AAA級太陽模擬器的設計與研制

高 雁，劉洪波，王 麗，顧國超

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

隨著世界經濟的發展，能源的消耗越來越大，常規能源終將耗盡，而隨之帶來的環境污染問題將日益嚴重，因此，最重要的清潔能源之一—太陽能越來越引起人們的重視，而獲取太陽能的重要途徑就是使用太陽能電池。現在全球50%以上的太陽能電池片產自中國，這意味著眾多的太陽能電池廠家對太陽模擬器設備的需求會越來越多，因此，太陽能電池的功效檢測和I-V曲線測試都對模擬器與太陽光的逼近程度要求增高，即要求AAA級太陽模擬器［1-2］。所謂AAA級太陽模擬器是指光譜匹配、輻照不均勻度和輻照不穩定度都能達到A級標準［3］。目前AAA級太陽模擬器生產廠家主要是來自國外，且價格較高，而國內的廠家多是以脈沖式太陽光模擬器為主。本文設計了一種可以提供長時間穩定輻照的AAA級太陽模擬器。

2 太陽模擬器光源的選擇與濾光片的設計

要使太陽模擬器達到AAA級標準，光譜匹配精度達到A級尤為重要。由于氙燈在可見光部分與太陽光譜非常接近，選擇短弧氙燈作為光源，再加特制濾光片，就可以使光譜達到要求。

2.1 氙燈光譜測試

光譜檢測設備采用的是荷蘭Avantes公司的AvaSpec-2048光譜儀，可測量光譜為 200～1 100 nm，光譜分辨率為2.4 nm。

氙燈光源是利用氙氣放電發光的電光源。由于放電物質是惰性氣體氙氣，所以激發電位和電離電位相差較小。氙燈輻射光譜能量分布與日光十分接近，色溫約為6 000 K。氙燈連續光譜的部分光譜分布幾乎與燈輸入功率變化無關，在壽命期內光譜能量分布也變化不大。氙燈的光、電參數一致性好，工作狀態受外界條件變化的影響相對較小［4］。

本系統的光源采用XQ500短弧氙燈，功率500 W，氙燈光譜與太陽光譜的對比如圖1所示，在可見光部分氙燈光譜與太陽光譜非常接近，但在800～1 000 nm之間有很多尖峰，不能達到A級光譜的要求。

圖1 太陽光譜與氙燈光譜的對比Fig.1 Comparison of solar spectrum and xenon-lamp spectrum

2.2 濾光片的設計

本系統濾光片屬于干涉截止濾光片中的一種，它是利用干涉原理僅使特定光譜范圍的光通過的光學薄膜。常見的干涉濾光片分為截止濾光片和帶通濾光片兩種。截止濾光片要求某一譜段的光束高反射，偏離這一譜段的光束高透射［5］。

實際使用的干涉濾光片是用真空鍍膜法在透紅外的光學材料基片上交替沉積高折射率層和低折射率層形成周期性結構的多層膜。根據標準的太陽光譜曲線和氙燈光譜曲線的對比，濾光片的設計光譜透過率如表1所示。

表1 濾光片波段透過率要求Tab.1 Wavelength and transmittance of the filter

依據使用環境，濾光片的基片材料必須耐高溫，熱膨脹系數小，并且對全光譜有高透射率。根據使用要求，本文選擇JGS3石英玻璃作為基片材料。

鍍膜采用箱式光學鍍膜機，該設備配有光學膜厚控制儀(光控)和IC/5石英晶體膜厚控制儀(晶控)。通常光控法適合控制光學厚度為1/4λ整數倍的膜層，而晶控法可以控制任意厚度的膜層，由于優化后的膜系為非周期膜系，所以本實驗采用了晶控。在鍍膜過程中，基片的烘烤溫度為300℃，真空度高于5×10－3Pa，充氧后的工作真空度為1.4×10－2Pa，膜層均采用離子束輔助電子束熱蒸發技術進行沉積［6］。鍍制完成后，進行了濾光片抗高溫測試:將濾光片樣品放在太陽模擬器中的相應位置，點燃3 000 W氙燈對其進行連續照射，24 h后取出樣品，在高倍顯微鏡下觀察，發現膜層表面結構沒有變化。在實際使用中對膜系進行強制風冷換熱，因此膜層溫度耐受度沒有問題。

實際鍍制的濾光片曲線如圖2所示。濾光片膜層厚度中心波長920 nm處的透射率約為20%，半寬度約250 nm;400～700 nm波段內，平均透射率Ta≥95%，1 200～1 400 nm內平均透射率Ta≥92%，對于AM1.5G光譜的太陽模擬器來說，1 400 nm后的光譜可不作要求。

圖2 實際光譜透過率曲線Fig.2 Measured transmittance of the filter

濾光之后的氙燈光譜與太陽光譜的比較如圖3所示，由對比圖可以看出，氙燈在 800～1 100 nm之間的尖峰大幅減小，同時濾光片的設計還可以改進，氙燈光譜300～400 nm之間應再降一些，800～1 100 nm之間應再提升一些，光譜會接近AM1.5G標準太陽光譜。

2.3 太陽模擬器光譜匹配標準

圖3 太陽光譜與加濾光片的氙燈光譜Fig.3 Solar spectrum and xenon-lamp spectrum with optical filter

