太陽能模擬器的基本原理

太陽能模擬器—俗稱仿真機(jī)，用來完整模擬地球表面或者太空區(qū)域中真實(shí)太陽光的一種工業(yè)化設(shè)備，太陽能模擬器需要真實(shí)的還原太陽光照射特定區(qū)域的表現(xiàn)。為太陽電池及組件生產(chǎn)中重要的性能測試設(shè)備。通過模擬太陽光照射到電池片表面。測詞太陽電池的電性能參數(shù)。

光強(qiáng)：1000W/m2光譜分布：AM1.5電池溫度：25℃

光譜分布

太陽電池對不同波長的光具有不同的響應(yīng)，就是說輻照度相同而光譜成分不同的光照射到同一太陽電池上，其效果是不同的，太陽光是各種波長的復(fù)合光，它所含的光譜成分組成光譜分布曲線，而且其光譜分布也隨地點(diǎn)、時(shí)間及其它條件的差異而不同，在大氣層外情況很單純，太陽光譜幾乎相當(dāng)于6000K的黑體輻射光譜，稱為AMO光譜。

在地面上，由于太陽光透過大氣層后被收掉一部分，這種吸收和大氣層的厚度及組成有關(guān)，因此是選e性吸收，結(jié)果導(dǎo)致非常復(fù)雜的光譜分布。而且隨著太陽天頂角變化，陽光透射的途徑不同吸收情況也不同。所以地面陽光的光譜隨時(shí)都在變化。因此從測試的角度來考慮，需要規(guī)定一個標(biāo)準(zhǔn)的地面太陽光譜分布。

目前國內(nèi)外的標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定，在晴朗的氣候條件下，當(dāng)太陽透過大氣層到達(dá)地面所經(jīng)過的路程為大氣層厚度的1.5倍時(shí)，其光譜為標(biāo)準(zhǔn)地面太陽光譜，簡稱AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜。此時(shí)太陽的天頂角為48.19°，原因是這種情況在地面上比較有代表性。

輻照度及其均勻性

對空間應(yīng)用，規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)輻照度為1367w/m2（另一種較早的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為1353w/m2），對地面應(yīng)用，規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)輻照度為1000w/m2。實(shí)際上地面陽光和很多復(fù)雜因素有關(guān)，這一數(shù)值僅在特定的時(shí)間及理想的氣候和地理?xiàng)l件下才能獲得。地面上比較。

常見的輻射照度是在600~900w/m2范圍內(nèi)，除了輻照度數(shù)值范圍以外，太陽輻射的特點(diǎn)之一是其均勻性，這種均勻性保證了同一太陽電池方陣上各點(diǎn)的輻照度相同。

綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)地面陽光條件具有1000w/m2的輻照度，AM1.5的太陽光譜以及足夠好的均勻性和穩(wěn)定性，這樣的標(biāo)準(zhǔn)陽光在室外能找到的機(jī)會很少，而太陽電池又必須在這種條件下測量，因此，的辦法是用人造光源來模擬太陽光，即所謂太陽模擬器。

溫度、日照度變化對太陽能電池影響實(shí)際上，太陽能電池的溫度是受日照強(qiáng)度影響。為研究日照強(qiáng)度對太陽能電池外部特性的影響，僅改變曰照強(qiáng)度而保持其他條件（如太陽電池溫度和大氣質(zhì)量等）不變。短路電流Isc線性地與日照強(qiáng)度成正比，而開路電壓3Voc變化很慢，成對數(shù)關(guān)系。國際上定義標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度條件為1000W/m2，稱為峰值照度。

當(dāng)電池溫度發(fā)生變化時(shí)，由圖（2-3）可見，開路電壓Voc線性地隨電池溫度變化，而短路電流Isc輕微變化。這里是指太陽能電池溫度的變化，而不是環(huán)境溫度。環(huán)境溫度與電池溫度的關(guān)系依賴與日照強(qiáng)度，見圖（2-4）

太陽能模擬器的分類

1.穩(wěn)態(tài)太陽模擬器

穩(wěn)態(tài)太陽模擬器是在工作時(shí)輸出輻照度穩(wěn)定不變的太陽模擬器，它的優(yōu)點(diǎn)是能提供連續(xù)照射的標(biāo)準(zhǔn)太陽光，使測量工作能從容不迫的進(jìn)行。缺點(diǎn)是為了獲得較大的輻照面積，它的光學(xué)系統(tǒng)，以及光源的供電系統(tǒng)非常龐大。因此比較適合于制造小面積太陽模擬器。

