大辐照面积超A级太阳能模拟器的设计与实现

■ 冯云峰 刘皎 李翔 杨畅民 黄国华

（1.陕西众森电能科技有限公司； 2.西安特种设备检验检测院；3.西安理工大学理学院；4.西安交通大学理学院)

0 引言

太阳模拟器在光伏电池领域主要用于模拟标准太阳辐照照射在太阳电池上，处理其输出的电流、电压信号，最后获得被测电池的光电效率、短路电流、开路电压、峰值功率信息等。太阳模拟器的主要指标为光谱与AM 1.5标准的匹配度、辐照不均匀度和不稳定度。根据IEC 6090-9标准，将太阳模拟器分为A、B、C 3级，见表1。表中需要注意的是：

3)辐照不稳定度：在辐照面同一位置，按规定的时间间隔测试，

4)AM 1.5标准光谱是，在晴朗气候条件下，太阳光到达地面的路程是所穿过大气1.5倍厚度时的光谱。

表1 模拟器等级分类

3项指标都达到A级的太阳模拟器，称为3A级模拟器。然而，随着光伏工业制造水平的不断提升和终端市场对太阳电池的要求提高，太阳电池制造商需要更精准的太阳模拟器来检测光伏电池，以帮助他们提升技术工艺或定位产品，实际上3A级模拟器已逐渐不能满足这种需求。在此背景下，光伏工业迫切需要更高端的、超越3A级指标的太阳模拟器，简称超A级模拟器。目前在国内和国际上对超A级太阳模拟器还没有明确的技术标准，本文根据国外超A级模拟器的技术指标，以及目前光伏厂家划分太阳电池等级的标准，拟定本次研制模拟器的技术目标。其与3A级太阳模拟器的技术参数对比见表2。

表2 超A级与3A级模拟器的参数对比

用户使用太阳模拟器时，除了以上指标外，还会关注太阳模拟器的辐照度重复性，即同一太阳电池在固定位置重复测试多次后，其短路电流值的差异情况。在本设计中另外要求10000次测试中辐照度重复性小于0.3%。

1 超A级光谱匹配度的实现

太阳电池是光谱选择性器件，对不同波长有不同的响应度，为了保证测试的准确性必须让模拟器的光谱极为接近地面标准光谱AM 1.5，衡量这一接近程度的指标是光谱匹配度。

超A级太阳模拟器的光谱主要决定于氙灯、滤波片、聚光器表面材质。然而，要实现良好的光谱匹配，设备首先必须有稳定的光谱特征。影响光谱特征的因素见表3。

表3 光谱变化因素及防止措施

表3给出了为实现模拟器光谱稳定而采取的措施，表明长弧氙灯非常稳定的光谱分布是超A级太阳模拟器实现高光谱匹配的重要保障[1]。与此同时，由图1可知，长弧氙灯的光谱分布较接近太阳光谱，差别主要是300～700 nm波段偏低、800～1100 nm波段能量偏高，加滤光片后得到改善。

图1 超A级太阳模拟器的光谱

本设计采用的滤光片基底为二氧化硅，表面镀30层反光膜，主要抑制800～1100 nm波段的通过率[2]。加载滤光片后，使用光谱仪测试辐照面不同的20个点，长弧氙灯光谱与AM 1.5标准的匹配度为0.93～1.06，达到0.9～1.1的目标。

2 超A级辐照均匀度的实现

辐照度对太阳电池的短路电流和峰值功率的影响较明显；在辐照度强弱不均匀的辐照面上，太阳电池的测试结果会随位置不同而有明显的变化，这意味着测试结果不准确。所以，精密的模拟器要求将辐照不均匀度控制在尽可能小的范围内。

