิตไฟฟ้าไว้ได้หลังการรับรังสี ข้อกล่าวอ้างทั้งสองไม่เป็นประโยชน์หากเป็นเพียงคำขวัญ สิ่งที่ทำให้มันเป็นประโยชน์คือมันสามารถวัดได้ ก่อนและหลังการรับแสงที่กำหนด บนเส้นทางทัศนศาสตร์เส้นเดียวกับที่แผงโซลาร์ใช้จริง

ห่วงโซ่จากแถบการดูดกลืนของแก้วไปจนถึงการเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าที่ออกมาจากแผงนั้นวิ่งผ่านกาว รอยต่อระหว่างชั้น การตอบสนองของเซลล์ย่อย และการต่อแบบอนุกรม แต่ละข้อต่อมีวิธีการวัดของตัวเอง และแต่ละการวัดมีเงื่อนไขของตัวเอง กระจกครอบได้รับการเลือกอย่างดีเมื่อได้เดินครบทั้งห่วงโซ่นั้นแล้ว และเมื่อตัวเลขที่นำมาเปรียบเทียบถูกวัดที่ความหนาเดียวกัน บนระนาบเดียวกัน ภายใต้สเปกตรัมเดียวกัน

หมายเหตุข้อมูล: ค่าการส่งผ่านที่อ้างถึงในที่นี้ คือ 11.4% ตลอดช่วง 300-315 nm, 91.3% และ 92.3% และ 95.8% ที่ 400 nm, จุดตัดที่ 332 nm ที่ 46%, ความหนาแน่น 2.51 g/cm3 และชิ้นงานรับรังสีที่ 0.150 mm เป็นค่าที่เผยแพร่สำหรับกระจกครอบโบโรซิลิเกตเจือซีเรียมเชิงพาณิชย์ ซึ่งยกมาเป็นตัวอย่างว่าเอกสารข้อมูลมีโครงสร้างอย่างไร ค่าเหล่านี้เป็นข้อมูลจากบุคคลที่สาม ไม่ใช่การวัดที่เราทำขึ้นเอง ขึ้นอยู่กับความหนาและสภาพการเคลือบที่ระบุไว้ด้วยกัน และไม่ควรนำไปใช้กับผลิตภัณฑ์อื่น อัตราส่วนการนับโฟตอนที่ใช้แสดงประสิทธิภาพควอนตัมภายนอกเป็นสมมติฐานเพื่อการสอน ขีดจำกัดช่วงคลื่น UV-B และ UV-A เป็นการแบ่งความยาวคลื่นตามมาตรฐาน มาตรฐานการประกอบที่อ้างถึงในข้อความคือ ECSS-E-ST-20-08C Rev.2