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太陽光模擬器 – 基本知識與工作原理
什麼是太陽光譜？
太陽光是太陽發出的電磁輻射的一部分。太陽輻射的光譜接近於溫度約為 5,800 K 的黑體。99.9% 的能量集中在紅外線、可見光和紫外線區域。太陽光譜（太陽光譜、日光光譜）按波長順序分為五個區域。（參考文獻：Naylor, Mark; Kevin C. Farmer. Sun damage and prevention）：
- UVC（紫外線 C）：範圍為 100 至 280 nm。紫外線是指輻射頻率高於紫光（因此人眼也看不見）。由於大氣吸收，到達地球表面的輻射非常少。這種光譜的輻射具有殺菌特性，可用於殺菌燈。
- UVB（紫外線 B）：UVB 範圍為 280 至 315 nm。它也被地球大氣大量吸收，並與 UVC 一起引起光化學反應，導致臭氧層的產生。它會直接損害 DNA 並導致曬傷。除了這種短期效應外，它還會加速皮膚老化，並顯著促進皮膚癌的發展，但也是哺乳動物皮膚合成維生素 D 所必需的。
- UVA（紫外線 A）：UVA 範圍為 315 至 400 nm。該波段對 DNA 的損害較小，因此用於化妝品人工日光浴（日光浴床和日光浴床）和治療牛皮癬的 PUVA 治療。
- 可見光：可見光範圍為 400 至 760 nm。這個範圍是肉眼可見的。它也是太陽總輻照度光譜中最強的輸出範圍。
- 紅外線：紅外線範圍為 700 nm 至 1 mm。它是到達地球的電磁輻射的重要組成部分。科學家根據波長將紅外線範圍分為三種：紅外線 – A：760 nm 至 1,400 nm，紅外線 – B：1,400 nm 至 3,000 nm，紅外線 – C：3,000 nm 至 1 mm。
太陽光譜會隨著時間、大氣厚度和雲層厚度等因素而變化。來自天空的散射和周圍環境的反射也會產生大量漫射光。
圖 1. 大氣層上方（黃色）和地球表面（紅色）的太陽輻照度光譜（來自維基百科： https://en.wikipedia.org/wiki/Sunlight）。
太陽光譜中的大氣質量是什麼？
大氣質量 (AM)：大氣質量定義為大氣影響地球表面接收到的太陽光量的程度。不同的大氣質量也代表不同的太陽光譜。太陽光的高度角會隨著時間而變化。當太陽處於不同的高度角時，光線會穿過不同厚度的大氣層，這稱為大氣質量。
大氣質量如何影響太陽光？AM0、AM1 和 AM1.5 光譜
圖 2. 不同的大氣質量代表不同的太陽光譜。大氣質量 (AM) 的公式：AM = 1/cosθ，其中 θ 是太陽與地面之間的夾角。
- AM0：
大氣層外的光譜，近似於 5,800 K 的黑體，稱為「AM0」，意思是「零大氣」。用於太空電力應用的太陽能電池，例如通信衛星上的太陽能電池，通常使用 AM0 來表徵。
- AM1：
根據定義，穿過大氣層到達海平面且太陽正上方的光譜稱為「AM1」。這表示「一個大氣」。
- AM1.5：
1.5 個大氣厚度對應於 θ=48.2° 的太陽天頂角。A.M.1.5 下的日光照度為 109,870 lux（對應於 A.M. 1.5 光譜為 1000.4 W/m2）。
圖 3. AM0 和 AM1.5G 參考光譜
表 1：三個標準光譜的 ASTM 總輻照度百分比
| 波長區間 [nm] | AM1.5D | AM1.5G | AMO |
|---|---|---|---|
| 300–400 | 無規格 | 無規格 | 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 | 無規格 | 無規格 | 12.56% |
什麼是 AM1.5D 和 AM1.5G 光譜？
- AM 1.5D：
當太陽光以 θ=48.2° 的角度穿過 1.5 倍大氣厚度時，會發生測試平面的直接輻射。
- AM 1.5G：
當太陽光以 θ=48.2° 的角度穿過 1.5 倍大氣厚度時，會發生測試平面的總輻射。這是直接輻射和漫射輻射的總和。
AM1.5G 和 AM1.5D 光譜之間有什麼區別？
AM 1.5G 和 AM1.5D 之間的區別：太陽輻射是指太陽向太空發射的電磁波和粒子流。地球接收到的太陽輻射能量僅佔總太陽輻射的二十億分之一。常見的太陽輻射術語有：
- 直接輻射：當太陽光穿過大氣層時，一部分會到達地面而不改變其輻射方向。
- 漫射輻射：另一部分太陽輻射在大氣反射和散射後會改變方向。
- 總輻射：大氣削弱後到達地面的直接和漫射太陽輻射的總和。
