引言

在当今的钙钛矿太阳能电池科技领域中，太阳光模拟器的重要性不言而喻。然而，现有的模拟器在光谱调整和模拟真实太阳光方面仍存在诸多挑战。本文将介绍一种创新的太阳光模拟器技术——单氙灯光源的使用，并探讨如何利用此技术实现光谱可调的超A级太阳光模拟器。

本文将详细介绍这些技术的运作原理和实现过程，并探讨如何利用这些技术实现更精确的太阳光模拟，以满足未来太阳能技术的需求。

长久以来，人们普遍认为氙灯是一种气体放电灯，光谱由灯泡内气体分子能级跃迁来决定。因此，使用氙灯灯泡的太阳光模拟器的光谱难以改变，更无法调变其输出的光谱特征。

下图为典型氙灯光谱与AM1.5G标准太阳光光谱的分布。我们可以看到一般氙灯光谱在可见光波段的色温(约6000K)，是最接近太阳光色温5500K的人造光源。但是在红外波段(> 800nm)就与AM1.5G标准太阳光谱有着显著的差异。

为了克服这些差异，光焱科技利用先进的光学模拟软件，设计太阳光模拟器的光学系统。并运用精密的多层镀膜技术来控制复杂的薄膜涂层工艺，通过调整与优化各层厚度，光焱科技的SS-PST100R太阳光模拟器达到了超越A+等级的AM1.5光谱。

先进光学设计与精密镀膜工艺 – 创造超A+级5G太阳光谱

由SS-PST100R太阳光模拟器输出的辐照度光谱与AM1.5G标准太阳光谱的对比图如下。

单氙灯SS-PST100R太阳光模拟器的辐照度光谱不仅在可见光波段与AM1.5G标准太阳光谱十分吻合，在近红外波段(NIR)与短波红外(SWIR)波段也有十分良好的光谱匹配度。

根据最新IEC模拟器分类标准IEC 60904-9:2020，SS-PST100R的光谱覆盖率(SPC)达到100%，而各波段光谱等级达到A++级(< 6%, A+级: 12.5%; A级: 25%)，光谱误差率(SPD, 0%为理想值)达到13.1%，已达到理想双光源模拟器的SPD级别(~8.4%)。

巧妙的光谱控制 – 光线入射角度控制- 薄膜干涉原理的应用极致

每当非法线方向入射光(入射角AOI ≠ 0)，照射到两种不同介质（例如空气和玻璃）之间的界面时，斯涅尔定律(Snell’s Law)表明，当光进入第二种介质时，入射光的角度将会发生变化。变化程度取决于各自的折射率。

当薄膜干涉现象发生时，入射角AOI的透射光谱会产生”蓝移(Blue Shift)”的现象。代表着不同波长的透射光谱会随着入射角AOI的变化而变化。这种角度偏移造成光谱改变的现象，可以用下面的公式来描述：

• λ_θ = 对应于入射角θ处感兴趣特征的波长
• λ_o = 对应于法向入射时感兴趣的特征的波长
• n_o = 入射介质的折射率
• n_eff = 干涉薄膜的有效折射率
• θ = 入射角

光焱科技单氙灯光谱可调模拟器的创新之处，利用光学元件上的镀膜设计，并控制氙灯光束到达各光学元件的入射角度，利用反射、透射的光谱会随着入射光角度的不同而产生显著变化，进而达到使用单一灯泡光源，调整光学元器件的空间位置与角度，改变太阳光模拟器输出的光谱。

目前已完成相关的专利申请。如上所述，利用光学设计与精密镀膜工艺，使单氙灯太阳光模拟器可以达到与AM1.5G标准太阳光谱差异< 6%的要求，可以让钙钛矿硅叠层太阳能电池各结子电池的电流匹配误差达到IEC 60904-1-1：2017标准测试规范的要求。

而要使叠层太阳能电池各结子电池的光谱失配因子Zij能够更加匹配、具有更小的光谱误差，以降低叠层电池IV特性曲线测试的不确定度，需要能够调整单氙灯太阳光模拟器的光谱。针对钙钛矿-硅叠层太阳能电池具有两个子电池，其吸收波段为300 nm~ 750nm的”顶电池”(钙钛矿子电池)与750nm1200nm的”底电池”(硅子电池)，两个吸收波段。因此，针对钙钛矿-硅叠层太阳能电池的光谱可调太阳光模拟器开发，并不需要任意波段的调整光谱，只需要针对两个子电池的吸收波段(300nm750nm与750nm1200nm两个波段)进行光谱的调整，即可达到IEC 60904-1-1:2017规范要求的各结子电池的光谱失配因子Zij小于1%的要求。

除了可以控制Zij失配因子外，只针对这两结子电池波段光谱可调(即调整300nm750nm与750nm1200nm两个波段相对光谱强度)，可大幅简化光谱调整的复杂度。对比LED模拟器，在350nm1000nm波段中，就有20种不同的LED波段需要调整，至少有上百种光谱组合的调整，而怎样的波段配比，才能让多结电池光谱失配因子Zij可以达到IEC 60904-1-1:2017规范要求？

需要不断地将各种光谱与各子电池的光谱响应递推迭代进IEC 60904-1-1:2017的Zij公式中，直到得到最小Zij的LED光谱组合出现为止，方能进行下一个IV测量的步骤。过程十分精密与繁琐，通常需要有自动计算的软件配合。详细的调整各波段并计算子电池失配因子与子电池电流平衡因子的公式与方法，可以参阅[多结太阳能电池精准IV特性测试方法之光谱调整与失配因子计算]

结论

本文主要讨论了如何利用单氙灯光源，实现光谱可调的超A级太阳光模拟器。我们首先研究了氙灯的基本特性，并提出了一种创新的技术，将先进的光学设计与精密镀膜工艺结合，使得单氙灯太阳光模拟器可以达到与AM1.5G标准太阳光谱差异< 6%的要求。然后，我们进一步探讨了如何利用光学元件上的镀膜设计，并控制氙灯光束到达各光学元件的入射角度，以改变太阳光模拟器输出的光谱。最后，我们介绍了利用此技术，可以大幅简化光谱调整的复杂度，使得钙钛矿-硅叠层太阳能电池各结子电池的光谱失配因子Zij可以达到IEC 60904-1-1:2017规范要求的各结子电池的光谱失配因子Zij小于1%的要求。总的来说，这种创新的技术为太阳光模拟器的发展开辟了新的可能性。