如图2所示，在本文研制的模拟器中，辐照面距光源8 m，辐照面尺寸为3 m×3 m，光源近似为朗伯体，且由于尺寸较小可视为点光源。

图2 超A级太阳模拟器的光路示意图

在朗伯体光源中，

辐照面中心点O的辐照度表达式为：辐照面边角点P的辐照度表达式为[3]：

此时，辐照不均匀度的表达式为：

将θ=13°代入式(4)可知，此时辐照不均匀度约为3.9%，分布为中心强四周弱的“凸”形。

为了将辐照不均匀度减小到1%以内，需在光源中添加阴影积分装置，该装置可在辐照面上产生一个中心弱四周强的“凹”形辐照分布。不断优化阴影积分装置，使其产生“凹”形分布与设备原“凸”形辐照分布恰好互相补偿，则可获得较小的辐照不均匀度。

阴影积分装置的优化过程在Zemax仿真软件中进行。在非序列模式下对模拟器的光学系统建立完整模型并进行仿真，每个氙灯追迹1000万光线，经过多次调节后，获得非常良好的均匀辐照，仿真结果如图3所示。

图3 仿真模型中辐照面的辐照度分布

如图3所示，3 m×3 m辐照面的着色图，从蓝色到红色辐照度依次增强，经过分析，最强辐照度为4950 W/m2，最弱辐照度为4880 W/m2，系统的辐照不均匀度为0.71% ；经过多次仿真，辐照面没有固定的强弱区域，说明已达到很高的均匀性。将仿真获得的光学积分装置安装在太阳模拟器上进行实测，测试方法为：辐照面尺寸为3 m×3 m，共分为15×15个小格子，每个格子尺寸为20 cm×20 cm。由于光伏电池的短路电流与辐照度具有线性正比关系，所以用短路电流来表征辐照度。在不均匀性测试中，将20 cm×20 cm的太阳电池分别放在15×15个小格子上测试，记录其短路电流值，找到Imax和Imin。设备的辐照不均匀度计算式为：

试制的3台设备，实测辐照不均匀度分别为0.49%、0.61%、0.73%，均满足小于1%的设计要求。

3 超A级辐照稳定度及重复性的实现

辐照不稳定性主要考量模拟器抗干扰能力强弱、光源及供电电路的稳定性，稳定的辐照度是精准测试的保障。在本设计中，使用自反馈电路实时控制氙灯电流，以实现10 ms脉冲时间内的真实辐照度与预设辐照度一致。其具体过程为：当氙灯输出偏大(偏小)，位于辐照面上的反馈电池会输出比基准偏高(偏低)的电压，该电压会减少(增大)经过氙灯的电流，氙灯输出降低(增加)；这个自反馈调节的周期只需几十纳秒，持续的自反馈调节保证了反馈电池输出电压与基准相等，此时真实辐照度与预设辐照度一致，这同时保证了测试的辐照稳定度和重复性。

辐照不稳定度测试方法为：使用示波器获取监控电池在一次测试10 ms中输出电流值[4]，根据式(5)，可得实测结果为0.14%。

辐照度重复性测试方法为：依然使用太阳电池的短路电流来表征辐照度。在测试中，将太阳电池组件放置在辐照面上测试10000次，记录短路电流值，找到Imax和Imin。设备的辐照度重复性根据式(5)计算，经过10000次测试，辐照重复性为0.2%。

由以上研究可得超A级模拟器实测结果与预定指标对比，见表4。

表4 超A级模拟器实测结果与预定指标对比

4 结论

本文研制成功的超A级大型脉冲式太阳模拟器，将光伏电池检测的准确性提高到了新的层次。借助超A太阳模拟器的精确测试，太阳电池制造商可更加可靠地验证其生产工艺、改进产生的效果，这必然会促进太阳电池生产技术的发展。

[1]杜秀兰， 徐亮.长弧氙灯的特性及应用前景[J].光电技术应用， 2003， 6(3)∶ 32 － 35.

[2]潘永强， 施洋， 杭凌侠.太阳能模拟器滤光片的研制[J].真空科学与技术学报， 2010， 30(5)∶ 470－473.

[3]黄启禄.基于均匀照明的LED阵列的仿真研究与设计[D].福建∶ 华侨大学， 2007.

[4]尹德金， 石雷兵， 周碧红.太阳模拟器辐照不稳定性测试方法[J].上海计量测试， 2012，(5)∶ 5－7.