太陽能模擬器的基本原理

太陽能模擬器—俗稱仿真機，用來完整模擬地球表面或者太空區(qū)域中真實太陽光的一種工業(yè)化設備，太陽能模擬器需要真實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中重要的性能測試設備。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：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，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、時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，因此是選e性吸收，結果導致非常復雜的光譜分布。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都在變化。因此從測試的角度來考慮，需要規(guī)定一個標準的地面太陽光譜分布。

目前國內外的標準都規(guī)定，在晴朗的氣候條件下，當太陽透過大氣層到達地面所經過的路程為大氣層厚度的1.5倍時，其光譜為標準地面太陽光譜，簡稱AM1.5標準太陽光譜。此時太陽的天頂角為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

對空間應用，規(guī)定的標準輻照度為1367w/m2（另一種較早的標準規(guī)定為1353w/m2），對地面應用，規(guī)定的標準輻照度為1000w/m2。實際上地面陽光和很多復雜因素有關，這一數(shù)值僅在特定的時間及理想的氣候和地理條件下才能獲得。地面上比較。

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

綜上所述，標準地面陽光條件具有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，這樣的標準陽光在室外能找到的機會很少，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際上，太陽能電池的溫度是受日照強度影響。為研究日照強度對太陽能電池外部特性的影響，僅改變曰照強度而保持其他條件（如太陽電池溫度和大氣質量等）不變。短路電流Isc線性地與日照強度成正比，而開路電壓3Voc變化很慢，成對數(shù)關系。國際上定義標準日照強度條件為1000W/m2，稱為峰值照度。

當電池溫度發(fā)生變化時，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系依賴與日照強度，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輸出輻照度穩(wěn)定不變的太陽模擬器，它的優(yōu)點是能提供連續(xù)照射的標準太陽光，使測量工作能從容不迫的進行。缺點是為了獲得較大的輻照面積，它的光學系統(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并不連續(xù)發(fā)光，只在很短的時間內（通常是毫秒量級以下）以脈沖形式發(fā)光。其優(yōu)點是瞬間功率可以很大，而平均功率卻很小。其缺點是由于測試工作在極短的時間內進行，因此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相當復雜，在大面積太陽電池組件測量時，目前一般都采用脈沖式太陽模擬器，用計算機進行數(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，紅外線含量太多，紫外線含量太少。作為廉價的太陽模擬器避免采用昂貴的濾光設備，通常用3cm厚的水膜來濾除一部分紅外線，使它近紅外區(qū)的光譜適當改善，但卻無法補充過少的紫外線.

冷光燈

冷光燈是由鹵鎢燈和一種介質膜反射鏡構成的組合裝置。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計成高色溫，可達3400K，但使它的壽命大大縮短，額定壽命僅50小時。因此需經常更換。

大面積陽光模擬器實驗房

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。氙燈模擬器的缺點從光學方面來考慮是它的光斑很不均約，需要有一套復雜的光學積分裝置來使光斑均勻。從電落來考慮是已需要一套復雜而比較龐大的電源及起輝裝置?？偟膩碚f，氙燈模擬器的缺點是裝宣復雜，價格昂貴，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準太陽光譜一致，另一種情況是被測太陽電池的光譜響應和標準太陽電池的光譜響應一致。這兩種特殊情況都難以嚴格地實現(xiàn)，而二種情況相比之下，后一種情況更難實現(xiàn)，因為待測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一致的標準太陽電池。光譜響應之所難于控制，一方面出于工藝上的原因，在眾多復雜因素的影響下，即使是同工藝、同結構、同材料，甚至是同一批生產出來的太陽電池，并不能保證具有相同的光譜響應，另一方面來自測試的困難光譜響應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測量一下。因此為了改善光譜匹配，辦法是設計光譜分布和標準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不必再提出要求。

太陽模擬器測試非晶硅薄膜的注意點

太陽電池，也稱為光伏電池，是將太陽光輻射能直接轉換為電能的器件，而測量太陽能電池的效率是通過用輻射強度計測定入射太陽光的功率和測量電池在最大功率點產生的電功率的辦法來實現(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，加上輻射強度計刻度誤差，使測量結果難以精確和穩(wěn)定。在大多生產廠家，使用模擬太陽光的室內模擬器進行太陽能電池效率的測試，室內模擬器的光強和光譜分布是用經標準太陽光定標的標準片來校準的。

目前一些實驗室或者測試機構，經常用晶硅太陽電池作為標準件來測試非晶硅薄膜太陽電池，導致嚴重的測量誤差，從而使得很多人對非晶硅薄膜的性能產生質疑。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。

為了比較和評價太陽電池，人們制定了國際標準測試條件。實用地面應用的太陽電池的國際標準測試條件為：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 大氣質量；太陽光在大氣層外垂直輻照時為AMO光譜；太陽光在地球表面垂直輻照時為AM1光譜當太陽天頂角48.2度時，為AM1.5光譜）。

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

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

二、在特定范圍內，用來做比較測試的光源的光譜成分必須接近標準光源的光譜成分。

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）較標準AM1.5光譜而言非常豐富，失配嚴重。

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區(qū)別，否則可能導致嚴重的測量誤差。

第一、       校準輻照度：應選用恰當?shù)摹Ｓ糜诜蔷Ч杼栯姵販y試的非晶硅標準太陽電池來校準輻照度。如果采用單晶硅或者多晶硅太陽電池作為標準來校準輻照度，將會得到毫無意義的測試結果。當然，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，即使用單晶硅標準太陽電池校準輻照度也能獲得正確的結果，當然，這個在一般生產或者實驗室是很難做到的。

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盡可能選用在300納米到800納米波長范圍內，光譜特性非常接近AM1.5太陽光譜。

第三、       非晶硅的光譜響應波長范圍為400納米到800納米，而單晶硅光譜響應波長范圍為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)段的光譜比標準的AM1.5的光譜更為豐富。采用單晶硅標準件標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，但對單晶硅太陽電池的電流有著非常大的貢獻，這就會產生嚴重的失配，導致非晶硅太陽電池的電流大幅度被壓低，引起嚴重的測量誤差。

第四、光譜響應：太陽電池的光譜響應就是當某一波長的光照射在電池表面上時，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差異很大，同時考慮電池的光譜響應和光源的光譜分布這兩個因素就能夠得到更好的測量結果；更進一步來說，多結薄膜電池中各結的電流匹配也需要對每結的光譜響應做出精確的測量。非晶硅太陽電池的光譜響應特性與所加偏置光及偏置電壓有關，在非標準條件下進行測試和換算時應注意相關條件。