什么是太阳光谱？

太阳光是太阳发出的电磁辐射的一部分。太阳辐射的光谱接近于温度约为 5,800 K 的黑体。99.9% 的能量集中在红外线、可见光和紫外线区域。太阳光谱（太阳光谱、日光光谱）按波长顺序分为五个区域。（参考文献：Naylor, Mark; Kevin C. Farmer. Sun damage and prevention）：

1. UVC（紫外线 C）：范围为 100 至 280 nm。紫外线是指辐射频率高于紫光（因此人眼也看不见）。由于大气吸收，到达地球表面的辐射非常少。这种光谱的辐射具有杀菌特性，可用于杀菌灯。
2. UVB（紫外线 B）：UVB 范围为 280 至 315 nm。它也被地球大气大量吸收，并与 UVC 一起引起光化学反应，导致臭氧层的产生。它会直接损害 DNA 并导致晒伤。除了这种短期效应外，它还会加速皮肤老化，并显著促进皮肤癌的发展，但也是哺乳动物皮肤合成维生素 D 所必需的。
3. UVA（紫外线 A）：UVA 范围为 315 至 400 nm。该波段对 DNA 的损害较小，因此用于化妆品人工日光浴（日光浴床和日光浴床）和治疗牛皮癣的 PUVA 治疗。
4. 可见光：可见光范围为 400 至 760 nm。这个范围是肉眼可见的。它也是太阳总辐照度光谱中最强的输出范围。
5. 红外线：红外线范围为 700 nm 至 1 mm。它是到达地球的电磁辐射的重要组成部分。科学家根据波长将红外线范围分为三种：红外线 – A：760 nm 至 1,400 nm，红外线 – B：1,400 nm 至 3,000 nm，红外线 – C：3,000 nm 至 1 mm。

太阳光谱会随着时间、大气厚度和云层厚度等因素而变化。来自天空的散射和周围环境的反射也会产生大量漫射光。

图 1. 大气层上方（黄色）和地球表面（红色）的太阳辐照度光谱（来自维基百科： https://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight）。

太阳光谱中的大气质量是什么？

大气质量 (AM)：大气质量定义为大气影响地球表面接收到的太阳光量的程度。不同的大气质量也代表不同的太阳光谱。太阳光的高度角会随着时间而变化。当太阳处于不同的高度角时，光线会穿过不同厚度的大气层，这称为大气质量。

大气质量如何影响太阳光？AM0、AM1 和 AM1.5 光谱

图 2. 不同的大气质量代表不同的太阳光谱。大气质量 (AM) 的公式：AM = 1/cosθ，其中 θ 是太阳与地面之间的夹角。

• AM0：

大气层外光谱，近似于 5,800 K 的黑体，称为“AM0”，意思是“零大气”。用于太空电力应用的太阳能电池，例如通信卫星上的太阳能电池，通常使用 AM0 来表征。

• AM1：

根据定义，穿过大气层到达海平面且太阳正上方的光谱称为“AM1”。这意味着“一个大气”。

• AM1.5：

1.5 个大气厚度对应于 θ=48.2° 的太阳天顶角。A.M.1.5 下的日光照度为 109,870 lux（对应于 A.M. 1.5 光谱为 1000.4 W/m²）。

图 3. AM0 和 AM1.5G 参考光谱

表 1：三个标准光谱的 ASTM 总辐照度百分比

波长区间 [nm]	AM1.5D	AM1.5G	AMO
300–400	无规格	无规格	4.67%
400–500	16.75%	18.21%	16.8%
500–600	19.49%	19.73%	16.68%
600–700	18.36%	18.2%	14.28%
700–800	15.08%	14.79%	11.31%
800–900	12.82%	12.39%	8.98%
900–1100	16.69%	15.89%	13.5%
1100–1400	无规格	无规格	12.56%