直接輻射、漫射輻射和總輻射之間的關係如下：總輻射 = 直接輻射 * cos(θ) + 漫射輻射。
AM1.5G 和 AM1.5D 光譜之間有什麼區別？
AM 1.5G 和 AM1.5D 之間的區別：太陽輻射是指太陽向太空發射的電磁波和粒子流。地球接收到的太陽輻射能量僅佔總太陽輻射的二十億分之一。常見的太陽輻射術語有：
- 直接輻射：當太陽光穿過大氣層時，一部分會到達地面而不改變其輻射方向。
- 漫射輻射：另一部分太陽輻射在大氣反射和散射後會改變方向。
- 總輻射：大氣削弱後到達地面的直接和漫射太陽輻射的總和。
直接輻射、漫射輻射和總輻射之間的關係如下：總輻射 = 直接輻射 * cos(θ) + 漫射輻射。
AM1.5G 和 AM1.5D 的輻照強度是多少？
AM1.5G 和 AM1.5D 光譜的輻照強度是用 SMARTS v 2.9.2 計算的，輸入值根據國際標準 IEC 60904-3-Ed2 選擇。在光伏和太陽能電池 IV 測試應用中，AM1.5G 是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。對於聚光光伏裝置，只有太陽輻射的直接部分可以被太陽能電池收集和感應。因此，AM1.5D 光譜通常用作測試標準光譜。一個太陽條件下 AM1.5D 的輻照強度為 900 W/m2。
| AM1.5G | AM1.5D | 備註 | |
|---|---|---|---|
| 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和太陽常數？
太陽常數是單位面積平均太陽電磁輻射（總太陽輻照度）的通量密度測量值。它是在垂直於光線的表面上測量的。地球的橫截面積為 127,400,000 平方公里，因此整個地球接收到的功率為 1.74×1017 瓦。由於太陽表面經常出現太陽黑子和其它太陽活動，太陽常數不是一個物理常數；年變化範圍約為 1%。通過衛星測量，其值為每平方公尺 1366 瓦 (AM 0 =1366 W/m2)。這種強度也稱為 AM0 一個太陽強度，它代表 AM0 光譜下的太陽強度。
什麼是太陽光譜及其範圍？
有幾項國際標準用於評估太陽光模擬及其範圍。當太陽光穿過大氣層時，它會受到空氣粒子的影響，產生大量漫射光。太陽光穿過大氣層的距離隨入射角而變化，導致不同程度的散射。這稱為大氣質量 (AM)。ASTM（美國測試與材料協會）和 IEC（國際電工委員會）已制定 AM 光譜輻照度的標準值，規定了太陽光譜及其強度範圍：
| AM | 國際標準 | 輻照度 (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 |
您可以在此下載 AM0、AM1.5G 和 AM1.5D 標準光譜：
資源
AM0 光譜
AM1.5D 光譜
AM1.5G 光譜
IEC 60904-3 定義了 AM1.5G 光譜輻照度數據，通常用於測量地面安裝的光伏模組或太陽能電池。輻照度波長範圍有兩種：限制型和擴展型，如下所示（表 1 和 表 2）：
表 2 – IEC 60904-9 中給出的總體參考太陽光譜輻照度分佈顯示了 400 nm 至 1100 nm 限制波長範圍內波長區間對總輻照度的貢獻：
| 波長範圍 (nm) | 400 nm 至 1100 nm 波長範圍內總輻照度的百分比 (%) | 累積積分輻照度 (%) | |
|---|---|---|---|
| 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 中給出的總體參考太陽光譜輻照度分佈顯示了 300 nm 至 1200 nm 擴展波長範圍內波長區間對總輻照度的貢獻。
| 波長範圍 (nm) | 300 nm 至 1200 nm 波長範圍內總輻照度的百分比 (%) | 累積積分輻照度 (%) | |
|---|---|---|---|
| 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 |
您還可以參考：https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_simulator
什麼是太陽光模擬器？
根據 IEC 60904-9，太陽光模擬器（太陽光模擬、太陽模擬器、日光模擬器）被描述為使用光譜分佈與自然日光相似的光源來評估光伏裝置特性的設備。因此，太陽光模擬器是一種人造光源，可以產生或模擬光譜分佈和光強度與日光相似的光。各種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：
