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太阳光模拟器 – 基础知识与工作原理介绍

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什么是太阳光谱?

  太阳光是来自太阳所有频谱的电磁辐射,其光谱与温度5,800K的黑体非常接近,其中99.9 %的能量集中在红外光区、可见光区和紫外光区。

  太阳光谱依波长的升幂排列分成五个区域 (引用自:Mark F. Naylor & Kevin C. Farmer; Sun damage and prevention; http://telemedicine.org/sundam/sundam2.4.1.html):

  1. UVC (Ultraviolet C):波长范围100~280 nm。UVC属于不可见光范围,由于它会被大气层吸收,因此只有非常少量能够抵达地球表面。这种辐射光谱的特性是具有杀菌力,故杀菌灯的波长多半落在这个范围。
  2. UVB (Ultraviolet B):波长范围280~315 nm。它也被大气层大量的吸收,并且和UVC一起导致光化学反应制造出臭氧层。
  3. UVA (Ultraviolet A):波长范围315~400 nm。一般认为它对DNA的伤害最小,因此常用来晒黑和做为牛皮癣的PUVA疗法。
  4. 可见光 (Visible):波长范围400~760 nm。如同名称,这是肉眼可以看见的范围。
  5. 红外光 (Infrared):波长范围760 nm~1 mm。在到达地球的电磁辐射中它们是很重要的一部分,依据波长可以分成三种类型:
      • 红外光-A:760 nm至1,400 nm
      • 红外光-B:1,400 nm至3,000 nm
      • 红外光-C:3,000 nm至1 mm

  太阳光谱会随着时间、大气层厚度、云层厚度等因素,影响太阳光频谱分布与强度,经由空气分子的散射也会产生许多漫射光。

太阳光谱﹅Solar Radiation Spectrum

图1. 大气层表面与海平面的太阳辐射光谱图 (引用自维基百科,https://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight)。

什么是大气质量?

  大气质量 (Air Mass, AM):定义为大气对地球表面接收太阳光的影响程度,不同的Air Mass亦代表不同的太阳光谱。太阳光的仰角随时间而变动,当太阳在不同仰角时,光线会经过不同厚度的大气层,此即Air Mass。

大气质量﹅Air Mass

图2 不同的大气质量代表不同的太阳光谱。

大气质量如何影响太阳光? AM0, AM1 与 AM1.5 光谱

  大气质量定义公式:AM= 1/cosθ, 其中θ为阳光与地面的夹角。

  大气层外的光谱,近似于5800K黑体,称为“AM0”,意思是“零大气”。用于太空电力应用的太阳能电池,如通信卫星上的太阳能电池,通常使用 AM0 光谱来表征。

  根据定义,太阳直接从头顶垂直穿过大气层到达海平面的光谱被称为“AM1”。这意味着“一个大气”。

  1.5 个大气厚度,对应于太阳天顶角 θ=48.2°。AM1.5下的日光照度为 109,870 勒克斯 (对应于 AM1.5 光谱为 1000.4 W/m2)。

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图3. AM0 和 AM1.5G 的光谱参考

波长范围 [nm]AM1.5DAM1.5GAM0
300–400no specno spec
4.67%
400–50016.75%18.21%
16.8%
500–600
19.49%

19.73%
16.68%
600–70018.36%18.2%14.28%
700–80015.08%14.79%11.31%
800–90012.82%12.39%8.98%
900–110016.69%15.89%13.5%
1100–1400no specno spec12.56%

表 1: ASTM三种标准光谱各波长范围的辐照度占比

数据源: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_simulator

什么是 AM1.5D 与 AM1.5G 光谱?

  太阳光以夹角θ=48.2˚穿过1.5倍大气层厚度,直达测试平面的直达辐射

  太阳光以夹角θ=48.2˚穿过1.5倍大气层厚度,到达测试平面的全部辐射照度,包含直达辐射和各角度的漫射辐射。

AM1.5D 与 AM1.5G 光谱的差异是什么?

  AM 1.5G与AM1.5D的差异:太阳辐射是指太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。地球所接受的太阳辐射能量仅为太阳总辐射量的二十亿分之一。常见的太阳辐射名词有:

  • 直达辐射 (Direct):太阳光穿透大气层时,一部分直达地面,不改变其辐射方向。
  • 漫射辐射 (Diffuse):另一部分被大气层反射和散射后发生方向改变的太阳辐射。
  • 全空辐射 (Global):经过大气层削弱后到达地面的太阳直达辐射和漫射辐射之总和。

其三者关系如公式:Global= Direct * cos(θ)+Diffuse。

什么是 AM1.5G 与 AM1.5D 的辐照强度?