什么是 AM1.5D 和 AM1.5G 光谱？

• AM 1.5D：

当太阳光以 θ=48.2° 的角度穿过 1.5 倍大气厚度时，会发生测试平面的直接辐射。

• AM 1.5G：

当太阳光以 θ=48.2° 的角度穿过 1.5 倍大气厚度时，会发生测试平面的总辐射。这是直接辐射和漫射辐射的总和。

AM1.5G 和 AM1.5D 光谱之间有什么区别？

AM 1.5G 和 AM1.5D 之间的区别：太阳辐射是指太阳向太空发射的电磁波和粒子流。地球接收到的太阳辐射能量仅占总太阳辐射的二十亿分之一。常见的太阳辐射术语有：

• 直接辐射：当太阳光穿过大气层时，一部分会到达地面而不改变其辐射方向。
• 漫射辐射：另一部分太阳辐射在大气反射和散射后会改变方向。
• 总辐射：大气削弱后到达地面的直接和漫射太阳辐射的总和。

直接辐射、漫射辐射和总辐射之间的关系如下：总辐射 = 直接辐射 * cos(θ) + 漫射辐射。

AM1.5G 和 AM1.5D 光谱之间有什么区别？

AM 1.5G 和 AM1.5D 之间的区别：太阳辐射是指太阳向太空发射的电磁波和粒子流。地球接收到的太阳辐射能量仅占总太阳辐射的二十亿分之一。常见的太阳辐射术语有：

• 直接辐射：当太阳光穿过大气层时，一部分会到达地面而不改变其辐射方向。
• 漫射辐射：另一部分太阳辐射在大气反射和散射后会改变方向。
• 总辐射：大气削弱后到达地面的直接和漫射太阳辐射的总和。

直接辐射、漫射辐射和总辐射之间的关系如下：总辐射 = 直接辐射 * cos(θ) + 漫射辐射。

AM1.5G 和 AM1.5D 的辐照强度是多少？

AM1.5G 和 AM1.5D 光谱的辐照强度是用 SMARTS v 2.9.2 计算的，输入值根据国际标准 IEC 60904-3-Ed2 选择。在光伏和太阳能电池 IV 测试应用中，AM1.5G 是地面光伏测试的标准太阳光谱。一个太阳条件下的辐照强度为 1000 W/m²。对于聚光光伏装置，只有太阳辐射的直接部分可以被太阳能电池收集和感应。因此，AM1.5D 光谱通常用作测试标准光谱。一个太阳条件下 AM1.5D 的辐照强度为 900 W/m²。

–	AM1.5G	AM1.5D	备注
辐照强度 (W/m2)	1000(W/m2)	900(W/m2)	300~4000nm
辐照强度 (mW/cm2)	100(mW/cm2)	90(mW/cm2)
光子通量	4.291 x1017 cm–2⋅s–1	3.986×1017 cm–2⋅s–1

什么是一个太阳强度和太阳常数？

太阳常数是单位面积平均太阳电磁辐射（总太阳辐照度）的通量密度测量值。它是在垂直于光线的表面上测量的。地球的横截面积为 127,400,000 平方公里，因此整个地球接收到的功率为 1.74×10¹⁷ 瓦。由于太阳表面经常出现太阳黑子和其它太阳活动，太阳常数不是一个物理常数；年变化范围约为 1%。通过卫星测量，其值为每平方米 1366 瓦 (AM 0 =1366 W/m²)。这种强度也称为 AM0 一个太阳强度，它代表 AM0 光谱下的太阳强度。

什么是太阳光谱及其范围？

有几项国际标准用于评估太阳光模拟及其范围。当太阳光穿过大气层时，它会受到空气粒子的影响，产生大量漫射光。太阳光穿过大气层的距离随入射角而变化，导致不同程度的散射。这称为大气质量 (AM)。ASTM（美国测试与材料协会）和 IEC（国际电工委员会）已制定 AM 光谱辐照度的标准值，规定了太阳光谱及其强度范围：

