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太陽光模擬器 – 基礎知識與工作原理介紹
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什麼是太陽光譜?
太陽光是來自太陽所有頻譜的電磁輻射，其光譜與溫度5,800K的黑體非常接近，其中99.9 %的能量集中在紅外光區、可見光區和紫外光區。
太陽光譜依波長的升冪排列分成五個區域 (引用自：Mark F. Naylor & Kevin C. Farmer; Sun damage and prevention; http://telemedicine.org/sundam/sundam2.4.1.html)：
1. UVC (Ultraviolet C)：波長範圍100~280 nm。UVC屬於不可見光範圍，由於它會被大氣層吸收，因此只有非常少量能夠抵達地球表面。這種輻射光譜的特性是具有殺菌力，故殺菌燈的波長多半落在這個範圍。
2. UVB (Ultraviolet B)：波長範圍280~315 nm。它也被大氣層大量的吸收，並且和UVC一起導致光化學反應製造出臭氧層。
3. UVA (Ultraviolet A)：波長範圍315~400 nm。一般認為它對DNA的傷害最小，因此常用來曬黑和做為牛皮癬的PUVA療法。
4. 可見光 (Visible)：波長範圍400~760 nm。如同名稱，這是肉眼可以看見的範圍。
5. 紅外光 (Infrared)：波長範圍760 nm~1 mm。在到達地球的電磁輻射中它們是很重要的一部分，依據波長可以分成三種類型：
紅外光-A：760 nm至1,400 nm
紅外光-B：1,400 nm至3,000 nm
紅外光-C：3,000 nm至1 mm
太陽光譜會隨著時間、大氣層厚度、雲層厚度等因素，影響太陽光頻譜分布與強度，經由空氣分子的散射也會產生許多漫射光。
圖1. 大氣層表面與海平面的太陽輻射光譜圖
(引用自維基百科， https://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight)
什麼是大氣質量?
大氣質量 (Air Mass, AM)：定義為大氣對地球表面接收太陽光的影響程度，不同的Air Mass亦代表不同的太陽光譜。太陽光的仰角隨時間而變動，當太陽在不同仰角時，光線會經過不同厚度的大氣層，此即Air Mass。
圖2. 不同的大氣質量代表不同的太陽光譜
大氣質量如何影響太陽光? AM0, AM1 與 AM1.5 光譜
大氣質量定義公式：AM＝ 1/cosθ， 其中θ為陽光與地面的夾角。
- AM0:
大氣層外的光譜，近似於5800K黑體，稱為“AM0”，意思是“零大氣”。用於太空電力應用的太陽能電池，如通信衛星上的太陽能電池，通常使用 AM0 光譜來表徵。
- AM1:
根據定義，太陽直接從頭頂垂直穿過大氣層到達海平面的光譜被稱為“AM1”。這意味著“一個大氣”。
- AM1.5:
1.5 個大氣厚度，對應於太陽天頂角 θ=48.2°。AM1.5下的日光照度為 109,870 勒克斯 （對應於 AM1.5 光譜為 1000.4 W/m2）。
圖3. AM0 和 AM1.5G 的光譜參考
什麼是 AM1.5D 與 AM1.5G 光譜?
- AM 1.5D:
太陽光以夾角θ=48.2˚穿過1.5倍大氣層厚度，直達測試平面的直達輻射。
- AM 1.5G:
太陽光以夾角θ=48.2˚穿過1.5倍大氣層厚度，到達測試平面的全部輻射照度，包含直達輻射和各角度的漫射輻射。
AM1.5D 與 AM1.5G 光譜的差異是什麼?
- AM 1.5G與AM1.5D的差異
太陽輻射是指太陽向宇宙空間發射的電磁波和粒子流。地球所接受的太陽輻射能量僅為太陽總輻射量的二十億分之一。常見的太陽輻射名詞有：
- 直達輻射 (Direct)：太陽光穿透大氣層時，一部分直達地面，不改變其輻射方向。
- 漫射輻射 (Diffuse)：另一部分被大氣層反射和散射後發生方向改變的太陽輻射。
- 全空輻射 (Global)：經過大氣層削弱後到達地面的太陽直達輻射和漫射輻射之總和。
其三者關係如公式：Global= Direct * cos(θ)+Diffuse
什麼是AM1.5G 與 AM1.5D的輻照強度?
