■ 馮云峰 劉皎 李翔 楊暢民 黃國華

（1.陜西眾森電能科技有限公司； 2.西安特種設備檢驗檢測院；3.西安理工大學理學院；4.西安交通大學理學院)

0 引言

太陽模擬器在光伏電池領域主要用于模擬標準太陽輻照照射在太陽電池上，處理其輸出的電流、電壓信號，最后獲得被測電池的光電效率、短路電流、開路電壓、峰值功率信息等。太陽模擬器的主要指標為光譜與AM 1.5標準的匹配度、輻照不均勻度和不穩(wěn)定度。根據IEC 6090-9標準，將太陽模擬器分為A、B、C 3級，見表1。表中需要注意的是：

3)輻照不穩(wěn)定度：在輻照面同一位置，按規(guī)定的時間間隔測試，

4)AM 1.5標準光譜是，在晴朗氣候條件下，太陽光到達地面的路程是所穿過大氣1.5倍厚度時的光譜。

表1 模擬器等級分類

3項指標都達到A級的太陽模擬器，稱為3A級模擬器。然而，隨著光伏工業(yè)制造水平的不斷提升和終端市場對太陽電池的要求提高，太陽電池制造商需要更精準的太陽模擬器來檢測光伏電池，以幫助他們提升技術工藝或定位產品，實際上3A級模擬器已逐漸不能滿足這種需求。在此背景下，光伏工業(yè)迫切需要更高端的、超越3A級指標的太陽模擬器，簡稱超A級模擬器。目前在國內和國際上對超A級太陽模擬器還沒有明確的技術標準，本文根據國外超A級模擬器的技術指標，以及目前光伏廠家劃分太陽電池等級的標準，擬定本次研制模擬器的技術目標。其與3A級太陽模擬器的技術參數對比見表2。

表2 超A級與3A級模擬器的參數對比

用戶使用太陽模擬器時，除了以上指標外，還會關注太陽模擬器的輻照度重復性，即同一太陽電池在固定位置重復測試多次后，其短路電流值的差異情況。在本設計中另外要求10000次測試中輻照度重復性小于0.3%。

1 超A級光譜匹配度的實現

太陽電池是光譜選擇性器件，對不同波長有不同的響應度，為了保證測試的準確性必須讓模擬器的光譜極為接近地面標準光譜AM 1.5，衡量這一接近程度的指標是光譜匹配度。

超A級太陽模擬器的光譜主要決定于氙燈、濾波片、聚光器表面材質。然而，要實現良好的光譜匹配，設備首先必須有穩(wěn)定的光譜特征。影響光譜特征的因素見表3。

表3 光譜變化因素及防止措施

表3給出了為實現模擬器光譜穩(wěn)定而采取的措施，表明長弧氙燈非常穩(wěn)定的光譜分布是超A級太陽模擬器實現高光譜匹配的重要保障[1]。與此同時，由圖1可知，長弧氙燈的光譜分布較接近太陽光譜，差別主要是300～700 nm波段偏低、800～1100 nm波段能量偏高，加濾光片后得到改善。

圖1 超A級太陽模擬器的光譜

本設計采用的濾光片基底為二氧化硅，表面鍍30層反光膜，主要抑制800～1100 nm波段的通過率[2]。加載濾光片后，使用光譜儀測試輻照面不同的20個點，長弧氙燈光譜與AM 1.5標準的匹配度為0.93～1.06，達到0.9～1.1的目標。

2 超A級輻照均勻度的實現

輻照度對太陽電池的短路電流和峰值功率的影響較明顯；在輻照度強弱不均勻的輻照面上，太陽電池的測試結果會隨位置不同而有明顯的變化，這意味著測試結果不準確。所以，精密的模擬器要求將輻照不均勻度控制在盡可能小的范圍內。

如圖2所示，在本文研制的模擬器中，輻照面距光源8 m，輻照面尺寸為3 m×3 m，光源近似為朗伯體，且由于尺寸較小可視為點光源。

圖2 超A級太陽模擬器的光路示意圖

在朗伯體光源中，

輻照面中心點O的輻照度表達式為：輻照面邊角點P的輻照度表達式為[3]：

此時，輻照不均勻度的表達式為：

將θ=13°代入式(4)可知，此時輻照不均勻度約為3.9%，分布為中心強四周弱的“凸”形。

為了將輻照不均勻度減小到1%以內，需在光源中添加陰影積分裝置，該裝置可在輻照面上產生一個中心弱四周強的“凹”形輻照分布。不斷優(yōu)化陰影積分裝置，使其產生“凹”形分布與設備原“凸”形輻照分布恰好互相補償，則可獲得較小的輻照不均勻度。

