模拟光源完美打造 - 太阳光模拟器规范指引与应用
内容
什么是太阳光谱?
太阳光是来自太阳所有频谱的电磁辐射，其光谱与温度5,800K的黑体非常接近，其中99.9 %的能量集中在红外光区、可见光区和紫外光区。
太阳光谱依波长的升幂排列分成五个区域 (参考：Naylor, Mark; Kevin C. Farmer. Sun damage and prevention)：
- UVC (Ultraviolet C)：波长范围100~280 nm。UVC属于不可见光范围，由于它会被大气层吸收，因此只有非常少量能够抵达地球表面。这种辐射光谱的特性是具有杀菌力，故杀菌灯的波长多半落在这个范围。
- UVB (Ultraviolet B)：波长范围280~315 nm。它也被大气层大量的吸收，并且和UVC一起导致光化学反应制造出臭氧层。
- UVA (Ultraviolet A)：波长范围315~400 nm。一般认为它对DNA的伤害最小，因此常用来晒黑和做为牛皮癣的PUVA疗法。
- 可见光 (Visible)：波长范围400~760 nm。如同名称，这是肉眼可以看见的范围。
- 红外光 (Infrared)：波长范围760 nm~1 mm。在到达地球的电磁辐射中它们是很重要的一部分，依据波长可以分成三种类型：
红外光-A：760 nm至1,400 nm
红外光-B：1,400 nm至3,000 nm
红外光-C：3,000 nm至1 mm
太阳光谱会随着时间、大气层厚度、云层厚度等因素，影响太阳光频谱分布与强度，经由空气分子的散射也会产生许多漫射光。
图1. 大气层表面与海平面的太阳辐射光谱图 (摘自维基百科)
什么是大气质量? 大气质量如何影响太阳光?
大气质量(Air Mass, AM)：定义为大气对地球表面接收太阳光的影响程度，不同的Air Mass亦代表不同的太阳光谱。太阳光的仰角随时间而变动，当太阳在不同仰角时，光线会经过不同厚度的大气层，此即Air Mass。
大气质量定义公式：AM＝ 1/cosθ， 其中θ为阳光与地面的夹角。
AM 0：当太阳光垂直地表时，大气层以外的太阳光平均照度（亦称为太阳常数）。
AM 1：太阳光垂直入射，穿过大气层到达地表的平均辐射照度。
AM 1.5：太阳光以夹角θ=48.2˚穿过1.5倍大气层，到达地表的平均辐射照度。
AM 2：太阳光以夹角θ=60.1˚穿过2倍大气层，到达地表的平均辐射照度。
AM 1.5D：太阳光以夹角θ=48.2˚穿过1.5倍大气层厚度，直达测试平面的直达辐射。
AM 1.5G：太阳光以夹角θ=48.2˚穿过1.5倍大气层厚度，到达测试平面的全部辐射照度，包含直达辐射和各角度的漫射辐射。
AM 1.5G与AM1.5D的差异：太阳辐射是指太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。地球所接受的太阳辐射能量仅为太阳总辐射量的二十亿分之一。常见的太阳辐射名词有：
- 直达辐射 (Direct)：太阳光穿透大气层时，一部分直达地面，不改变其辐射方向。
- 漫射辐射 (Diffuse)：另一部分被大气层反射和散射后发生方向改变的太阳辐射。
- 全空辐射 (Global)：经过大气层削弱后到达地面的太阳直达辐射和漫射辐射之总和。
其三者关系如公式：Global= Direct * cos(θ)+Diffuse
由于太阳能电池主要是受光照影响，在不同地区、不同时间，太阳能电池的发电效果则明显不同。为了统一评价太阳能电池的发电效果，制订国际标准测试条件：AM 1.5, 1000W/m2, 25 °C (AM=1/cosθ)
太阳常数 (Solar Constant)：单位面积受到垂直入射的平均太阳辐射强度。
以人造卫星测得的数值是每平方米约1366瓦特 (AM 0 =1366 W/m2)
地球的截面积是127,400,000 平方公里，故整个地球接收到的功率是1.74×1017瓦特。
由于太阳表面常有有黑子等太阳活动，故太阳常数并不是固定不变的数值；一年当中变化幅度约在1 %左右。
评价太阳光模拟器的国际规范与相关参数的计算公式
AM光谱辐射照度：太阳光穿过大气层时，会受到空气分子的影响而产生许多漫射光，当入射角度不同，太阳光通过大气层的距离不同，发生散射的程度也随之而异。ASTM (美国材料与试验协会)与IEC (国际电工委员会)制定了AM光谱辐射照度的标准值如下表：
| AM 条件 | 国际规范 | 辐射照度 (W/m2) |
|---|---|---|
| AM 0 | ASTM E490 | 1366.1 |
| AM 1.5 G | ASTM G173 | 1000.4 |
| AM 1.5 D | ASTM G173 | 900.1 |
| AM 1.5 G | IEC 60904-3 | 1000 |
IEC 60904-3 定义了AM1.5G光谱辐照度数据，常用于地面光伏太阳能装置或太阳能电池相关测量领域。其辐照度分布界定了限制的(Restricted)与扩展的(Extended)两种光谱波长范围，分别为：400~1100 nm & 300~1200 nm，详细说明其辐照分布如下Table 1 & Table 2：
Table 1 – Global reference solar spectral irradiance distribution given in IEC 60904-3 contribution of wavelength intervals to total irradiance in the restricted wavelength range 400 nm to 1100 nm:
| Wavelength range (nm) | Percentage of total irradiance in the wavelength 400 nm to 1100 nm (%) | Cumulative integrated irradiance (%) |
|
|---|---|---|---|
| 1 | 400 to 500 | 18.4 | 18.4 |