AM1.5G 和 AM1.5D 光譜的輻照強度以 SMARTS v 2.9.2 計算，根據國際標準 IEC 60904-3-Ed2。在光伏和太陽能電池 IV 測試應用中，AM1.5G 是用於地面光伏測試的標準太陽光譜。一個太陽條件下的輻照強度為 1000 W/m2。 對於聚光光伏設備，太陽能電池只能收集和感知直射部分的太陽輻射，因此，通常採用 AM1.5D 光譜作為其測試標準光譜。 AM1.5D在單太陽條件下的輻照強度為900 W/m2。
| AM1.5G | AM1.5D | 波長範圍 | |
|---|---|---|---|
| 輻照強度(W/m2) | 1000(W/m2) | 900(W/m2) | 300~4000nm |
| 輻照強度(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 |
什麼是「一個太陽強度」與「太陽常數」?
太陽常數是測量每單位面積的平均太陽電磁輻射（總太陽輻照度）的通量密度。它是在垂直於光線的表面上測量的。地球的截面積是127,400,000 平方公里，故整個地球接收到的功率是1.74×1017瓦特。
由於太陽表面常有有黑子等太陽活動，故太陽常數並不是固定不變的數值；一年當中變化幅度約在1 %左右。以人造衛星測得的數值是每平方米約1366瓦特 (AM 0 =1366 W/m2)，這個強度也稱為 AM0 一個太陽強度，即 AM0 光譜下的太陽強度。
太陽光譜的波長範圍為何?
有幾個用於評估太陽模擬及其範圍的國際標準。
太陽光穿過大氣層時，會受到空氣分子的影響而產生許多漫射光，當入射角度不同，太陽光通過大氣層的距離不同，發生散射的程度也隨之而異。這就是本文前述的大氣質量(Air Mass, AM). ASTM (美國材料與試驗協會)與IEC (國際電工委員會)制定了AM光譜輻射照度的標準值如下表，定義了不同光譜的輻照強度：
| AM 條件 | 國際規範 | 輻射照度 (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 |
點此可下載AM0, AM1.5G與AM1.5D光譜數據：
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IEC 60904-3定義了AM1.5G光譜輻照度數據，常用於地面光伏太陽能裝置或太陽能電池相關測量領域。其輻照度分佈界定了限制的(Restricted)與擴展的(Extended)兩種光譜波長範圍，分別為：400~1100 nm & 300~1200 nm，詳細說明其輻照分佈如下表2 & 表3：
表2 – IEC 60904-9 定義的全球參考太陽光譜輻照度分佈在 400 nm 至 1100 nm 波長範圍內各波長區間對總輻照度的貢獻
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
表3 – IEC 60904-9 定義的全球參考太陽光譜輻照度分佈在 300 nm 至 1200 nm 波長範圍內各波長區間對總輻照度的貢獻
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
| 波長範圍 [nm] | AM1.5D | AM1.5G | AMO |
|---|---|---|---|
| 300–400 | no spec | no spec | 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 | no spec | no spec | 12.56% |
表 1: ASTM三種標準光譜各波長範圍的輻照度占比
資料來源: https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_simulator
什麼是太陽光模擬器?
根據 IEC 60904-9，描述太陽模擬器為：配置有光源且其光譜分佈近似於自然太陽光的設備，可用於評價光伏器件特性。因此，太陽光模擬器是一種人造光源，可以產生或模擬具有與太陽光相似的光譜分佈及光強的光。
許多不同類型的太陽光模擬器可用於確定 PV 器件的電流-電壓 (I-V) 特性。通常，使用單燈系統太陽光模擬器來量測時，需將光伏器件放置在指定的測試區域；若為多燈系統，則應將光伏器件置放於光錐疊加的位置。各類型太陽光模擬器使用距離說明如下：
- 脈衝式單燈或多燈太陽光模擬器在暗室中運行，光源與光伏器件的距離通常為數米。使用擋板來抑制牆壁的內部反射。
- 脈衝式太陽光模擬器在封閉空間內運行，光源與光伏器件的距離通常小於一米。漫射器和反射器可用於實現指定的輻照度空間均勻性。
- 穩態單燈或多燈太陽光模擬器在暗室中運行，光源與光伏器件之間的距離通常為數米。
- 基於 LED 的多燈太陽光模擬器在光源和光伏器件之間的距離通常小於一米時運行。
脈衝太陽模擬器可以進一步細分為在閃光期間獲取全部週期的 I-V 特性曲線或部分週期的 I-V 特性曲線的長脈衝系統，以及每次閃光獲取一個週期的 I-V 數據點的系統。多燈太陽光模擬器提供了光譜可調的功能，藉由疊加不同類型的燈發出的不同光譜輻照度來實現。如果可行，除了額定值外，還應參考報告的測試數據來評估太陽模擬器對特定用途或測試目的的適用性。
多燈系統可以進一步細分為每個燈照亮整個測試區域的系統，以及單個燈僅照亮一部分測試區域的系統。
除了光源、燈電源和光學器件之外，I-V 數據採集、電子負載和操作軟件也可能是太陽模擬器的一部分。相關測量技術的要求包含在 IEC 60904 系列的其他部分中。
太陽光模擬器的用途有哪些?