AM	国际标准	辐照度 (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

您可以在此下载 AM0、AM1.5G 和 AM1.5D 标准光谱：

资源

AM0 光谱

AM1.5D 光谱

AM1.5G 光谱

IEC 60904-3 定义了 AM1.5G 光谱辐照度数据，通常用于测量地面安装的光伏组件或太阳能电池。辐照度波长范围有两种：限制型和扩展型，如下所示（表 2 和 表 3）：

表 2 – IEC 60904-9 中给出的总体参考太阳光谱辐照度分布显示了 400 nm 至 1100 nm 限制波长范围内波长区间对总辐照度的贡献：

–	波长范围 (nm)	400 nm 至 1100 nm 波长范围内总辐照度的百分比 (%)	累积积分辐照度 (%)
1	400 至 500	18.4	18.4
2	500 至 600	19.9	38.3
3	600 至 700	18.4	56.7
4	700 至 800	14.9	71.6
5	800 至 900	12.5	84.1
6	900 至 1100	15.9	100.0

表 3 – IEC 60904-9 中给出的总体参考太阳光谱辐照度分布显示了 300 nm 至 1200 nm 扩展波长范围内波长区间对总辐照度的贡献。

–	波长范围 (nm)	300 nm 至 1200 nm 波长范围内总辐照度的百分比 (%)	累积积分辐照度 (%)
1	300 至 470	16.61	16.61
2	470 至 561	16.74	33.35
3	561 至 657	16.67	50.02
4	657 至 772	16.63	66.65
5	772 至 919	16.66	83.31
6	919 至 1200	16.69	100.00

您还可以参考：https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_simulator

什么是太阳光模拟器？

根据 IEC 60904-9，太阳光模拟器（太阳光模拟、太阳模拟器、日光模拟器）被描述为使用光谱分布与自然日光相似的光源来评估光伏装置特性的设备。因此，太阳光模拟器是一种人造光源，可以产生或模拟光谱分布和光强度与日光相似的光。各种类型的太阳光模拟器通常用于确定光伏装置的电流-电压 (I-V) 特性。通常，它们作为单灯系统工作，光伏装置放置在指定的测试区域，或者作为基于光锥叠加的多灯系统工作。例子包括：

1. 脉冲单灯或多灯太阳光模拟器：在暗室中操作。光源与光伏装置之间的距离通常为几米。挡板用于抑制墙壁的内部反射。
2. 脉冲太阳光模拟器：在外壳中操作，光源与光伏装置之间的距离通常小于一米。漫射器和反射器用于实现指定的辐照度空间均匀性。
3. 稳态单灯或多灯太阳光模拟器：在暗室中操作。光源与光伏装置之间的距离通常为几米。
4. 基于 LED 的多灯太阳光模拟器：在光源与光伏装置之间的距离通常小于 1 米时操作。

脉冲太阳光模拟器可以进一步细分为长脉冲系统和短脉冲系统，长脉冲系统在闪光期间获取全部或部分 I-V 特性，短脉冲系统每次闪光获取一个 I-V 数据点。多灯太阳光模拟器提供多种灯类型。这些仪器具有光谱可调性，可以叠加不同类型灯发出的不同光谱辐照度。如果有的话，除了额定值外，还应参考报告的测试数据来评估太阳光模拟器对特定用途或测试目的的适用性。多灯系统可以进一步细分为每个灯照亮整个测试区域的系统，以及单个灯仅照亮测试区域一部分的系统。除了光源、灯电源和光学元件外，I-V 数据采集、电子负载和操作软件也可能是太阳光模拟器的一部分。相关测量技术的要求包含在 IEC 60904 系列的其它部分中。

太阳光模拟器的用途是什么？

太阳光模拟器用于什么？太阳光模拟器可以应用于广泛的领域，包括能源科学、生物技术、环境工程等。下表显示了太阳光模拟器的领域和应用。

领域	应用
能源科学	太阳能电池或光伏组件的性能测试 新能源开发（例如：水分解）
生物技术	医疗/化妆品研究和应用
材料科学	新材料开发和测试 光催化
建筑	建筑材料的耐候性寿命测试 涂料/油漆的颜色研究
农业	农林渔牧业实验和测试
环境工程	人与环境相互作用的研究

