太陽(yáng)光是生活中最常見(jiàn)的光源，也是最清潔的能源，在很多科研場(chǎng)景中都需要考慮太陽(yáng)光的影響，但是太陽(yáng)光會(huì)隨著時(shí)間、天氣等因素的變化而發(fā)生變化，因此如何模擬出穩(wěn)定可控的太陽(yáng)光在光伏、航空航天和汽車(chē)等眾多領(lǐng)域有十分重要的研究?jī)r(jià)值
太陽(yáng)光模擬器標(biāo)準(zhǔn)
按照IEC 60904-9，JIS 8904-9和ASTM E927-10用于光伏測(cè)試的太陽(yáng)能模擬器需要滿足光譜匹配度，輻射空間均勻性和時(shí)間不穩(wěn)定性的要求 。
總輻照度
太陽(yáng)光模擬器須要在測(cè)試平面上達(dá)到1000W/m2的總輻照度，并且能夠根據(jù)需要對(duì)輻照度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。
光譜匹配
太陽(yáng)光模擬器的光譜輻照度分布須要與 am1.5g 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光光譜輻照度分布匹配， 下表給出了 am1.5g 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光光譜輻照度分布。
波長(zhǎng)間隔 [nm] | AM1.5D | AM1.5G | AM0 |
300–400 | 沒(méi)有規(guī)格 | 沒(méi)有規(guī)格 | 8.0% |
400–500 | 16.9% | 18.4% | 16.4% |
500–600 | 19.7% | 19.9% | 16.3% |
600–700 | 18.5% | 18.4% | 13.9% |
700–800 | 15.2% | 14.9% | 11.2% |
800–900 | 12.9% | 12.5% | 9.0% |
900–1100 | 16.8% | 15.9% | 13.1% |
1100–1400 | 沒(méi)有規(guī)格 | 沒(méi)有規(guī)格 | 12.2% |
均勻度
在測(cè)試平面上，太陽(yáng)光模擬器出射光照射在指定測(cè)試區(qū)域內(nèi)的輻照度應(yīng)達(dá)到一定的均勻度。不均勻度的定義如上圖所示。
輻照穩(wěn)定度
在測(cè)試期間內(nèi)，太陽(yáng)光模擬器的輻照度應(yīng)該具有一定的穩(wěn)定度。輻照不穩(wěn)定度的定義如上圖所示。
每個(gè)維度都分為三個(gè)等級(jí)之一：A、B 或 C。每個(gè)等級(jí)所需的規(guī)格在下表中定義。在所有三個(gè)維度上都滿足 A 級(jí)規(guī)范的太陽(yáng)模擬器被稱(chēng)為 A 級(jí)太陽(yáng)模擬器，或者有時(shí)稱(chēng)為 AAA 級(jí)
特性 | 等級(jí) A | 等級(jí) B | 等級(jí) C |
光譜匹配度 | 0.75-1.25 | 0.6-1.4 | 0.4-2.0 |
輻照不均勻度 | ≤±2% | ≤±5% | ≤±10% |
輻照不穩(wěn)定度 | ≤±2% | ≤±5% | ≤±10% |
太陽(yáng)模擬光譜通過(guò)多個(gè)波長(zhǎng)間隔的積分輻照度進(jìn)一步指定。AM 1.5G 的標(biāo)準(zhǔn)地球光譜以及地外光譜AM 0的總輻照度百分比如下表 所示。
波長(zhǎng)(λ)范圍/μm | 各波段總輻照度的百分比 |
0.4-0.5 | 18.5 |
0.5-0.6 | 20.1 |
0.6-0.7 | 18.3 |
0.7-0.8 | 14.8 |
0.8-0.9 | 12.2 |
0.9-1.1 | 16.1 |
這些規(guī)范主要用于測(cè)試硅基太陽(yáng)能電池測(cè)試，因此定義間隔的光譜范圍主要限于硅的吸收區(qū)域。這種定義也能滿足其他光伏技術(shù)，包括基于CdTe或CIGS技術(shù)的薄膜太陽(yáng)能電池，
太陽(yáng)模擬器光源的類(lèi)型
氙燈