表2給出了ASTM E927-10光譜匹配等級。表3給出了ASTM E927-10 AM1.5G光譜各譜段標準積分值。

表2 ASTM E927-10等級標準Tab.2 ASTM class specifications

表3 ASTM 3種標準光譜的照度分布Tab.3 ASTM spectral irradiance for three standard spectra

太陽模擬器光譜匹配檢測結果:實際光譜測試圖如圖4所示，對比結果見表4。

由檢測結果可知，最大偏差為19.29%，太陽模擬器光譜匹配滿足A級標準。

表4 光譜測量結果對比Tab.4 Contrast of spectrum test results

圖4 氙燈光譜測試圖Fig.4 Xenon-lamp spectrum tested with optical filter

3 太陽模擬器的設計

3.1 光學系統

光學系統如圖5所示，太陽模擬器光學系統包括橢球聚光鏡、氙燈、第一反射鏡、濾光片、積分器組件、第二反射鏡和準直物鏡等。積分器采用9塊正方形平凸透鏡光膠在石英光膠板上，兩組相反排列。

短弧氙燈陰極尖端位于橢球鏡第一焦點，氙燈發出的光經聚光鏡反射會以一定的放大倍率匯聚到橢球鏡第二焦面上，形成一個較大范圍的輻照分布。光學積分器場鏡陣列位于橢球鏡第二焦面上，將氙燈投射過來的輻照分布對稱分割成9個小范圍的輻照范圍，再經光學積分器投影鏡陣列中對應的元素透鏡成像到無窮遠，疊加成一個較為均勻的輻照分布，然后經準直物鏡后以一定的準直角投影到準直物鏡的后焦面上，形成一個均勻的有效輻照面。第一反射鏡和第二反射鏡用來改變光路方向，使系統結構更為緊湊［7-8］。

圖5 模擬器光學系統Fig.5 Optical system of solar simulator

通過LightTools6.0照明仿真軟件進行系統仿真，按照光學系統設計尺寸建模后，微調光學元器件的設計參數，如氙燈的離焦量、積分器的軸向位移等，每次改變參數后進行蒙特-卡洛光線追跡計算，不斷優化，從而得出系統最優的設計結果［9］。系統的光線追跡如圖6所示。

圖6 蒙特-卡洛光線追跡Fig.6 Monte Carlo ray-tracing

通過仿真達到有效輻照面上的能量與氙燈離焦量的關系如圖7所示，在氙燈正向離焦0.3 mm時，有效輻照面上的能量達到最大值10.28 W。

圖7 系統能量和離焦量的關系Fig.7 Relation between system energy and off-focus distance

3.2 模擬器的結構

如圖8所示，模擬器的整體結構采用鑄鋁件，分為底座，下箱體，上箱體，前箱體四部分，箱體采用鑄件性能比較穩定，能夠保證光學件的安裝精度。箱體內壁噴黑色無反射涂層，減少雜散光。同時設計多個側門，方便更換氙燈和濾光片。

圖8 系統結構布局Fig.8 Structural layout of system

系統整機高610 mm，有效輻照面積55 mm×55 mm，位于準直鏡下方200 mm處。調燈機構設計為三向調節，用來調節氙燈的中心位置和離焦量。第一反射鏡和第二反射鏡均采用三緊三拉調整機構來對光束方向進行微調。最后太陽模擬器的調試，如圖9所示。通過激光自準直法調整光軸，達到系統要求。

圖9 太陽模擬器調試Fig.9 Debugging of solar simulation

4 太陽模擬器技術指標的測試

測量儀器使用的是以色列OPHIR公司的激光功率計，探頭接收面積為 φ 9.5 mm。在55 mm×55 mm的有效輻照面內平均分布25點進行測試，如圖10所示。輻照不均勻度按下式計算［10］:

圖10 輻照不均勻度的測試Fig.10 Test of the irradiance non-uniformity

式中:E為輻照不均勻度;Emax為輻照面上(或體積內)的輻照度最大值;Emin為輻照面上(或體積內)的輻照度最小值。

同時在有效輻照面±30 mm兩處用同樣的方法測試，輻照不均勻度分別為 ±1.42%、±1.35%、±1.49%。由此可知，太陽模擬器的輻照不均勻度指標滿足ASTM E927-10 A級標準。

太陽模擬器的輻照不穩定度主要取決于氙燈供電電源的穩定性。模擬器氙燈采用高精度開關電源，電源本身的供電穩定性小于1%，外部采用電流負反饋方式對氙燈進行穩流，氙燈電源原理如圖11所示。

圖11 氙燈電源原理框圖Fig.11 Principle of xenon-lamp power supply

在有效輻照面的中心作為測試輻照不穩定度的位置，氙燈點燃后需要20 min才能達到穩定狀態，為了更加精確，輻照不穩定性從點燈20 min后開始計算，測試曲線如圖12所示。

圖12 輻照不穩定度測試曲線Fig.12 Test of the irradiance temporal instability

輻照不穩定度表征輻照度隨時間的變化，由下式決定:

式中:E/T為時間T內的輻照不穩定度。

根據實驗輻照不穩定度達到±1.27%，滿足ASTM E927-10 A級標準。

5 結論

本文完成了一種AAA級太陽模擬器的設計、研制和實驗工作。根據氙燈光譜與標準太陽光譜的比較，研制濾光片，使得光譜匹配誤差在波長400～1 100 nm滿足ASTM E927-10 A級要求。太陽模擬器在55 mm×55 mm的有效輻照面內輻照度達到一個太陽常數，同時其輻照不均勻度、輻照不穩定度均滿足A級要求，為光伏器件的電學性能測試提供了一個可靠的平臺。

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