2.脈沖式太陽模擬器

脈沖太陽模擬器在工件時(shí)并不連續(xù)發(fā)光，只在很短的時(shí)間內(nèi)（通常是毫秒量級以下）以脈沖形式發(fā)光。其優(yōu)點(diǎn)是瞬間功率可以很大，而平均功率卻很小。其缺點(diǎn)是由于測試工作在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，在大面積太陽電池組件測量時(shí)，目前一般都采用脈沖式太陽模擬器，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。

多頭光源陽光模擬器

3.太陽能模擬器的光源

太陽模擬器的光源用來裝置太陽模擬器的光源通常有以下幾種：鹵光、燈冷光、氙燈

鹵光燈

簡易型太陽模擬器常用鹵光燈來裝置。但鹵光燈的色溫值在2300K左右，它的光譜和日光相差很遠(yuǎn)，紅外線含量太多，紫外線含量太少。作為廉價(jià)的太陽模擬器避免采用昂貴的濾光設(shè)備，通常用3cm厚的水膜來濾除一部分紅外線，使它近紅外區(qū)的光譜適當(dāng)改善，但卻無法補(bǔ)充過少的紫外線.

冷光燈

冷光燈是由鹵鎢燈和一種介質(zhì)膜反射鏡構(gòu)成的組合裝置。這種反射鏡對紅外線幾乎是透明的，而對其余光線卻能起良好的反射作用。因此經(jīng)反射后紅外線大大減弱而其它光線卻成倍增加。和鹵鎢燈相比，冷光燈的光譜有了大輻度的改善，而且避免了非常累贅的水膜濾光裝置。因此目前簡易型太陽模擬器多數(shù)采用冷光燈。為了使它的色溫盡可能的提高些，和冷光罩配合的鹵鎢燈常設(shè)計(jì)成高色溫，可達(dá)3400K，但使它的壽命大大縮短，額定壽命僅50小時(shí)。因此需經(jīng)常更換。

大面積陽光模擬器實(shí)驗(yàn)房

氙燈

氙燈的光譜分布從總的情況來看比較接近于日光，但在0.8m 0.1m之可有紅外線，比大面光天幾倍。因此必須用濾光片濾除，現(xiàn)代的精密太陽模擬器幾乎都用燈作電源，主要原因是光譜比較接近日光，只要分別加上不同的濾光片即奇獲得AM0或AM1.5等不同的太陽光譜。氙燈模擬器的缺點(diǎn)從光學(xué)方面來考慮是它的光斑很不均約，需要有一套復(fù)雜的光學(xué)積分裝置來使光斑均勻。從電落來考慮是已需要一套復(fù)雜而比較龐大的電源及起輝裝置。總的來說，氙燈模擬器的缺點(diǎn)是裝宣復(fù)雜，價(jià)格昂貴，特別是有效輔照面積很難做得很大。

太陽模擬器某些光學(xué)特性的檢測由上述容易看到，在兩種特殊情況下光譜失配誤差消失：一種情況是太陽模擬器的光譜和標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜一致，另一種情況是被測太陽電池的光譜響應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的光譜響應(yīng)一致。這兩種特殊情況都難以嚴(yán)格地實(shí)現(xiàn)，而二種情況相比之下，后一種情況更難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇郎y太陽電池是多種多樣的，不可能每一片待測電池都配上和它光譜響應(yīng)一致的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池。光譜響應(yīng)之所難于控制，一方面出于工藝上的原因，在眾多復(fù)雜因素的影響下，即使是同工藝、同結(jié)構(gòu)、同材料，甚至是同一批生產(chǎn)出來的太陽電池，并不能保證具有相同的光譜響應(yīng)，另一方面來自測試的困難光譜響應(yīng)的測量要比伏安特性麻煩得多，也不易測量正確，不可能在測量伏安特性之前先把每片太陽電池的光譜響應(yīng)測量一下。因此為了改善光譜匹配，辦法是設(shè)計(jì)光譜分布和標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜非常接近的精密型太陽模擬器，從而對太陽電池的光譜響應(yīng)不必再提出要求。

太陽模擬器測試非晶硅薄膜的注意點(diǎn)

太陽電池，也稱為光伏電池，是將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件，而測量太陽能電池的效率是通過用輻射強(qiáng)度計(jì)測定入射太陽光的功率和測量電池在最大功率點(diǎn)產(chǎn)生的電功率的辦法來實(shí)現(xiàn)。使用這種方法存在的困難是被測電池的性能在很大程度上取決于太陽光光譜成分，但是光譜成分的精確程度受到季節(jié)變化、地區(qū)差異和氣候條件等各種因素的影響，加上輻射強(qiáng)度計(jì)刻度誤差，使測量結(jié)果難以精確和穩(wěn)定。在大多生產(chǎn)廠家，使用模擬太陽光的室內(nèi)模擬器進(jìn)行太陽能電池效率的測試，室內(nèi)模擬器的光強(qiáng)和光譜分布是用經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)太陽光定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)片來校準(zhǔn)的。

