引言

在當今的鈣鈦礦太陽能電池科技世界中，太陽光模擬器的關鍵性重要性不言而喻。然而，現有的模擬器在光譜調整和模擬真實太陽光方面仍存在諸多挑戰。本文將介紹一種革命性的太陽光模擬器技術——單氙燈光源的使用，並探討如何利用此一技術達成光譜可調得超A級太陽光模擬器。

本文將詳細介紹這些技術的運作原理和實現過程，並探討如何利用這些技術實現更精確的太陽光模擬，以滿足未來太陽能技術的需求。

長久以來，眾人都認為氙燈是一種氣體放電燈，光譜由燈泡內氣體分子能接躍遷來決定。因此，使用氙燈燈泡的太陽光模擬器的光譜難以改變更何況是調變其輸出的光譜特徵。

下圖為典型氙燈光譜與AM1.5G標準太陽光光譜的分佈。我們可以看到一般氙燈光譜在可見光波段的色溫(約6000K)，是最接近太陽光色溫5500K的人造光源。但是在紅外波段(> 800nm)就與AM1.5G標準太陽光譜有著顯著的差異。

為了克服這些差異，光焱科技利用先進的光學模擬軟體，設計太陽光模擬器的光學系統。並運用精密的多層鍍膜技術來控制複雜的薄膜塗層工藝，通過調整與優化各層厚度，光焱科技的SS-PST100R太陽光模擬器達到了超越A+等級的AM1.5光譜。

先進光學設計與精密鍍膜工藝 – 創造超A+級5G太陽光譜

由SS-PST100R太陽光模擬器輸出的幅照度光譜與AM1.5G標準太陽光譜的對比圖如下。

單氙燈SS-PST100R太陽光模擬器的幅照度光譜不僅在可見光波段與AM1.5G標準太陽光譜十分吻合，在近紅外波段(NIR)與短波紅外(SWIR)波段也有十分良好的光譜匹配度。

根據最新IEC模擬器分類標準IEC 60904-9:2020，SS-PST100R的光譜覆蓋率(SPC)達到100%，而各波段光譜等級達到A++級(< 6%, A+級: 12.5%; A級: 25%)，光譜誤差率(SPD, 0%為理想值)達到13.1%，已達到理想雙光源模擬器的SPD級別(~8.4%)。

巧妙的光譜控制 – 光線入射角度控制- 薄膜干涉原理的應用極致

每當非法線方向入射光(入射角AOI ≠ 0)，照射到兩種不同介質（例如空氣和玻璃）之間的界面時，斯涅爾定律(Snall’s Law)表明，當光進入第二種介質時，入射光的角度將會發生變化。變化程度取決於各自的折射率。

當薄膜干涉現象發生時，入射角AOI的穿透光譜會產生”藍移(Blue Shift)”的現象。代表著不同波長的穿透光譜會隨著入射角AOI的變化而變化。這種角度偏移造成光譜改變的現象，可以用下面的公式來描述：

• λ_θ = 對應於入射角θ處感興趣特徵的波長
• λ_o = 對應於法向入射時感興趣的特徵的波長
• n_o = 入射介質的折射率
• n_eff = 干涉薄膜的有效折射率
• θ = 入射角

光焱科技單氙燈光譜可調模擬器的創新之處，利用光學元件上的鍍膜設計，並控制氙燈光束到達各光學元件的入射角度，利用反射、透射的光譜會隨著入射光角度的不同而產生變顯著變化，進而達到使用單一燈泡光源，調整光學元器件的空間位置與角度，改變太陽光模擬器輸出的光譜。

目前已完成相關的專利申請。如上所述，利用光學設計與精密鍍膜工藝，讓單氙燈太陽光模擬器可以達到與AM1.5G標準太陽光譜差異< 6%的要求，可以讓鈣鈦礦矽疊層太陽能電池各結子電池的電流匹配誤差可以達到IEC 60904-1-1：2017標準測試規範的要求。

而要使疊層太陽能電池各結子電池的光譜失配因子Zij能夠更加匹配、具有更小的光譜誤差，以降低疊層電池IV特性曲線測試的不確定度，需要能夠調整單氙燈太陽光模擬器的光譜。針對鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池具有兩個子電池，其吸收波段為300 nm~ 750nm的”頂電池”(鈣鈦礦子電池)與750nm~1200nm 的”底電池”(矽子電池)，兩個吸收波段。因此，針對鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池的光譜可調太陽光模擬器開發，並不需要任意波段的調整光譜，只需要針對兩個子電池的吸收波段(300nm~750nm 與750nm~1200nm兩個波段)進行光譜的調整，即可達到IEC 60904-1-1:2017規範要求的各結子電池的光譜失配因子Zij小於1%的要求。除了可以控制Zij失配因子外，只針對這兩結子電池波段光譜可調(意即調整300nm~750nm 與750nm~1200nm兩個波段相對光譜強度)，可大幅簡化光譜調整的複雜度。對比LED模擬器，在350nm~1000nm波段中，就有20種不同的LED波段需要調整，至少有上百種光譜組合的調整，而怎麼樣的波段配比，才能讓多結電池光譜失配因子Zij可以達到IEC 60904-1-1:2017規範要求？需要不斷地將各種光譜與各子電池的光譜響應遞推疊代進IEC 60904-1-1:2017的Zij公式中，直到得到最小Zij的LED光譜組合出現為止，方能進行下一個IV測量的步驟。過程十分的精密與繁瑣，通常需要有自動計算的軟體做配合。詳細的調整各波段並計算子電池失配因子與子電池電流平衡因子的公式與方法，可以參閱[多結太陽能電池精準IV特性測試方法之光譜調整與失配因子計算]

結論

本篇文章主要討論了如何利用單氙燈光源，達成光譜可調得超A級太陽光模擬器。我們首先研究了氙燈的基本特性，並提出了一種創新的技術，將先進的光學設計與精密鍍膜工藝結合，使得單氙燈太陽光模擬器可以達到與AM1.5G標準太陽光譜差異< 6%的要求。然後，我們進一步探討了如何利用光學元件上的鍍膜設計，並控制氙燈光束到達各光學元件的入射角度，以改變太陽光模擬器輸出的光譜。最後，我們提到了利用此技術，我們可以大幅簡化光譜調整的複雜度，使得鈣鈦礦-矽疊層太陽能電池各結子電池的光譜失配因子Zij可以達到IEC 60904-1-1:2017規範要求的各結子電池的光譜失配因子Zij小於1%的要求。總的來說，這種創新的技術為太陽光模擬器的發展開闢了新的可能性。