太陽光模擬器可應用的領域非常廣泛，包括：能源科學﹅生物科技﹅環境工程…等。下表4說明了太陽光模擬器於不同領域的各種應用：
| 應用領域 | 用途 |
|---|---|
| 能源科學 | 太陽能電池/模組進行性能測試 新能源開發 (如：水製氫) |
| 生物科技 | 醫療藥品/化妝藥品開發與檢測 |
| 材料應用與開發 | 新材料開發與材料之特性測試 光觸媒相關研究 |
| 建築 | 建築材料的耐候性壽命測試 外觀塗料的色彩研究 |
| 農業科學 | 農林漁牧之培育實驗與測試 |
| 環境工程 | 人類與環境之間相互作用下之產物的檢測 |
如何評價太陽光模擬器的性能?
根據 IEC 90904-9，它定義了評價太陽光模擬器的方式。重要參數說明如下，其中包括：
– 輻照度的空間不均勻性
– 輻照度的光譜匹配
– 輻照強度不穩定性
輻照不均勻度 (Spatial non-uniformity of irradiance)：在指定測試區域的輻照度不均勻性。
可利用輻照強度偵測器(例如：光電二極體，photodiode)量測指定照射面上不同位置的輻射照度(讀值為光電流)後，再經由下列公式計算：
需注意：標定光伏電池用的太陽光模擬器(PV cell solar simulator)的輻照不均勻度時，偵測器每次移動的步寬不可大於指定測試區域最小尺寸的五分之一。
- 光譜匹配度 (Spectral match)：符合IEC 60904-3 中5光譜在波長400~1100 nm (表1) 及 300~1200 nm(表2)的能量分布比例。
- 輻照不穩定度 (Temporal instability)：穩定度指標，要求太陽光模擬器輸出光束保持穩定的光照度，以確保太陽能電池效率測試之準確性。不穩定度的計算公式如下：
穩定度依照IV測量系統的不同，可分為兩類：
- 瞬時不穩定度 (Short-term Instability, STI)：在IV量測過程中，每一個資料點包含光照度、電壓、電流等三筆資訊，如果這三筆資料由不同channel量測，並且為同時取值(取值時間差在10 ns內)，對標定的光譜範圍為400~1100 nm而言，其瞬時穩定度即為Class A等級；對標定的光譜範圍為300~1200 nm而言，其瞬時穩定度即為Class A+等級。
- 長時不穩定度 (Long-term Instability, LTI)：對於使用三個channel分別量測光照度、電壓、電流三種數值的IV量測系統，LTI的數值即為擷取整個IV量測的時間。
太陽光模擬器如何分級?
太陽光模擬器的評級是依據三個參數：光譜匹配度、輻照不均勻度和輻照不穩定度，再將其中的每一個參數分為四級：A+、A、B 或 C。每個模擬器按照光譜匹配度、測試平面中的輻照不均勻度和輻照不穩定度的順序，用三個字母進行評級。例如：CBA，表示 C 類光譜匹配度，B 類輻照不均勻度和 A 類輻照不穩定度。
太陽光模擬器的分級應予定期檢查，以確保分級正確。例如，光譜輻照度可能會隨著所用燈的工作時間而變化，或者輻照度的均勻性可能會受到測試室中的反射條件的影響。
依據IEC 60904-9:2020，太陽光模擬器的評價分級定義如下表5：
分級 光譜匹配度
(參照表1或表2)輻照不均勻度
(%)輻照不穩定度: 瞬時不穩定度, STI(%) 輻照不穩定度: 長時不穩定度, LTI(%)
C 0.4 to 2.0 10 10 10
B 0.6 to 1.4 5 2 5
A 0.75 to 1.25 2 0.5 2
A+ (*) 0.875 to 1.125 1 0.25 1
註*：Class A+只適合定義光譜匹配度標定之波長範圍為300~1200 nm
什麼是 AAA 太陽光模擬器?