  AM1.5G 和 AM1.5D 光谱的辐照强度以 SMARTS v 2.9.2 计算,根据国际标准 IEC 60904-3-Ed2。在光伏和太阳能电池 IV 测试应用中,AM1.5G 是用于地面光伏测试的标准太阳光谱。一个太阳条件下的辐照强度为 1000 W/m2。 对于聚光光伏设备,太阳能电池只能收集和感知直射部分的太阳辐射,因此,通常采用 AM1.5D 光谱作为其测试标准光谱。 AM1.5D在单太阳条件下的辐照强度为900 W/m2

 AM1.5GAM1.5D波长范围
辐照强度 (W/m2)1000 (W/m2)
900 (W/m2)
300~4000nm
100 (mW/cm2)
90 (mW/cm2)
光子通量4.291 x1017 cm–2⋅s–1
3.986×1017 cm–2⋅s–1

什么是「一个太阳强度」与「太阳常数」?

  太阳常数是测量每单位面积的平均太阳电磁辐射(总太阳辐照度)的通量密度。它是在垂直于光线的表面上测量的。

地球的截面积是127,400,000 平方公里,故整个地球接收到的功率是1.74×1017瓦特。

由于太阳表面常有有黑子等太阳活动,故太阳常数并不是固定不变的数值;一年当中变化幅度约在 1% 左右。

以人造卫星测得的数值是每平方米约1366瓦特 (AM 0 =1366 W/m2),这个强度也称为 AM0 一个太阳强度,即 AM0 光谱下的太阳强度。

太阳光谱的波长范围为何?

  有几个用于评估太阳模拟及其范围的国际标准。

  太阳光穿过大气层时,会受到空气分子的影响而产生许多漫射光,当入射角度不同,太阳光通过大气层的距离不同,发生散射的程度也随之而异。这就是本文前述的大气质量(Air Mass, AM). ASTM (美国材料与试验协会)与IEC (国际电工委员会)制定了AM光谱辐射照度的标准值如下表,定义了不同光谱的辐照强度:

大气质量国际标准辐照强度 (W/m2)
AM 0ASTM E4901366.1
AM 1.5 GASTM G1731000.4
AM 1.5 DASTM G173900.1
AM 1.5 GIEC 60904-31000

AM0, AM1.5G与AM1.5D光谱数据下载

点选下方档案可下载AM0, AM1.5G与AM1.5D光谱数据。

  IEC 60904-9定义了AM1.5G光谱辐照度数据,常用于地面光伏太阳能装置或太阳能电池相关测量领域。其辐照度分布界定了限制的(Restricted)与扩展的(Extended)两种光谱波长范围,分别为:400~1100 nm & 300~1200 nm,详细说明其辐照分布如下表2 & 表3:

表2 – IEC 60904-9 定义的全球参考太阳光谱辐照度分布在 400 nm 至 1100 nm 波长范围内各波长区间对总辐照度的贡献。

 Wavelength range
(nm)
Percentage of total irradiance in the wavelength 400 nm to 1100 nm
(%)
Cumulative integrated irradiance
(%)
1400 to 50018.418.4
2500 to 60019.938.3
3600 to 70018.456.7
4700 to 80014.971.6
5800 to 90012.584.1
6900 to 110015.9100.0

表3 – IEC 60904-9 定义的全球参考太阳光谱辐照度分布在 300 nm 至 1200 nm 波长范围内各波长区间对总辐照度的贡献。

 Wavelength range
(nm)
Percentage of total irradiance in the wavelength 400 nm to 1100 nm
(%)
Cumulative integrated irradiance
(%)
1300 to 47016.6116.61
2470 to 56116.7433.35
3561 to 65716.6750.02
4657 to 77216.6366.65
5772 to 91916.6683.31
6919 to 120016.69100.00

亦可参考: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_simulator

什么是太阳光模拟器?

  根据 IEC 60904-9,描述太阳模拟器为:配置有光源且其光谱分布近似于自然太阳光的设备,可用于评价光伏器件特性。因此,太阳光模拟器是一种人造光源,可以产生或模拟具有与太阳光相似的光谱分布及光强的光。

  许多不同类型的太阳光模拟器可用于确定 PV 器件的电流-电压 (I-V) 特性。通常,使用单灯系统太阳光模拟器来量测时,需将光伏器件放置在指定的测试区域;若为多灯系统,则应将光伏器件置放于光锥叠加的位置。各类型太阳光模拟器使用距离说明如下:

  1. 脉冲式单灯或多灯太阳光模拟器在暗室中运行,光源与光伏器件的距离通常为数米。使用挡板来抑制墙壁的内部反射。
  2. 脉冲式太阳光模拟器在封闭空间内运行,光源与光伏器件的距离通常小于一米。漫射器和反射器可用于实现指定的辐照度空间均匀性。
  3. 稳态单灯或多灯太阳光模拟器在暗室中运行,光源与光伏器件之间的距离通常为数米。
  4. 基于 LED 的多灯太阳光模拟器在光源和光伏器件之间的距离通常小于一米时运行。

