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積分鏡、橢球形反射器、快門、濾光片、準直透鏡、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，發射出的光線經過第一個 45° 的平面 鏡翻轉 90°，落在置于橢球焦點的積分鏡上，使光分散均勻，然后光束經過濾光片，將該波段多余的紅外輻射濾除；再經過第二個 45° 的平面鏡翻轉 90°；最后落到準直透鏡上。一般太陽光模擬器會設定系統所需的光學參數，進行光的收集、 光束均勻化、過濾和準直。太陽光模擬器通過準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光的電光源。其色溫約為 6000 K，在使用中使 N2 氣體流經過散熱器和排風管道對氙燈進行冷卻。氙燈具有很高的內部壓力，即使不操作，燈的內部壓力也會超過 1.01 MPa。

氙燈輻射與太陽輻射的比較如圖 2  所示。可以看出，其光譜分布與太陽光譜比較接近，在氙燈的紅外光譜區中 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的AM0瞬態太陽光模擬器， 光譜范圍滿足300-1800nm范圍，實現高效晶硅電池的全光譜測試，測試準確性大幅提高。太陽電池組件采用四線連接，以及高速數據采集系統，確保了太陽電池電流測量的準確性。紅外無接觸式測溫，準確測出組件溫度，確保了溫度修正的準確性。

1.2.2 鹵光燈

金屬鹵光燈又叫高強紫外鹵素燈，屬金屬鹵化物燈的一種，它之所以會發出高效能的光，是 因為金屬鹵化物在參與整個發光過程中，絕大部分能量被轉化為可見光，僅有很小部分的能量轉換為了熱量。雖然鹵光燈的可見光光強比氙燈弱 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 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，發白光。

1.3 濾光片

太陽光模擬器濾光片為大氣質量濾光片 (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。當太陽光入射角與地面夾角為 θ 時，大氣質量為 AM=1/cosθ；當 θ=0.482  時，大氣質量為 AM 1.5， 是指典型晴天時太陽光照射到一般地面的情況。國際標準組織將 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準。地球表面的標準光譜稱為 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濾光片及復制鏡面產品目前正應用在世界上許多的實驗室中，幫助人們在基礎科學及應用領域的探索。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準產品，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 正方形的標準尺寸以供選擇。

1.4 產品舉例

太陽光模擬器廣泛應用于單晶硅、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瞬態太陽光模擬器為例：

1.4.1產品情況

AM0瞬態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。該設備采用直射式結構，可根據現場環境實現側打光/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、光強穩定度三大核心性能指標均超過行業標準。

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

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的測試和結果記錄及導出。

1.4.2 性能特點

1、AAA 標準：高于 GBT-6494-2017 標準

2、300-1800nm 全光譜：更加真實反映組件在各波段響應能力

3、A 級光譜匹配：

4、電子負載：掃描方向支持 Isc→Voc 和 Voc→Isc 兩種模式

5、測量對象：砷化鎵等航天相關技術組件