| 2 | 500 to 600 | 19.9 | 38.3 |
| 3 | 600 to 700 | 18.4 | 56.7 |
| 4 | 700 to 800 | 14.9 | 71.6 |
| 5 | 800 to 900 | 12.5 | 84.1 |
| 6 | 900 to 1100 | 15.9 | 100.0 |
Table 2 – Global reference solar spectral irradiance distribution given in IEC 60904-3 contribution of wavelength intervals to total irradiance in the extended wavelength range 300 nm to 1200 nm:
| Wavelength range (nm) | Percentage of total irradiance in the wavelength 400 nm to 1100 nm (%) | Cumulative integrated irradiance (%) |
|
|---|---|---|---|
| 1 | 300 to 470 | 16.61 | 16.61 |
| 2 | 470 to 561 | 16.74 | 33.35 |
| 3 | 561 to 657 | 16.67 | 50.02 |
| 4 | 657 to 772 | 16.63 | 66.65 |
| 5 | 772 to 919 | 16.66 | 83.31 |
| 6 | 919 to 1200 | 16.69 | 100.00 |
除了辐射照度外，IEC (国际电工委员会)公告了IEC 60904-9，定义了什么是太阳光模拟器，并规范了评价太阳光模拟器的标准。重要的项目定义与说明如下：
- 太阳光模拟器 (Solar simulator)：具有近似自然太阳光光谱的光源，用于光伏器件的标定。
- 辐照不均匀度 (Spatial non-uniformity of irradiance)：在指定测试区域的辐照度不均匀性。
需注意：标定光伏电池用的太阳光模拟器(PV cell solar simulator)的辐照不均匀度时，侦测器每次移动的步宽不可大于指定测试区域最小尺寸的五分之一。
- 光谱匹配度 (Spectral match)：符合IEC 60904-3 中AM1.5光谱在波长400~1100 nm (Table 1) 及 300~1200 nm (Table 2) 的能量分布比例。
- 辐照不稳定度 (Temporal instability)：稳定度指标，要求太阳光模拟器输出光束保持稳定的光照度，以确保太阳能电池效率测试之准确性。不稳定度的计算公式如下：
稳定度依照IV测量系统的不同，可分为两类：
- 瞬时不稳定度 (Short-term Instability, STI)：在IV量测过程中，每一个数据点包含光照度、电压、电流等三笔信息，如果这三笔数据由不同channel量测，并且为同时取值(取值时间差在10 ns内)，对标定的光谱范围为400~1100 nm而言，其瞬时稳定度即为Class A等级；对标定的光谱范围为300~1200 nm而言，其瞬时稳定度即为Class A+等级。
- 长时不稳定度 (Long-term Instability, LTI)：对于使用三个channel分别量测光照度、电压、电流三种数值的IV量测系统，LTI的数值即为撷取整个IV量测的时间。
依据IEC 60904-9:2020，太阳光模拟器的评价分级定义如下表：
| Classification | Spectral match to all intervals specified in Table 1 or Table 2 | Spatial non-uniformity of irradiance (%) | Temporal Instability: Short term instability of irradiance, STI (%) | Temporal Instability: Long term instability of irradiance, LTI (%) |
|---|---|---|---|---|
| A+ (*) | 0.875 to 1.125 | 1 | 0.25 | 1 |
| A | 0.75 to 1.25 | 2 | 0.5 | 2 |
| B | 0.6 to 1.4 | 5 | 2 | 5 |
| C | 0.4 to 2.0 | 10 | 10 | 10 |
注*：Class A+只适合定义光谱匹配度标定之波长范围为300~1200 nm。
太阳光模拟器的应用领域
太阳光模拟器可应用的领域非常广泛，包括：能源科学﹅生物科技﹅环境工程…等：
| 应用领域 | 用途 |
|---|---|
| 能源科学 | 太阳能电池/模块进行性能测试 新能源开发 (如：水制氢) |
| 生物科技 | 医疗药品/化妆药品开发与检测 |
| 材料应用与开发 | 新材料开发与材料之特性测试 光触媒相关研究 |
| 建筑 | 建筑材料的耐候性寿命测试 外观涂料的色彩研究 |
| 农业科学 | 农林渔牧之培育实验与测试 |
| 环境工程 | 人类与环境之间相互作用下之产物的检测 |
如何选择太阳光模拟器?
| 需求的光谱范围 | 应用领域 | 推荐产品 |
|---|---|---|
| AM 0 | 太空应用﹅人造卫星 | AM 0标准光谱模拟光源：SS-ZXR |
| AM 1.5 | 标准光伏器件研究 | AM1.5G标准光谱模拟光源：SS-X |
| 新型光伏器件﹅迭层光伏器件研究 | AM1.5G可变标准光谱模拟光源：SS-PST100R | |
| 新能源开发 (如：水制氢) 光触媒研究 | 通用型光源：ALS-300-G2 | |
| 环境敏感性材料开发 (需要与手套箱整合) | 客制模拟光源：SS-XRC、SS-FZ5 | |
| 一般室内照明 | 室内光伏器件研究 | 室内标准光谱模拟光源：ILS-30 |
