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):

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。

Solar irradiance spectrum

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。

Air Mass AM definition AM0 AM1 AM1.5

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 1.5GAM1.5D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 0ASTM E4901366.1
AM 1.5 GASTM G1731000.4
AM 1.5 DASTM G173900.1
AM 1.5 GIEC 60904-31000

  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
(%)
1400 to 50018.418.4
2500 to 60019.938.3
3600 to 70018.456.7
4700 to 80014.971.6
5800 to 90012.584.1
6900 to 110015.9100.0

  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
(%)
1300 to 47016.6116.61
2470 to 56116.7433.35
3561 to 65716.6750.02
4657 to 77216.6366.65
5772 to 91916.6683.31
6919 to 120016.69100.00

  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。
Non-uniformity Solar Simulator

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:
Instability Solar Simulator

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:

ClassificationSpectral match to all intervals specified in Table 1 or Table 2Spatial non-uniformity of irradiance
(%)
Temporal Instability: Short term instability of irradiance, STI
(%)
Temporal Instability: Long term instability of irradiance, LTI
(%)
A+ (*)0.875 to 1.12510.251
A0.75 to 1.2520.52
B0.6 to 1.4525
C0.4 to 2.0101010

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

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