模擬光源完美打造 - 太陽光模擬器規範指引與應用

內容

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 (參考:Naylor, Mark; Kevin C. Farmer. Sun damage and prevention):

  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。

Solar irradiance spectrum

圖1. 大氣層表面與海平面的太陽輻射光譜圖 (摘自維基百科)。

什麼是大氣質量? 大氣質量如何影響太陽光?

  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。

  大氣質量定義公式:AM= 1/cosθ, 其中θ為陽光與地面的夾角。

Air Mass AM definition AM0 AM1 AM1.5

AM 0:當太陽光垂直地表時,大氣層以外的太陽光平均照度(亦稱為太陽常數)。

AM 1:太陽光垂直入射,穿過大氣層到達地表的平均輻射照度。

AM 1.5:太陽光以夾角θ=48.2˚穿過1.5倍大氣層,到達地表的平均輻射照度。

AM 2:太陽光以夾角θ=60.1˚穿過2倍大氣層,到達地表的平均輻射照度。

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。

  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

  由於太陽能電池主要是受光照影響,在不同地區、不同時間,太陽能電池的發電效果則明顯不同。為了統一評價太陽能電池的發電效果,制訂國際標準測試條件:AM 1.5, 1000W/m225 °C (AM=1/cosθ)

  太陽常數 (Solar Constant):單位面積受到垂直入射的平均太陽輻射強度。

以人造衛星測得的數值是每平方米約1366瓦特 (AM 0 =1366 W/m2)

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。

評價太陽光模擬器的國際規範與相關參數的計算公式

  AM光譜輻射照度: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。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:

AM 條件國際規範輻射照度 (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 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

  除了輻射照度外,IEC (國際電工委員會)公告了IEC 60904-9,定義了什麼是太陽光模擬器,並規範了評價太陽光模擬器的標準。重要的項目定義與說明如下:

  • 太陽光模擬器 (Solar simulator):具有近似自然太陽光光譜的光源,用於光伏器件的標定。
  • 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。
Non-uniformity Solar Simulator

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AM1.5光譜在波長400~1100 nm (Table 1) 及 300~1200 nm(Table 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:
Instability Solar Simulator

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。

  依據IEC 60904-9:2020,太陽光模擬器的評價分級定義如下表:

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

註*:Class A+只適合定義光譜匹配度標定之波長範圍為300~1200 nm

太陽光模擬器的應用領域

  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:

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

如何選擇太陽光模擬器?

需求的光譜範圍應用領域推薦產品
AM 0太空應用﹅人造衛星AM 0標準光譜模擬光源:SS-ZXR
AM 1.5標準光伏器件研究AM1.5G標準光譜模擬光源:SS-X
新型光伏器件﹅疊層光伏器件研究AM1.5G可變標準光譜模擬光源:SS-PST100R
新能源開發 (如:水製氫)
光觸媒研究
通用型光源:ALS-300-G2
環境敏感性材料開發 (需要與手套箱整合)客製模擬光源:SS-XRC、SS-FZ5
一般室內照明室內光伏器件研究室內標準光譜模擬光源:ILS-30

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