太陽(yáng)能模擬器的基本原理

太陽(yáng)能模擬器—俗稱(chēng)仿真機(jī)，用來(lái)完整模擬地球表面或者太空區(qū)域中真實(shí)太陽(yáng)光的一種工業(yè)化設(shè)備，太陽(yáng)能模擬器需要真實(shí)的還原太陽(yáng)光照射特定區(qū)域的表現(xiàn)。為太陽(yáng)電池及組件生產(chǎn)中重要的性能測(cè)試設(shè)備。通過(guò)模擬太陽(yáng)光照射到電池片表面。測(cè)詞太陽(yáng)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(yáng)電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光具有不同的響應(yīng)，就是說(shuō)輻照度相同而光譜成分不同的光照射到同一太陽(yáng)電池上，其效果是不同的，太陽(yáng)光是各種波長(zhǎng)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(yáng)光譜幾乎相當(dāng)于6000K的黑體輻射光譜，稱(chēng)為AMO光譜。

在地面上，由于太陽(yáng)光透過(guò)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(yáng)天頂角變化，陽(yáng)光透射的途徑不同吸收情況也不同。所以地面陽(yáng)光的光譜隨時(shí)都在變化。因此從測(cè)試的角度來(lái)考慮，需要規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的地面太陽(yáng)光譜分布。

目前國(guó)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(yáng)透過(guò)大氣層到達(dá)地面所經(jīng)過(guò)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(yáng)光譜，簡(jiǎn)稱(chēng)AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜。此時(shí)太陽(yáng)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(duì)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(duì)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(yáng)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(jiàn)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(yáng)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(yáng)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(yáng)光條件具有1000w/m2的輻照度，AM1.5的太陽(yáng)光譜以及足夠好的均勻性和穩(wěn)定性，這樣的標(biāo)準(zhǔn)陽(yáng)光在室外能找到的機(jī)會(huì)很少，而太陽(yáng)電池又必須在這種條件下測(cè)量，因此，的辦法是用人造光源來(lái)模擬太陽(yáng)光，即所謂太陽(yáng)模擬器。

溫度、日照度變化對(duì)太陽(yáng)能電池影響實(shí)際上，太陽(yáng)能電池的溫度是受日照強(qiáng)度影響。為研究日照強(qiáng)度對(duì)太陽(yáng)能電池外部特性的影響，僅改變?cè)徽諒?qiáng)度而保持其他條件（如太陽(yáng)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(kāi)路電壓3Voc變化很慢，成對(duì)數(shù)關(guān)系。國(guó)際上定義標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度條件為1000W/m2，稱(chēng)為峰值照度。

當(dāng)電池溫度發(fā)生變化時(shí)，由圖（2-3）可見(jiàn)，開(kāi)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(yáng)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(lài)與日照強(qiáng)度，見(jiàn)圖（2-4）

太陽(yáng)能模擬器的分類(lèi)

1.穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器

穩(wěn)態(tài)太陽(yáng)模擬器是在工作時(shí)輸出輻照度穩(wěn)定不變的太陽(yáng)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(yáng)光，使測(cè)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(yáng)模擬器。

2.脈沖式太陽(yáng)模擬器

脈沖太陽(yáng)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(jí)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(cè)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(yáng)電池組件測(cè)量時(shí)，目前一般都采用脈沖式太陽(yáng)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(yáng)光模擬器

3.太陽(yáng)能模擬器的光源

太陽(yáng)模擬器的光源用來(lái)裝置太陽(yáng)模擬器的光源通常有以下幾種：鹵光、燈冷光、氙燈

鹵光燈

簡(jiǎn)易型太陽(yáng)模擬器常用鹵光燈來(lái)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(yáng)模擬器避免采用昂貴的濾光設(shè)備，通常用3cm厚的水膜來(lái)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(wú)法補(bǔ)充過(guò)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(duì)紅外線幾乎是透明的，而對(duì)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(jiǎn)易型太陽(yáng)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(yáng)光模擬器實(shí)驗(yàn)房