陰影積分裝置的優(yōu)化過程在Zemax仿真軟件中進行。在非序列模式下對模擬器的光學系統建立完整模型并進行仿真，每個氙燈追跡1000萬光線，經過多次調節(jié)后，獲得非常良好的均勻輻照，仿真結果如圖3所示。

圖3 仿真模型中輻照面的輻照度分布

如圖3所示，3 m×3 m輻照面的著色圖，從藍色到紅色輻照度依次增強，經過分析，最強輻照度為4950 W/m2，最弱輻照度為4880 W/m2，系統的輻照不均勻度為0.71% ；經過多次仿真，輻照面沒有固定的強弱區(qū)域，說明已達到很高的均勻性。將仿真獲得的光學積分裝置安裝在太陽模擬器上進行實測，測試方法為：輻照面尺寸為3 m×3 m，共分為15×15個小格子，每個格子尺寸為20 cm×20 cm。由于光伏電池的短路電流與輻照度具有線性正比關系，所以用短路電流來表征輻照度。在不均勻性測試中，將20 cm×20 cm的太陽電池分別放在15×15個小格子上測試，記錄其短路電流值，找到Imax和Imin。設備的輻照不均勻度計算式為：

試制的3臺設備，實測輻照不均勻度分別為0.49%、0.61%、0.73%，均滿足小于1%的設計要求。

3 超A級輻照穩(wěn)定度及重復性的實現

輻照不穩(wěn)定性主要考量模擬器抗干擾能力強弱、光源及供電電路的穩(wěn)定性，穩(wěn)定的輻照度是精準測試的保障。在本設計中，使用自反饋電路實時控制氙燈電流，以實現10 ms脈沖時間內的真實輻照度與預設輻照度一致。其具體過程為：當氙燈輸出偏大(偏小)，位于輻照面上的反饋電池會輸出比基準偏高(偏低)的電壓，該電壓會減少(增大)經過氙燈的電流，氙燈輸出降低(增加)；這個自反饋調節(jié)的周期只需幾十納秒，持續(xù)的自反饋調節(jié)保證了反饋電池輸出電壓與基準相等，此時真實輻照度與預設輻照度一致，這同時保證了測試的輻照穩(wěn)定度和重復性。

輻照不穩(wěn)定度測試方法為：使用示波器獲取監(jiān)控電池在一次測試10 ms中輸出電流值[4]，根據式(5)，可得實測結果為0.14%。

輻照度重復性測試方法為：依然使用太陽電池的短路電流來表征輻照度。在測試中，將太陽電池組件放置在輻照面上測試10000次，記錄短路電流值，找到Imax和Imin。設備的輻照度重復性根據式(5)計算，經過10000次測試，輻照重復性為0.2%。

由以上研究可得超A級模擬器實測結果與預定指標對比，見表4。

表4 超A級模擬器實測結果與預定指標對比

4 結論

本文研制成功的超A級大型脈沖式太陽模擬器，將光伏電池檢測的準確性提高到了新的層次。借助超A太陽模擬器的精確測試，太陽電池制造商可更加可靠地驗證其生產工藝、改進產生的效果，這必然會促進太陽電池生產技術的發(fā)展。

[1]杜秀蘭， 徐亮.長弧氙燈的特性及應用前景[J].光電技術應用， 2003， 6(3)∶ 32 － 35.

[2]潘永強， 施洋， 杭凌俠.太陽能模擬器濾光片的研制[J].真空科學與技術學報， 2010， 30(5)∶ 470－473.

[3]黃啟祿.基于均勻照明的LED陣列的仿真研究與設計[D].福建∶ 華僑大學， 2007.

[4]尹德金， 石雷兵， 周碧紅.太陽模擬器輻照不穩(wěn)定性測試方法[J].上海計量測試， 2012，(5)∶ 5－7.