如何评估太阳光模拟器的性能？

根据 IEC 90904-9，它定义了评估太阳光模拟器的规范。重要的参数和描述如下：

• 辐照度的空间不均匀性
• 辐照度的光谱匹配
• 辐照度的强度不稳定性

辐照度的空间不均匀性：这是指设计测试区域内辐照度的空间不均匀性。使用辐照度检测器（例如，光电二极管）测量指定辐照表面不同位置的辐照度（测量值是光电电流），然后使用以下公式计算：

注意：在测量过程中，检测器每次移动的步宽不应大于设计测试区域最小尺寸的五分之一。光谱匹配：太阳光模拟器的光谱匹配由与 IEC 60904-3 中规定的 AM 1.5 参考光谱辐照度的偏差定义。波长范围有两种：400~1100 nm（表 2）和 300~1200 nm（表 3）。时间不稳定性：这是一个稳定性指标。为确保太阳能电池效率测量的准确性，要求太阳光模拟器的输出光束保持稳定的照度。计算公式如下：

根据不同的 IV 测量系统，不稳定性可以分 为两类：短期不稳定性 (STI)：当有三条独立的数据输入线同时存储辐照度、电流和电压值时，如果在限制波长范围 400 nm 至 1100 nm 内执行光谱分类，则时间不稳定性为 A 级；如果在扩展波长范围 300 nm 至 1200 nm 内执行光谱分类，则时间不稳定性为 A+ 级。*注意：三个多通道同时触发的延迟通常小于 10 ns。长期不稳定性 (LTI)：对于使用脉冲或稳态太阳光模拟器的三通道 I-V 测量（辐照度、电流、电压），该值是获取 I-V 特性的时间。

太阳光模拟器的等级是多少？

太阳光模拟器在光谱匹配、空间不均匀性和时间不稳定性这三个类别中的每一个都可能属于四个等级（A+、A、B 或 C）之一。每个模拟器都按光谱匹配、测试平面中辐照度的不均匀性和时间不稳定性的顺序用三个字母评级（例如：CBA，表示 C 级光谱匹配、B 级空间不均匀性和 A 级时间不稳定性）。应定期检查太阳光模拟器分类，以证明分类得到维持。例如，光谱辐照度可能会随着所用灯的运行时间而变化，或者辐照度的均匀性可能会受到测试室反射条件的影响。根据 IEC 60904-9:2020，太阳光模拟器分类如下：

分类	与表 2 或表 3 中指定的所有区间的 光谱匹配	辐照度的空间不均匀性 (%)	时间不稳定性：辐照度的短期不稳定性，STI (%)	时间不稳定性：辐照度的长期不稳定性，LTI (%)
A+ (*)	0.875 至 1.125	1	0.25	1
A	0.75 至 1.25	2	0.5	2
B	0.6 至 1.4	5	2	5
C	0.4 至 2.0	10	10	10

注意*：A+ 级仅针对 300~1200 nm 的波长范围定义。

什么是 AAA 太阳光模拟器？

表中显示了用于 I-V 测量的太阳光模拟器分类示例。辐照度不均匀性的分类取决于目标尺寸。

IEC 60904-9 中指定的分类	与表 2 中指定的所有区间的 光谱匹配	特定组件尺寸的辐照度不均匀性	辐照度时间不稳定性
A+AA+	300 nm 至 470 nm 范围内为 1.01 (A+) 470 nm 至 561 nm 范围内为 1.05 (A+) 561 nm 至 657 nm 范围内为 1.03 (A+) 657 nm 至 772 nm 范围内为 0.97 (A+) 772 nm 至 919 nm 范围内为 0,95 (A+) 919 nm 至 1200 nm 范围内为 1.05 (A+)	光伏电池尺寸 10 cm x 10 cm 时为 1.39 %	在 200ms 间隔内获取整个 I-V 曲线的 LTI = 0.68 % (A+)
–	最差情况分类 = A+	分类 = A	分类 = A+

