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)：
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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 (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。
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/m2、25 °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 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 |
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 (%) |
|
|---|---|---|---|
| 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 |
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 (%) |
|
|---|---|---|---|
| 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 |
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。
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：
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：
| Classification | Spectral match to all intervals specified in Table 1 or Table 2 | Spatial non-uniformity of irradiance (%) | Temporal Instability: Short term instability of irradiance, STI (%) | Temporal Instability: Long term instability of irradiance, LTI (%) |
|---|---|---|---|---|
| A+ (*) | 0.875 to 1.125 | 1 | 0.25 | 1 |
| A | 0.75 to 1.25 | 2 | 0.5 | 2 |
| B | 0.6 to 1.4 | 5 | 2 | 5 |
| C | 0.4 to 2.0 | 10 | 10 | 10 |
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 |