目前一些實(shí)驗(yàn)室或者測試機(jī)構(gòu)，經(jīng)常用晶硅太陽電池作為標(biāo)準(zhǔn)件來測試非晶硅薄膜太陽電池，導(dǎo)致嚴(yán)重的測量誤差，從而使得很多人對非晶硅薄膜的性能產(chǎn)生質(zhì)疑。那么，如何正確比較不同材料，工藝的太陽電池的好壞或者適用性呢？在此，大致描述一下太陽模擬器測試非晶硅薄膜的注意點(diǎn)。

為了比較和評價(jià)太陽電池，人們制定了國際標(biāo)準(zhǔn)測試條件。實(shí)用地面應(yīng)用的太陽電池的國際標(biāo)準(zhǔn)測試條件為：光譜為AM1.5，輻照度為1000瓦/平方米，測試溫度為25攝氏度（AM:Air Mass 大氣質(zhì)量；太陽光在大氣層外垂直輻照時(shí)為AMO光譜；太陽光在地球表面垂直輻照時(shí)為AM1光譜當(dāng)太陽天頂角48.2度時(shí)，為AM1.5光譜）。

采用標(biāo)定過的參考電池為基準(zhǔn)，為了使這個測量方法能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果，必須滿足以下兩個條件：

一、在特定的范圍內(nèi)，參考電池和被測電池對不同波長的光譜響應(yīng)必須一致。這個條件通常要求參考電池和被測電池是由同種半導(dǎo)體材料并用相似的生產(chǎn)工藝制成。

二、在特定范圍內(nèi)，用來做比較測試的光源的光譜成分必須接近標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜成分。

目前比較常見的脈沖燈光源模擬器，光譜接近太陽光，但是紅外部分（800納米至1100納米）較標(biāo)準(zhǔn)AM1.5光譜而言非常豐富，失配嚴(yán)重。

非晶硅太陽電池電性能測試方法從原則到具體程序都和單晶硅、多晶硅太陽電池電性能測試相同，但必須注意以下幾點(diǎn)區(qū)別，否則可能導(dǎo)致嚴(yán)重的測量誤差。

第一、       校準(zhǔn)輻照度：應(yīng)選用恰當(dāng)?shù)?、專用于非晶硅太陽電池測試的非晶硅標(biāo)準(zhǔn)太陽電池來校準(zhǔn)輻照度。如果采用單晶硅或者多晶硅太陽電池作為標(biāo)準(zhǔn)來校準(zhǔn)輻照度，將會得到毫無意義的測試結(jié)果。當(dāng)然，按照光譜失配的理論，如果所選的用的測試光源十分理想，那么，即使用單晶硅標(biāo)準(zhǔn)太陽電池校準(zhǔn)輻照度也能獲得正確的結(jié)果，當(dāng)然，這個在一般生產(chǎn)或者實(shí)驗(yàn)室是很難做到的。

第二、       光源：用于非晶硅太陽電池電性能測試的太陽模擬器的光源應(yīng)盡可能選用在300納米到800納米波長范圍內(nèi)，光譜特性非常接近AM1.5太陽光譜。

第三、       非晶硅的光譜響應(yīng)波長范圍為400納米到800納米，而單晶硅光譜響應(yīng)波長范圍為400納米到1100納米。由于模擬器用燈光源的光譜在800nm到1100nm的紅外區(qū)段的光譜比標(biāo)準(zhǔn)的AM1.5的光譜更為豐富。采用單晶硅標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)定太陽模擬器來測非晶硅太陽電池，在800納米到1100納米波段對非晶硅太陽電池電流沒有任何貢獻(xiàn)，但對單晶硅太陽電池的電流有著非常大的貢獻(xiàn)，這就會產(chǎn)生嚴(yán)重的失配，導(dǎo)致非晶硅太陽電池的電流大幅度被壓低，引起嚴(yán)重的測量誤差。

第四、光譜響應(yīng)：太陽電池的光譜響應(yīng)就是當(dāng)某一波長的光照射在電池表面上時(shí)，每一光子平均所能收集到的載流子數(shù)。由于用不同材料和工藝制造的太陽電池的光譜響應(yīng)差異很大，同時(shí)考慮電池的光譜響應(yīng)和光源的光譜分布這兩個因素就能夠得到更好的測量結(jié)果；更進(jìn)一步來說，多結(jié)薄膜電池中各結(jié)的電流匹配也需要對每結(jié)的光譜響應(yīng)做出精確的測量。非晶硅太陽電池的光譜響應(yīng)特性與所加偏置光及偏置電壓有關(guān)，在非標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行測試和換算時(shí)應(yīng)注意相關(guān)條件。