氙燈是一種高強(qiáng)度氣體放電燈，通過(guò)瞬間產(chǎn)生的高壓使氣體發(fā)生電離，形成放電通道，產(chǎn)生電弧光，然后在較低的工作電壓下保持穩(wěn)定的弧光放電。氙燈光譜圖如下圖1-3 所示，紅線是氙燈發(fā)光的光譜，黃線是標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光光譜，可以看出，氙燈發(fā)光的光譜與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光十分近似，只是在部分波長(zhǎng)有很高的尖峰。
利用氙燈作為太陽(yáng)光模擬器的光源存在的主要優(yōu)點(diǎn)如下：一是光譜匹配度高，氙燈的色溫在 6000K 左右，與太陽(yáng)光十分近似，從上圖 1-3 中可以看出，氙燈光譜與am1.5g 標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光光譜十分近似，光譜匹配度很高；二是氙燈的光響應(yīng)速度快，氙燈是通過(guò)瞬間產(chǎn)生的 20kV 高壓脈沖將氙氣電離形成發(fā)光的電弧，不需要預(yù)熱就能達(dá)到穩(wěn)定的光輸出；三是氙燈的發(fā)光亮度十分高，具有很高的發(fā)光效率，十分適合制作大面積的太陽(yáng)光模擬器。利用氙燈制作太陽(yáng)光模擬器也有一些缺陷：一是氙燈需要高達(dá) 20kV 的電壓來(lái)啟動(dòng)，具有一定的危險(xiǎn)性，不適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)合使用；二是穩(wěn)定性較差，氙燈需要20kV 的高壓來(lái)啟動(dòng)，啟動(dòng)器在長(zhǎng)時(shí)間容易發(fā)生故障，而且燈泡容易失效，故障率相對(duì)較高；三是光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氙燈的光譜中有許多遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離的尖峰，需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的濾光結(jié)構(gòu)將這些尖峰過(guò)濾掉。
金屬鹵化物弧光燈
鹵鎢燈，又稱(chēng)鹵素?zé)?、石英燈等，是?duì)白熾燈的一種改進(jìn)，鹵鎢燈在玻璃外殼中充有碘或者溴等鹵族元素氣體。鹵鎢燈的工作原理為：與白熾燈類(lèi)似，鹵鎢燈也是通過(guò)燈絲發(fā)熱而發(fā)光，不同的是鹵鎢燈的燈絲在發(fā)熱時(shí)，部分鎢原子受熱蒸發(fā)，移動(dòng)到玻璃外殼附近后，由于外殼溫度較低鎢原子又降溫和鹵素原子結(jié)合在一起，形成鹵化鎢，鹵化鎢在高溫時(shí)并不穩(wěn)定，在隨著熱流回到燈絲附近后，鹵化鎢遇熱分解，又重新分離為鎢原子和鹵素蒸汽，這樣鎢原子又重新回到了燈絲上，彌補(bǔ)被蒸發(fā)的部分。這種鎢原子循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得鹵鎢燈的壽命比白熾燈更長(zhǎng)，而且由于工作溫度更高，發(fā)光的亮度、色溫以及發(fā)光效率都高于白熾燈。
利用鹵鎢燈作為太陽(yáng)光模擬器光源，在可見(jiàn)光至近紅外范圍內(nèi)具有連續(xù)穩(wěn)定的發(fā)光光譜，發(fā)光強(qiáng)度也比較高，但也存在以下問(wèn)題：一是與太陽(yáng)光光譜匹配度低，如圖1-2 所示，是鹵素?zé)舻墓庾V圖，可以看出鹵鎢燈發(fā)出的光線大部分是紅外光，紅外波段能量遠(yuǎn)大于太陽(yáng)光，缺少藍(lán)紫光，可見(jiàn)光波段能量占比也很少；二是亮度調(diào)節(jié)范圍較窄，鹵鎢燈可以調(diào)光，但是調(diào)光范圍十分有限，因?yàn)辂u鎢燈是通過(guò)發(fā)熱來(lái)發(fā)光，必須保證燈絲足夠高的溫度，因?yàn)闇囟冗^(guò)低時(shí)，不僅僅會(huì)使得色溫更低，還可能終止鹵鎢循環(huán)，影響燈泡正常工作；三是慮光系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，需設(shè)計(jì)慮光系統(tǒng)，過(guò)濾掉能量過(guò)多的紅外輻射光線；四是穩(wěn)定性差，鹵鎢循環(huán)過(guò)程中，一些鹵化鎢會(huì)附著在燈泡內(nèi)壁導(dǎo)致鹵鎢燈泡發(fā)黑，影響鹵鎢燈的光輸出；五是使用壽命短，鹵鎢燈的失效原因和白熾燈類(lèi)似，主要是燈絲蒸發(fā)后逐漸變細(xì)，時(shí)間長(zhǎng)后可能會(huì)熔斷，雖然鹵鎢燈的壽命相較白熾燈有所提高，但是相較 