太阳光模拟器的解析、应用及其发展（二）

太阳光模拟器的基本组成与原理

1.1 太阳光模拟器的基本组成

太阳光模拟器主要由光学积分镜、椭球形反射器、快门、滤光片、准直透镜、灯源等部件组成。图 1  为以氙灯太阳光模拟器为例的横截面示 意图。其工作原理是：氙灯位于太阳光模拟器的中心位置，发射出的光线经过第一个 45° 的平面 镜翻转 90°，落在置于椭球焦点的积分镜上，使光分散均匀，然后光束经过滤光片，将该波段多余的红外辐射滤除；再经过第二个 45° 的平面镜翻转 90°；最后落到准直透镜上。一般太阳光模拟器会设定系统所需的光学参数，进行光的收集、 光束均匀化、过滤和准直。太阳光模拟器通过准直透镜后以平行光的形式输出。

图1 太阳光模拟器的截面示意图

1.2 光源

光源是太阳光模拟器最基本的组成部分，常用的灯源有氙灯、卤光灯。

1.2.1 氙灯

氙灯即利用氙气放电而发光的电光源。其色温约为 6000 K，在使用中使 N2 气体流经过散热器和排风管道对氙灯进行冷却。氙灯具有很高的内部压力，即使不操作，灯的内部压力也会超过 1.01 MPa。

氙灯辐射与太阳辐射的比较如图 2  所示。可以看出，其光谱分布与太阳光谱比较接近，在氙灯的红外光谱区中 0.8～1.0 μm 处有几个突起的高峰，如采用水冷或红外滤光玻璃，可消去这些高峰，使其更接近太阳光谱。故在实际的太阳光 模拟装置中往往都采用氙灯作为光源。

图2 氙灯光谱与太阳光谱的比较

武汉爱疆科技公司生产的AM0瞬态太阳光模拟器， 光谱范围满足300-1800nm范围，实现高效晶硅电池的全光谱测试，测试准确性大幅提高。太阳电池组件采用四线连接，以及高速数据采集系统，确保了太阳电池电流测量的准确性。红外无接触式测温，准确测出组件温度，确保了温度修正的准确性。

1.2.2 卤光灯

金属卤光灯又叫高强紫外卤素灯，属金属卤化物灯的一种，它之所以会发出高效能的光，是 因为金属卤化物在参与整个发光过程中，绝大部分能量被转化为可见光，仅有很小部分的能量转换为了热量。虽然卤光灯的可见光光强比氙灯弱 了非常多，但由于其价格低廉，也常作为太阳光模拟器备用光源之一。

冷光灯，也是卤光灯的一种，色温可达 3400 K，光源辐射光谱范围覆盖 300～2600  nm。冷光灯是一种小功率卤光灯，功率在 25～50 W 之间，装配反光罩朝一定方向照明，发白光。

1.3 滤光片

太阳光模拟器滤光片为大气质量滤光片 (Air  Mass 滤波片 )，其作用是修改光谱辐照度分布， 从而模拟在不同环境下的太阳光谱近似分布。

其一般可分为AM 0 和AM 1.5 等不同型号。当太阳光入射角与地面夹角为 θ 时，大气质量为 AM=1/cosθ；当 θ=0.482  时，大气质量为 AM 1.5， 是指典型晴天时太阳光照射到一般地面的情况。国际标准组织将 AM 1.5 的辐照度定义为 1000 W/m2 ，常作为太阳电池和组件效率测试时的标准。地球表面的标准光谱称为 AM 1.5G(G 代表总的辐射，包括直接的和分散的辐射 ) 或 AM 1.5D ( 只包含直接的辐射 )。

滤光后辐射与太阳辐射的比较如图 3 所示。从图上可以看出，加入滤波片后辐射与太阳光辐 射匹配度提高。

图 3 在 AM 0 或 AM 1.5 条件下的 太阳光谱与氙灯模拟光谱的比较

武汉爱疆科技有限公司的光学滤光片及复制镜面产品目前正应用在世界上许多的实验室中，帮助人们在基础科学及应用领域的探索。公司使用的 AM 0 或 AM 1.5过滤片能减少氙灯与太阳光谱之间的偏差，该滤光片还可提供一系列标准产品，包括：系列带通滤光片，带宽从 1～70 nm 的范围；长波通及短波通截止型滤光片；中性灰光密度滤光片；有色光学玻璃滤光片；分光滤光片及荧光滤光片等，并可以提供 25.4 mm 直径或 50.8 mm 正方形的标准尺寸以供选择。

1.4 产品举例

太阳光模拟器广泛应用于单晶硅、多晶硅、 非晶薄膜、染料敏化等各种不同类型的太阳电池性能测试实验。以武汉爱疆科技有限公司的AM0瞬态太阳光模拟器为例：

1.4.1产品情况

AM0瞬态太阳光模拟器用于航天航空装备中太阳能电池组件的测试需求。该设备采用直射式结构，可根据现场环境实现侧打光/上打光等安装方式。

1、采用 AAA 级光源配置：不均匀度、光谱匹配度、光强稳定度三大核心性能指标均超过行业标准。

2 全光谱；光谱范围满足300-1800nm范围，实现高效晶硅电池的全光谱测试，测试准确性大幅提高。太阳电池组件采用四线连接，以及高速数据采集系统，确保了太阳电池电流测量的准确性。红外无接触式测温，准确测出组件温度，确保了温度修正的准确性。

测试对象：适用于晶体硅太阳能电池组件（PERC、N型、IBC以及HIT等）、薄膜电池组件的电性能参数的测试和结果记录及导出。

1.4.2 性能特点

1、AAA 标准：高于 GBT-6494-2017 标准

2、300-1800nm 全光谱：更加真实反映组件在各波段响应能力

3、A 级光谱匹配：

4、电子负载：扫描方向支持 Isc→Voc 和 Voc→Isc 两种模式

5、测量对象：砷化镓等航天相关技术组件