表6顯示了用於 I-V 測量的太陽模擬器分類示例。輻照不均勻度的分類取決於感興趣的照射面積大小。
IEC 60904-9分級 光譜匹配度
(參照表1)輻照不均勻度 輻照不穩定度
A+AA+ 1.01in 300 nm to 470 nm (A+)
1.05 in 470 nm to 561 nm (A+)
1.03 in 561 nm to 657 nm (A+)
0.97 in 657 nm to 772 nm (A+)
0,95 in 772 nm to 919 nm (A+)
1.05 in 919 nm to 1200 nm (A+)
1.39 % for PV cell size
10 cm x 10 cm
LTI for taking the entire I-V curve
in a 200ms interval = 0.68 % (A+)
說明 Worst case classification = A+ Classification = A Classification = A+
從上表5我們可以看到分類結果為A＋AA+。表示光譜匹配度為A+級，10cm×10cm內輻照不均勻度為A級，輻照不穩定度為A+級。
若有人提到某太陽光模擬器的等級是AAA，這表示其光譜匹配度為A級，輻照不均勻度為A級，輻照不穩定度為A級。
如何架構一座太陽光模擬器?
太陽光模擬器用於模擬太陽輻照度和光譜。太陽光模擬器通常由三個主要組件組成：
(1) 光源及相關電源；
(2) 修改輸出光束以滿足分類要求所需的任何光學器件和濾光片；
(3) 操作模擬器的必要控制。
如果您對氙燈太陽能模擬器的設計和組件感興趣，可以查看這篇文章 SS-X 。
如何量測太陽光模擬器的光譜致合度?
首先，確認光譜儀可適用於光譜匹配測量任務。需要確保傳感器的靈敏度適合於所要量測的波長範圍。
若使用脈衝式太陽模擬器，需要注意許多事項。(1)光譜儀的積分時間應適合模擬器的脈衝長度。(2)模擬器的光譜可能會在光脈衝期間發生變化。(3)在光譜偏移的情況下，輻照度監視器和待測樣品之間光譜響應度的差異將會引入光譜失配誤差。(4)積分時間應小於脈衝長度的一半。
根據 IEC 60904-9 的說明，以下特性參數可能決定光譜輻照度測量的品質：
- 波長分辨率：光譜儀的波長分辨率在可見光範圍（300 nm 至 900 nm）內應等於或優於 5 nm，在近紅外範圍內（900 nm 至 1200 nm）應等於或優於 10 nm。(注意：波長分辨率是分光輻射計分離兩條靠近的光譜線的能力的量度)
- 光譜輻射計通常在低輻照度水平下使用鎢校準燈進行校準。然而，太陽模擬器的光譜強度可能與校準條件有很大不同。
- 雜散光或二階波長效應。
- 輸入光學器件的角度響應：此參數在存在漫射光時有很大影響。
欲量測太陽光模擬器的光譜致合度有許多可用的測量技術。然而，CCD 光譜輻射計技術由於其緊湊的尺寸和出色的光譜性能而成為最常見的技術。使用 CCD 光譜儀進行光譜輻照度測量通常需要使用兩台儀器來涵蓋完整的波長範圍（例如：分別使用 Si 和 InGaAs 檢測器）。 Si CCD通常覆蓋300-1100nm，InGaAs CCD可以覆蓋900-1700nm。結合這兩種儀器和適當的餘弦校正光學器件，可以適當地測量太陽模擬器的光譜分佈。
上述輻照度光譜是通過Si和InGaAs組合光譜儀獲得的，覆蓋300-1200nm波長范圍。光譜分為六個部分，光譜比根據 IEC 60904-9:2020 計算。每個部分的分類都有標籤。最終結果表明，該太陽模擬器的最差光譜匹配水平約為A級。
如何量測太陽光模擬器的輻照不均勻度?
建議使用封裝的晶體矽電池（WPVS 型）作為輻照度檢測器，通過測量其短路電流來確定模擬器測試區域的輻照度不均勻性。輻照度探測器的時間響應應符合被測模擬器的特性。輻照度檢測器應具有適合於太陽光模擬器和待測 PV 設備的光譜響應度的光譜響應度。
對於光伏電池太陽光模擬器，應定義 2 cm x 2 cm 探測器尺寸。應注意光源的輸出透鏡與輻照度檢測器之間的多次反射不會引起測量誤差。改變輻照度探測器的位置並記錄探測器的光電流信號。完成 8 x 8 =64 矩陣量測後，使用本文前述的方程計算輻照不均勻度，即可確定此模擬器輻照不均勻度的等級。
上圖為使用 2 cm x 2 cm 封裝的 WPVS Si 參考電池測量 8×8 矩陣。最大和最小強度被標記。空間不均勻度為 1.39%，為 A 級。