LED 等其他光源，壽命仍然偏低；六是發(fā)光效率低，與白熾燈類(lèi)似大部分電能轉(zhuǎn)化為了熱能，只有少部分能量轉(zhuǎn)化為了光能，發(fā)光效率遠(yuǎn)低于氙燈和LED 燈；七是預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，鹵鎢燈是通過(guò)燈絲發(fā)熱來(lái)發(fā)光，在燈絲溫度低時(shí)發(fā)光色溫也低，必須等待燈絲溫度足夠高時(shí)，才有足夠高的色溫。
LED
LED 全稱(chēng)是發(fā)光二極管，是一種能夠發(fā)光的半導(dǎo)體器件，LED 的主要發(fā)光部件是由 PN 結(jié)組成的，PN 結(jié)由電子（帶負(fù)電）多的 N 型半導(dǎo)體和空穴（帶正電）多的 P 型半導(dǎo)體結(jié)合而成，當(dāng)向 PN 結(jié)施加正向電壓時(shí)，電子就會(huì)移動(dòng)并在結(jié)合部再次結(jié)合，在結(jié)合的過(guò)程中產(chǎn)生大量的能量，而這些能量以光的形式釋放出來(lái)。LED 的發(fā)光是自發(fā)輻射的過(guò)程，其發(fā)光的波長(zhǎng)僅僅與 PN 的材料有關(guān)，而與電流的大小無(wú)關(guān)。對(duì)于白光LED，通常是由藍(lán)光 LED 激發(fā)黃色熒光粉從而形成白光。
利用 LED 作為太陽(yáng)光模擬器的光源具有如下優(yōu)點(diǎn)：一是光譜范圍廣，目前市場(chǎng)上已有多種波長(zhǎng)的 LED 成熟產(chǎn)品，通過(guò)不同波長(zhǎng)的 LED 組合，可覆蓋太陽(yáng)光的整個(gè)光譜范圍；二是安全穩(wěn)定可控，LED 工作的電壓很低，使用低壓恒流源驅(qū)動(dòng)，相對(duì)于氙燈采用高壓脈沖啟動(dòng)，更加安全穩(wěn)定可控；三是使用壽命長(zhǎng)，LED 光源的壽命約為幾萬(wàn)小時(shí)，遠(yuǎn)比鹵鎢燈氙燈等光源壽命長(zhǎng)；四是亮度調(diào)節(jié)范圍廣，LED 的亮度可以通過(guò)電流來(lái)控制，電流的大小僅僅影響 LED 發(fā)光的亮度，不會(huì)影響 LED 發(fā)光的波長(zhǎng)，因此LED 太陽(yáng)光模擬器的總輻照度調(diào)節(jié)范圍很大。利用 LED 光源制作太陽(yáng)光模擬器也有一些缺點(diǎn)：?jiǎn)蝹€(gè) LED 的發(fā)光光譜范圍十分有限，為了與太陽(yáng)光光譜匹配，需要用很多 LED 進(jìn)行組合，因此需要對(duì)各種 LED 進(jìn)行獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)，最終組合成太陽(yáng)光，因此采用 LED 光源制作的太陽(yáng)光模擬器的驅(qū)動(dòng)電源會(huì)比較復(fù)雜。另外，多種不同 LED 光線之間的混光，以及 LED 的散熱等問(wèn)題也是需要考慮到的缺陷。
隨著 LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成熟，驅(qū)動(dòng)、散熱、混光、控制等問(wèn)題逐步得到解決，LED 太陽(yáng)光模擬器已經(jīng)逐漸成為太陽(yáng)光模擬器未來(lái)發(fā)展的方向。我國(guó)是光伏產(chǎn)業(yè)大國(guó)，也是 LED 制造大國(guó)，研制 LED 太陽(yáng)光模擬器，不僅有助于降低太陽(yáng)能電池生產(chǎn)測(cè)試的成本，而且有助于產(chǎn)業(yè)間和合作共贏。采用穩(wěn)定可靠的 LED 太陽(yáng)光模擬器作為測(cè)試時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)光源，對(duì)于提升產(chǎn)品品質(zhì)也有重要意義。同時(shí)，LED 光源的高安全性，也使得其更適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