  脉冲太阳模拟器可以进一步细分为在闪光期间获取全部周期的 I-V 特性曲线或部分周期的 I-V 特性曲线的长脉冲系统,以及每次闪光获取一个周期的 I-V 数据点的系统。多灯太阳光模拟器提供了光谱可调的功能,藉由叠加不同类型的灯发出的不同光谱辐照度来实现。如果可行,除了额定值外,还应参考报告的测试数据来评估太阳模拟器对特定用途或测试目的的适用性。

  多灯系统可以进一步细分为每个灯照亮整个测试区域的系统,以及单个灯仅照亮一部分测试区域的系统。

  除了光源、灯电源和光学器件之外,I-V 数据采集、电子负载和操作软件也可能是太阳模拟器的一部分。相关测量技术的要求包含在 IEC 60904 系列的其他部分中。

太阳光模拟器的用途有哪些?

  太阳光模拟器可应用的领域非常广泛,包括:能源科学﹅生物科技﹅环境工程…等。下表4说明了太阳光模拟器于不同领域的各种应用:

应用领域用途
能源科学太阳能电池/模块进行性能测试
新能源开发 (如:水制氢)
生物科技医疗药品/化妆药品开发与检测
材料应用与开发新材料开发与材料之特性测试
光触媒相关研究
建筑建筑材料的耐候性寿命测试
外观涂料的色彩研究
农业科学农林渔牧之培育实验与测试
环境工程人类与环境之间相互作用下之产物的检测

如何评价太阳光模拟器的性能?

  根据 IEC 90904-9,它定义了评价太阳光模拟器的方式。重要参数说明如下,其中包括:

  1. 辐照度的空间不均匀性
  2. 辐照度的光谱匹配
  3. 辐照强度不稳定性
  • 辐照不均匀度 (Spatial non-uniformity of irradiance):在指定测试区域的辐照度不均匀性。

  可利用辐照强度侦测器(例如:光电二极管,photodiode)量测指定照射面上不同位置的辐射照度(读值为光电流)后,再经由下列公式计算:

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需注意:标定光伏电池用的太阳光模拟器(PV cell solar simulator)的辐照不均匀度时,侦测器每次移动的步宽不可大于指定测试区域最小尺寸的五分之一。

  • 光谱匹配度 (Spectral match):符合IEC 60904-3 中AM1.5光谱在波长400~1100 nm (表1) 及 300~1200 nm(表2)的能量分布比例。
  • 辐照不稳定度 (Temporal instability):稳定度指针,要求太阳光模拟器输出光束保持稳定的光照度,以确保太阳能电池效率测试之准确性。不稳定度的计算公式如下:
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  稳定度依照IV测量系统的不同,可分为两类:

  • 瞬时不稳定度 (Short-term Instability, STI):在IV量测过程中,每一个数据点包含光照度、电压、电流等三笔信息,如果这三笔数据由不同channel量测,并且为同时取值(取值时间差在10 ns内),对标定的光谱范围为400~1100 nm而言,其瞬时稳定度即为Class A等级;对标定的光谱范围为300~1200 nm而言,其瞬时稳定度即为Class A+等级。
  • 长时不稳定度 (Long-term Instability, LTI):对于使用三个channel分别量测光照度、电压、电流三种数值的IV量测系统,LTI的数值即为撷取整个IV量测的时间。

太阳光模拟器如何分级?

  太阳光模拟器的评级是依据三个参数:光谱匹配度、辐照不均匀度和辐照不稳定度,再将其中的每一个参数分为四级:A+、A、B 或 C。每个模拟器按照光谱匹配度、测试平面中的辐照不均匀度和辐照不稳定度的顺序,用三个字母进行评级。例如:CBA,表示 C 类光谱匹配度,B 类辐照不均匀度和 A 类辐照不稳定度。

  太阳光模拟器的分级应予定期检查,以确保分级正确。例如,光谱辐照度可能会随着所用灯的工作时间而变化,或者辐照度的均匀性可能会受到测试室中的反射条件的影响。

  依据IEC 60904-9:2020,太阳光模拟器的评价分级定义如下表5:

分级光谱匹配度
(参照表1或表2)
辐照不均匀度 (%)
辐照不稳定度: 瞬时不稳定度, STI (%)辐照不稳定度: 长时不稳定度, LTI (%)
A+ (注*)0.875 to 1.12510.251
A0.75 to 1.2520.52
B0.6 to 1.4525
C0.4 to 2.0101010

  注*:Class A+只适合定义光谱匹配度标定之波长范围为300~1200 nm

什么是 AAA 太阳光模拟器?

