太陽光模擬器的基本組成與原理

1.1 太陽光模擬器的基本組成

太陽光模擬器主要由光學(xué)積分鏡、橢球形反射器、快門、濾光片、準(zhǔn)直透鏡、燈源等部件組成。圖 1  為以氙燈太陽光模擬器為例的橫截面示 意圖。其工作原理是：氙燈位于太陽光模擬器的中心位置，發(fā)射出的光線經(jīng)過第一個 45° 的平面 鏡翻轉(zhuǎn) 90°，落在置于橢球焦點的積分鏡上，使光分散均勻，然后光束經(jīng)過濾光片，將該波段多余的紅外輻射濾除；再經(jīng)過第二個 45° 的平面鏡翻轉(zhuǎn) 90°；最后落到準(zhǔn)直透鏡上。一般太陽光模擬器會設(shè)定系統(tǒng)所需的光學(xué)參數(shù)，進(jìn)行光的收集、 光束均勻化、過濾和準(zhǔn)直。太陽光模擬器通過準(zhǔn)直透鏡后以平行光的形式輸出。

圖1 太陽光模擬器的截面示意圖

1.2 光源

光源是太陽光模擬器最基本的組成部分，常用的燈源有氙燈、鹵光燈。

1.2.1 氙燈

氙燈即利用氙氣放電而發(fā)光的電光源。其色溫約為 6000 K，在使用中使 N2 氣體流經(jīng)過散熱器和排風(fēng)管道對氙燈進(jìn)行冷卻。氙燈具有很高的內(nèi)部壓力，即使不操作，燈的內(nèi)部壓力也會超過 1.01 MPa。

氙燈輻射與太陽輻射的比較如圖 2  所示?？梢钥闯?，其光譜分布與太陽光譜比較接近，在氙燈的紅外光譜區(qū)中 0.8～1.0 μm 處有幾個突起的高峰，如采用水冷或紅外濾光玻璃，可消去這些高峰，使其更接近太陽光譜。故在實際的太陽光 模擬裝置中往往都采用氙燈作為光源。

圖2 氙燈光譜與太陽光譜的比較

武漢愛疆科技公司生產(chǎn)的AM0瞬態(tài)太陽光模擬器， 光譜范圍滿足300-1800nm范圍，實現(xiàn)高效晶硅電池的全光譜測試，測試準(zhǔn)確性大幅提高。太陽電池組件采用四線連接，以及高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確保了太陽電池電流測量的準(zhǔn)確性。紅外無接觸式測溫，準(zhǔn)確測出組件溫度，確保了溫度修正的準(zhǔn)確性。

1.2.2 鹵光燈

金屬鹵光燈又叫高強(qiáng)紫外鹵素?zé)?，屬金屬鹵化物燈的一種，它之所以會發(fā)出高效能的光，是 因為金屬鹵化物在參與整個發(fā)光過程中，絕大部分能量被轉(zhuǎn)化為可見光，僅有很小部分的能量轉(zhuǎn)換為了熱量。雖然鹵光燈的可見光光強(qiáng)比氙燈弱 了非常多，但由于其價格低廉，也常作為太陽光模擬器備用光源之一。

冷光燈，也是鹵光燈的一種，色溫可達(dá) 3400 K，光源輻射光譜范圍覆蓋 300～2600  nm。冷光燈是一種小功率鹵光燈，功率在 25～50 W 之間，裝配反光罩朝一定方向照明，發(fā)白光。

1.3 濾光片

太陽光模擬器濾光片為大氣質(zhì)量濾光片 (Air  Mass 濾波片 )，其作用是修改光譜輻照度分布， 從而模擬在不同環(huán)境下的太陽光譜近似分布。

其一般可分為AM 0 和AM 1.5 等不同型號。當(dāng)太陽光入射角與地面夾角為 θ 時，大氣質(zhì)量為 AM=1/cosθ；當(dāng) θ=0.482  時，大氣質(zhì)量為 AM 1.5， 是指典型晴天時太陽光照射到一般地面的情況。國際標(biāo)準(zhǔn)組織將 AM 1.5 的輻照度定義為 1000 W/m2 ，常作為太陽電池和組件效率測試時的標(biāo)準(zhǔn)。地球表面的標(biāo)準(zhǔn)光譜稱為 AM 1.5G(G 代表總的輻射，包括直接的和分散的輻射 ) 或 AM 1.5D ( 只包含直接的輻射 )。

濾光后輻射與太陽輻射的比較如圖 3 所示。從圖上可以看出，加入濾波片后輻射與太陽光輻 射匹配度提高。

圖 3 在 AM 0 或 AM 1.5 條件下的 太陽光譜與氙燈模擬光譜的比較

武漢愛疆科技有限公司的光學(xué)濾光片及復(fù)制鏡面產(chǎn)品目前正應(yīng)用在世界上許多的實驗室中，幫助人們在基礎(chǔ)科學(xué)及應(yīng)用領(lǐng)域的探索。公司使用的 AM 0 或 AM 1.5過濾片能減少氙燈與太陽光譜之間的偏差，該濾光片還可提供一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，包括：系列帶通濾光片，帶寬從 1～70 nm 的范圍；長波通及短波通截止型濾光片；中性灰光密度濾光片；有色光學(xué)玻璃濾光片；分光濾光片及熒光濾光片等，并可以提供 25.4 mm 直徑或 50.8 mm 正方形的標(biāo)準(zhǔn)尺寸以供選擇。

1.4 產(chǎn)品舉例

太陽光模擬器廣泛應(yīng)用于單晶硅、多晶硅、 非晶薄膜、染料敏化等各種不同類型的太陽電池性能測試實驗。以武漢愛疆科技有限公司的AM0瞬態(tài)太陽光模擬器為例：

1.4.1產(chǎn)品情況

AM0瞬態(tài)太陽光模擬器用于航天航空裝備中太陽能電池組件的測試需求。該設(shè)備采用直射式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境實現(xiàn)側(cè)打光/上打光等安裝方式。

1、采用 AAA 級光源配置：不均勻度、光譜匹配度、光強(qiáng)穩(wěn)定度三大核心性能指標(biāo)均超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2 全光譜；光譜范圍滿足300-1800nm范圍，實現(xiàn)高效晶硅電池的全光譜測試，測試準(zhǔn)確性大幅提高。太陽電池組件采用四線連接，以及高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確保了太陽電池電流測量的準(zhǔn)確性。紅外無接觸式測溫，準(zhǔn)確測出組件溫度，確保了溫度修正的準(zhǔn)確性。

測試對象：適用于晶體硅太陽能電池組件（PERC、N型、IBC以及HIT等）、薄膜電池組件的電性能參數(shù)的測試和結(jié)果記錄及導(dǎo)出。

1.4.2 性能特點

1、AAA 標(biāo)準(zhǔn)：高于 GBT-6494-2017 標(biāo)準(zhǔn)

2、300-1800nm 全光譜：更加真實反映組件在各波段響應(yīng)能力

3、A 級光譜匹配：

4、電子負(fù)載：掃描方向支持 Isc→Voc 和 Voc→Isc 兩種模式

5、測量對象：砷化鎵等航天相關(guān)技術(shù)組件