- 脈衝單燈或多燈太陽光模擬器：在暗室中操作。光源與光伏裝置之間的距離通常為幾公尺。擋板用於抑制牆壁的內部反射。
- 脈衝太陽光模擬器：在外殼中操作，光源與光伏裝置之間的距離通常小於一公尺。漫射器和反射器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：在暗室中操作。光源與光伏裝置之間的距離通常為幾公尺。
- 基於 LED 的多燈太陽光模擬器：在光源與光伏裝置之間的距離通常小於 1 公尺時操作。
脈衝太陽光模擬器可以進一步細分為長脈衝系統和短脈衝系統，長脈衝系統在閃光期間獲取全部或部分 I-V 特性，短脈衝系統每次閃光獲取一個 I-V 數據點。多燈太陽光模擬器提供多種燈類型。這些儀器具有光譜可調性，可以疊加不同類型燈發出的不同光譜輻照度。如果有的話，除了額定值外，還應參考報告的測試數據來評估太陽光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，以及單個燈僅照亮測試區域一部分的系統。除了光源、燈電源和光學元件外，I-V 數據採集、電子負載和操作軟件也可能是太陽光模擬器的一部分。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是什麼？
太陽光模擬器用於什麼？太陽光模擬器可以應用於廣泛的領域，包括能源科學、生物技術、環境工程等。下表顯示了太陽光模擬器的領域和應用。
| 領域 | 應用 |
|---|---|
| 能源科學 | 太陽能電池或光伏模組的性能測試 新能源開發（例如：水分解） |
| 生物技術 | 醫療/化妝品研究和應用 |
| 材料科學 | 新材料開發和測試 光觸媒 |
| 建築 | 建築材料的耐候性壽命測試 塗料/油漆的顏色研究 |
| 農業 | 農林漁牧業實驗和測試 |
| 環境工程 | 人與環境相互作用的研究 |
如何評估太陽光模擬器的性能？
根據 IEC 90904-9，它定義了評估太陽光模擬器的規範。重要的參數和描述如下：
- 輻照度的空間不均勻性
- 輻照度的光譜匹配
- 輻照度的強度不穩定性
輻照度的空間不均勻性：這是指設計測試區域內輻照度的空間不均勻性。使用輻照度檢測器（例如，光電二極體）測量指定輻照表面不同位置的輻照度（測量值是光電流），然後使用以下公式計算：
注意：在測量過程中，檢測器每次移動的步寬不應大於設計測試區域最小尺寸的五分之一。光譜匹配：太陽光模擬器的光譜匹配由與 IEC 60904-3 中規定的 AM 1.5 參考光譜輻照度的偏差定義。波長範圍有兩種：400~1100 nm（表 1）和 300~1200 nm（表 2）。時間不穩定性：這是一個穩定性指標。為確保太陽能電池效率測量的準確性，要求太陽光模擬器的輸出光束保持穩定的照度。計算公式如下：
根據不同的 IV 測量系統，不穩定性可以分為兩類：短期不穩定性 (STI)：當有三條獨立的數據輸入線同時存儲輻照度、電流和電壓值時，如果在限制波長範圍 400 nm 至 1100 nm 內執行光譜分類，則時間不穩定性為 A 級；如果在擴展波長範圍 300 nm 至 1200 nm 內執行光譜分類，則時間不穩定性為 A+ 級。*注意：三個多通道同時觸發的延遲通常小於 10 ns。長期不穩定性 (LTI)：對於使用脈衝或穩態太陽光模擬器的三通道 I-V 測量（輻照度、電流、電壓），該值是獲取 I-V 特性的時間。
太陽光模擬器的等級是多少？
太陽光模擬器在光譜匹配、空間不均勻性和時間不穩定性這三個類別中的每一個都可能屬於四個等級（A+、A、B 或 C）之一。每個模擬器都按光譜匹配、測試平面中輻照度的不均勻性和時間不穩定性的順序用三個字母評級（例如：CBA，表示 C 級光譜匹配、B 級空間不均勻性和 A 級時間不穩定性）。應定期檢查太陽光模擬器分類，以證明分類得到維持。例如，光譜輻照度可能會隨著所用燈的運行時間而變化，或者輻照度的均勻性可能會受到測試室反射條件的影響。根據 IEC 60904-9:2020，太陽光模擬器分類如下：
| 分類 | 與表 1 或表 2 中指定的所有區間的光譜匹配 | 輻照度的空間不均勻性 (%) | 時間不穩定性：輻照度的短期不穩定性，STI (%) | 時間不穩定性：輻照度的長期不穩定性，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+ 級僅針對 300~1200 nm 的波長範圍定義。
什麼是 AAA 太陽光模擬器？