如我们所见，分类结果为 A＋AA+，表示光谱匹配为 A+ 级，10 cm x 10cm 范围内的辐照度不均匀性为 A 级，辐照度时间不稳定性为 A+ 级。当有人提到 AAA 级太阳光模拟器时，表示该太阳光模拟器具有 A 级光谱匹配、A 级辐照度不均匀性和 A 级辐照度时间不稳定性。

如何构建太阳光模拟器？

太阳光模拟器用于模拟太阳辐照度和光谱。太阳光模拟器通常由三个主要组成部分组成：(1) 光源和相关电源 (2) 修改输出光束以满足分类要求所需的任何光学元件和滤光片 (3) 操作模拟器所需的控制装置

太阳光模拟器设计

如果您对氙灯太阳光模拟器的设计和组成部分感兴趣，可以查看本文 SS-X

如何测量太阳光模拟器的光谱匹配？

光谱辐射计应适合光谱匹配测量任务。有必要确保传感器的灵敏度在目标波长范围内合适。对于脉冲型太阳光模拟器，需要注意许多事项。光谱辐射计的积分时间应适合模拟器的脉冲长度。模拟器的光谱可能会在光脉冲期间发生变化。在光谱偏移的情况下，辐照度监测器和 DUT 之间光谱响应度的差异将引入光谱失配误差。积分时间应小于脉冲长度的一半。根据 IEC 60904-9 的说明，以下特性和参数可以决定光谱辐照度测量的质量：

• 波长分辨率：光谱辐射计的波长分辨率在可见光范围（300 nm 至 900 nm）内应等于或优于 5 nm，在近红外范围（900 nm 至 1200 nm）内应等于或优于 10 nm。
• 注意：波长分辨率是光谱辐射计区分两个紧密相邻光谱线的能力的量度。
• 传感器元件的非线性：光谱辐射计通常使用低辐照度水平的钨校准灯进行校准。然而，太阳光模拟器的光谱强度可能与校准条件有很大差异。
• 杂散光或二阶波长效应。
• 输入光学元件的角度响应：在存在漫射光的情况下，此参数有显著影响。

有许多可用的测量技术。然而，CCD 光谱辐射计技术由于其尺寸紧凑和出色的光谱性能而最常用。使用 CCD 光谱辐射计进行光谱辐照度测量通常需要使用两种仪器来覆盖相关波长范围（例如，分别使用硅和铟镓砷检测器）。硅 CCD 通常覆盖 300-1100nm，而铟镓砷 CCD 可以覆盖 900-1700nm。通过组合这两种仪器和适当的余弦校正光学元件，可以适当地测量太阳光模拟器的光谱分布。

上述辐照度光谱是由硅和铟镓砷组合光谱辐射计获取的，其覆盖 300-1200nm 波长范围。光谱分为六个部分，光谱比根据 IEC 60904-9:2020 计算。标记了每个部分的分类。最终结果显示，该太阳光模拟器的最差光谱匹配等级约为 A 级。

如何测量太阳光模拟器的辐照度不均匀性？

建议使用封装晶体硅电池（WPVS 类型）作为辐照度检测器，通过测量其短路电流来确定模拟器测试区域中辐照度的不均匀性。辐照度检测器的时间响应应符合被测模拟器的特性。辐照度检测器应具有适合太阳光模拟器和待测光伏装置光谱响应度的光谱响应度。对于光伏电池太阳光模拟器，应定义 2 cm x 2 cm 的检测器尺寸。应注意光源输出透镜和辐照度检测器之间的多重反射不会导致测量误差。更改辐照度检测器的位置并记录检测器的光电电流信号。完成 8 x 8 = 64 矩阵后，使用上述不均匀性公式计算空间不均匀性。可以确定模拟器的不均匀性等级。

使用 2 cm x 2 cm 封装 WPVS 硅参考电池测量 8×8 矩阵。标记了最大和最小强度。空间不均匀性为 1.39%，属于 A 级。