  表6显示了用于 I-V 测量的太阳模拟器分类示例。辐照不均匀度的分类取决于感兴趣的照射面积大小。

IEC 60904-9分级光谱匹配度 (参照表1)
辐照不均匀度辐照不稳定度
A+AA+1.01 in 300 nm to 470 nm (A+)
1.05 in 470 nm to 561 nm (A+)
1.03 in 561 nm to 657 nm (A+)
0.97 in 657 nm to 772 nm (A+)
0,95 in 772 nm to 919 nm (A+)
1.05 in 919 nm to 1200 nm (A+)
1.39 % for PV cell size
10 cm x 10 cm
LTI for taking the entire I-V curve in a 200ms interval = 0.68 % (A+)
说明Worst case classification = A+Classification = AClassification = A+

  从上表6我们可以看到分类结果为A+AA+。表示光谱匹配度为A+级,10cm×10cm内辐照不均匀度为A级,辐照不稳定度为A+级。

  若有人提到某太阳光模拟器的等级是AAA,这表示其光谱匹配度为A级,辐照不均匀度为A级,辐照不稳定度为A级。

如何架构一座太阳光模拟器?

  太阳光模拟器用于模拟太阳辐照度和光谱。太阳光模拟器通常由三个主要组件组成:

(1) 光源及相关电源;
(2) 修改输出光束以满足分类要求所需的任何光学器件和滤光片;
(3) 操作模拟器的必要控制。

氙灯太阳能模拟器设计

  如果您对氙灯太阳能模拟器的设计和组件感兴趣,可以查看这篇文章 SS-X

如何量测太阳光模拟器的光谱致合度?

  首先,确认光谱仪可适用于光谱匹配测量任务。需要确保传感器的灵敏度适合于所要量测的波长范围。

  若使用脉冲式太阳模拟器,需要注意许多事项。(1)光谱仪的积分时间应适合模拟器的脉冲长度。(2)模拟器的光谱可能会在光脉冲期间发生变化。(3)在光谱偏移的情况下,辐照度监视器和待测样品之间光谱响应度的差异将会引入光谱失配误差。(4)积分时间应小于脉冲长度的一半。

  根据 IEC 60904-9 的说明,以下特性参数可能决定光谱辐照度测量的质量:

  • 波长分辨率:光谱仪的波长分辨率在可见光范围(300 nm 至 900 nm)内应等于或优于 5 nm,在近红外范围内(900 nm 至 1200 nm)应等于或优于 10 nm。(注意:波长分辨率是分光辐射计分离两条靠近的光谱线的能力的量度)
  • 光谱辐射计通常在低辐照度水平下使用钨校准灯进行校准。然而,太阳模拟器的光谱强度可能与校准条件有很大不同。
  • 杂散光或二阶波长效应。
  • 输入光学器件的角度响应:此参数在存在漫射光时有很大影响。

  欲量测太阳光模拟器的光谱致合度有许多可用的测量技术。然而,CCD 光谱辐射计技术由于其紧凑的尺寸和出色的光谱性能而成为最常见的技术。使用 CCD 光谱仪进行光谱辐照度测量通常需要使用两台仪器来涵盖完整的波长范围(例如:分别使用 Si 和 InGaAs 检测器)。Si CCD通常覆盖300-1100nm,InGaAs CCD可以覆盖900-1700nm。结合这两种仪器和适当的余弦校正光学器件,可以适当地测量太阳模拟器的光谱分布。

太阳模拟器辐照度光谱Si和InGaAs组合
太阳模拟器辐照度光谱

上述辐照度光谱是通过Si和InGaAs组合光谱仪获得的,覆盖300-1200nm波长范围。光谱分为六个部分,光谱比根据 IEC 60904-9:2020 计算。每个部分的分类都有标签。最终结果表明,该太阳模拟器的最差光谱匹配水平约为A级。

如何量测太阳光模拟器的辐照不均匀度?

  建议使用封装的晶体硅电池 (WPVS 型) 作为辐照度检测器,通过测量其短路电流来确定模拟器测试区域的辐照度不均匀性。辐照度探测器的时间响应应符合被测模拟器的特性。辐照度检测器应具有适合于太阳光模拟器和待测 PV 设备的光谱响应度的光谱响应度。

  对于光伏电池太阳光模拟器,应定义 2 cm x 2 cm 探测器尺寸。应注意光源的输出透镜与辐照度检测器之间的多次反射不会引起测量误差。改变辐照度探测器的位置并记录探测器的光电流信号。完成 8 x 8 =64 矩阵量测后,使用本文前述的方程计算辐照不均匀度,即可确定此模拟器辐照不均匀度的等级。

WPVS Si 参考电池 空间不均匀度

上图为使用 2 cm x 2 cm 封装的 WPVS Si 参考电池测量 8×8 矩阵。最大和最小强度被标记。空间不均匀度为 1.39%,为 A 级。

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