氙燈

氙燈的光譜分布從總的情況來(lái)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(yáng)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(yáng)光譜。氙燈模擬器的缺點(diǎn)從光學(xué)方面來(lái)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(lái)使光斑均勻。從電落來(lái)考慮是已需要一套復(fù)雜而比較龐大的電源及起輝裝置?？偟膩?lái)說(shuō)，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(yáng)模擬器某些光學(xué)特性的檢測(cè)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(yáng)模擬器的光譜和標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜一致，另一種情況是被測(cè)太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)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(cè)太陽(yáng)電池是多種多樣的，不可能每一片待測(cè)電池都配上和它光譜響應(yīng)一致的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)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(lái)的太陽(yáng)電池，并不能保證具有相同的光譜響應(yīng)，另一方面來(lái)自測(cè)試的困難光譜響應(yīng)的測(cè)量要比伏安特性麻煩得多，也不易測(cè)量正確，不可能在測(cè)量伏安特性之前先把每片太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)測(cè)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(yáng)光譜非常接近的精密型太陽(yáng)模擬器，從而對(duì)太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)不必再提出要求。

太陽(yáng)模擬器測(cè)試非晶硅薄膜的注意點(diǎn)

太陽(yáng)電池，也稱(chēng)為光伏電池，是將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件，而測(cè)量太陽(yáng)能電池的效率是通過(guò)用輻射強(qiáng)度計(jì)測(cè)定入射太陽(yáng)光的功率和測(cè)量電池在最大功率點(diǎn)產(chǎn)生的電功率的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用這種方法存在的困難是被測(cè)電池的性能在很大程度上取決于太陽(yáng)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(cè)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(yáng)光的室內(nèi)模擬器進(jìn)行太陽(yáng)能電池效率的測(cè)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(yáng)光定標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)片來(lái)校準(zhǔn)的。

目前一些實(shí)驗(yàn)室或者測(cè)試機(jī)構(gòu)，經(jīng)常用晶硅太陽(yáng)電池作為標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)測(cè)試非晶硅薄膜太陽(yáng)電池，導(dǎo)致嚴(yán)重的測(cè)量誤差，從而使得很多人對(duì)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(yáng)電池的好壞或者適用性呢？在此，大致描述一下太陽(yáng)模擬器測(cè)試非晶硅薄膜的注意點(diǎn)。

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

采用標(biāo)定過(guò)的參考電池為基準(zhǔn)，為了使這個(gè)測(cè)量方法能夠得到準(zhǔn)確的結(jié)果，必須滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：

一、在特定的范圍內(nèi)，參考電池和被測(cè)電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光譜響應(yīng)必須一致。這個(gè)條件通常要求參考電池和被測(cè)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(lái)做比較測(cè)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(jiàn)的脈沖燈光源模擬器，光譜接近太陽(yáng)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(yáng)電池電性能測(cè)試方法從原則到具體程序都和單晶硅、多晶硅太陽(yáng)電池電性能測(cè)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(cè)量誤差。

第一、       校準(zhǔn)輻照度：應(yīng)選用恰當(dāng)?shù)摹?zhuān)用于非晶硅太陽(yáng)電池測(cè)試的非晶硅標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池來(lái)校準(zhǔn)輻照度。如果采用單晶硅或者多晶硅太陽(yáng)電池作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)輻照度，將會(huì)得到毫無(wú)意義的測(cè)試結(jié)果。當(dāng)然，按照光譜失配的理論，如果所選的用的測(cè)試光源十分理想，那么，即使用單晶硅標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)電池校準(zhǔn)輻照度也能獲得正確的結(jié)果，當(dāng)然，這個(gè)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(yáng)電池電性能測(cè)試的太陽(yáng)模擬器的光源應(yīng)盡可能選用在300納米到800納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光譜特性非常接近AM1.5太陽(yáng)光譜。

第三、       非晶硅的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為400納米到800納米，而單晶硅光譜響應(yīng)波長(zhǎng)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(yáng)模擬器來(lái)測(cè)非晶硅太陽(yáng)電池，在800納米到1100納米波段對(duì)非晶硅太陽(yáng)電池電流沒(méi)有任何貢獻(xiàn)，但對(duì)單晶硅太陽(yáng)電池的電流有著非常大的貢獻(xiàn)，這就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失配，導(dǎo)致非晶硅太陽(yáng)電池的電流大幅度被壓低，引起嚴(yán)重的測(cè)量誤差。

第四、光譜響應(yīng)：太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)就是當(dāng)某一波長(zhǎng)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(yáng)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(gè)因素就能夠得到更好的測(cè)量結(jié)果；更進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，多結(jié)薄膜電池中各結(jié)的電流匹配也需要對(duì)每結(jié)的光譜響應(yīng)做出精確的測(cè)量。非晶硅太陽(yáng)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(cè)試和換算時(shí)應(yīng)注意相關(guān)條件。