表中顯示了用於 I-V 測量的太陽光模擬器分類示例。輻照度不均勻性的分類取決於目標尺寸。
| IEC 60904-9 中指定的分類 | 與表 1 中指定的所有區間的光譜匹配 | 特定模組尺寸的輻照度不均勻性 | 輻照度時間不穩定性 |
|---|---|---|---|
| A+AA+ | 300 nm 至 470 nm 範圍內為 1.01 (A+) 470 nm 至 561 nm 範圍內為 1.05 (A+) 561 nm 至 657 nm 範圍內為 1.03 (A+) 657 nm 至 772 nm 範圍內為 0.97 (A+) 772 nm 至 919 nm 範圍內為 0,95 (A+) 919 nm 至 1200 nm 範圍內為 1.05 (A+) | 光伏電池尺寸 10 cm x 10 cm 時為 1.39 % | 在 200ms 間隔內獲取整個 I-V 曲線的 LTI = 0.68 % (A+) |
| 最差情況分類 = A+ | 分類 = A | 分類 = A+ |
如我們所見，分類結果為 A＋AA+，表示光譜匹配為 A+ 級，10 cm x 10cm 範圍內的輻照度不均勻性為 A 級，輻照度時間不穩定性為 A+ 級。當有人提到 AAA 級太陽光模擬器時，表示該太陽光模擬器具有 A 級光譜匹配、A 級輻照度不均勻性和 A 級輻照度時間不穩定性。
如何構建太陽光模擬器？
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成部分組成：(1) 光源和相關電源 (2) 修改輸出光束以滿足分類要求所需的任何光學元件和濾光片 (3) 操作模擬器所需的控制裝置
太陽光模擬器設計
如果您對氙燈太陽光模擬器的設計和組成部分感興趣，可以查看本文 SS-X
如何測量太陽光模擬器的光譜匹配？
光譜輻射計應適合光譜匹配測量任務。有必要確保傳感器的靈敏度在目標波長範圍內合適。對於脈衝型太陽光模擬器，需要注意許多事項。光譜輻射計的積分時間應適合模擬器的脈衝長度。模擬器的光譜可能會在光脈衝期間發生變化。在光譜偏移的情況下，輻照度監測器和 DUT 之間光譜響應度的差異將引入光譜失配誤差。積分時間應小於脈衝長度的一半。根據 IEC 60904-9 的說明，以下特性和參數可以決定光譜輻照度測量的質量：
- 波長解析度：光譜輻射計的波長解析度在可見光範圍（300 nm 至 900 nm）內應等於或優於 5 nm，在近紅外範圍（900 nm 至 1200 nm）內應等於或優於 10 nm。
- 注意：波長解析度是光譜輻射計區分兩個緊密相鄰光譜線的能力的量度。
- 傳感器元件的非線性：光譜輻射計通常使用低輻照度水平的鎢校準燈進行校準。然而，太陽光模擬器的光譜強度可能與校準條件有很大差異。
- 雜散光或二階波長效應。
- 輸入光學元件的角度響應：在存在漫射光的情況下，此參數有顯著影響。
有許多可用的測量技術。然而，CCD 光譜輻射計技術由於其尺寸緊湊和出色的光譜性能而最為常用。使用 CCD 光譜輻射計進行光譜輻照度測量通常需要使用兩種儀器來覆蓋相關波長範圍（例如，分別使用矽和砷化銦鎵檢測器）。矽 CCD 通常覆蓋 300-1100nm，而砷化銦鎵 CCD 可以覆蓋 900-1700nm。通過組合這兩種儀器和適當的餘弦校正光學元件，可以適當地測量太陽光模擬器的光譜分佈。
上述輻照度光譜是由矽和砷化銦鎵組合光譜輻射計獲取的，其覆蓋 300-1200nm 波長範圍。光譜分為六個部分，光譜比根據 IEC 60904-9:2020 計算。標記了每個部分的分類。最終結果顯示，該太陽光模擬器的最差光譜匹配等級約為 A 級。
如何測量太陽光模擬器的輻照度不均勻性？
建議使用封装晶體矽電池（WPVS 類型）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中輻照度的不均勻性。輻照度檢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太陽光模擬器和待測光伏裝置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 的檢測器尺寸。應注意光源輸出透鏡和輻照度檢測器之間的多重反射不會導致測量誤差。更改輻照度檢測器的位置並記錄檢測器的光電流信號。完成 8 x 8 = 64 矩陣後，使用上述不均勻性公式計算空間不均勻性。可以確定模擬器的不均勻性等級。
使用 2 cm x 2 cm 封裝 WPVS 矽參考電池測量 8×8 矩陣。標記了最大和最小強度。空間不均勻性為 1.39%，屬於 A 級。
