基于光纤光谱仪的太阳模拟器光谱分布测量的问题研究

黎健生 ，杨爱军 ，罗海燕

（1 福建省计量科学研究院，福建 福州 350003）

（2 国家光伏产业计量测试中心，福建 福州 350003）

1 绪论

光伏行业使用太阳模拟器产生模拟太阳光对光伏器件进行照射，配合电子负载和源表等设备可测得光伏器件的最大发电功率、短路电流、开路电压等关键电参数。而光伏产品又是基于发电功率计价的，因此太阳模拟器是光伏行业里的关键设备之一。太阳模拟器光源部分的评估，依据的是IEC 60904-9[1]，涵盖了光谱匹配度、辐照度不均匀度和辐照度不稳定度三个部分，其中光谱匹配度的测量评估普遍使用光纤光谱仪进行。光纤光谱仪使用光纤耦合入光口和感光器件，内部一般采用Czerny-Tunner结构，入射光线经过衍射光栅分光投影到CCD探测器上进行光谱辐射照度测量[2]。

新版的IEC 60904-9 Ed3.0预计在2019年底发布，针对光谱匹配度的要求进行了较大改动，主要体现在评估的光谱分布范围从（400～1100）nm扩展到（300～1200）nm。此外增加了A+级别，要求匹配度范围为（-1.125～1.125），比原有的A级要求严格一倍[3]。因此在新标准的背景下，太阳模拟器的光谱分布测量显得更为重要，且对测量设备和操作要求更严格。在使用光纤光谱仪测量太阳模拟器光谱分布的过程中，光纤光谱仪各波段响应线性度、光谱仪测量参数设定以及同一型号不同光谱仪的测量一致性都是需要慎重考虑的问题，否则将影响后续的光伏器件的电性能测量和光谱失配计算等操作[4][5]。文中将上述这些方面对最终测量结果的影响通过实验进行量化分析，可为相关从业人员在设备评估和测量提供有益的参考。

2 实验部分

2.1 光谱仪响应线性度实验

实验中的光源使用高稳定度稳态太阳模拟器。实验过程中，将模拟器初始辐照度设定为1000W/m2， 以此为基础叠加不同衰减比率的网格状衰减片，由此实现以1000 W/m2为基础，（10～95）%透过比例的各种辐照强度，即100W/m2、200W/m2、300W/m2、400W/m2、500W/m2、600W/m2、700W/m2、800W/m2、900W/m2、950W/m2、1000W/m2。实验中被考核的光谱仪型号为Avasolar-1，广泛用于光伏行业中太阳模拟器的光谱匹配度测量，具有很高的代表性。光谱仪在实验前经过中国计量科学研究院校准，在校准有效期内。由于调节辐照度通过插入物理网格状衰减片实现，不改变模拟器氙灯的功率，因此不改变太阳模拟器的光谱分布。而通过测量不同辐照强度但光谱分布恒定的光源，可以考核光谱仪光伏辐照度测量值关于辐照强度变化的线性度如何[4]。

仅从图1看来，在10%～95%透光的情况下光谱辐射照度测量的强度变化似乎是合理的，但这样看不到细微处的变化趋势，因此下面抽出一部分特征波长（光谱仪做波长准确度定标时所用的波长以及接近100nm倍数的整数波长）的光谱辐射照度关于无衰减（100%）条件下归一化后的数据进行考察。可以看到表1中灰底的波长测量值的线性度是不够好的，某些测量值的偏差超过了3%。而在821.5nm这个波长上，基本上在各个衰减档位上均偏差严重，表现为CCD传感器在该处过早达到饱和状态，在辐照度比较弱的400W/m2就已经达到了100%的信号输出，之后随光强的增加而不再改变。

表1 在不同辐照度下各个特征波长的测量值

图1 不同辐照度下测得的太阳模拟器光谱分布

在表2中，笔者分别计算了各个辐照度下的模拟器光谱匹配度结果，由于光谱仪的线性度问题，随着辐照度的减弱，（300～400）nm波段逐渐往负匹配方向变化，700nm往后波段逐渐往正匹配方向变化。虽然整体评级结果基本不变，但测量结果的绝对偏差还是明显的。

表2 在不同辐照度下测得太阳模拟器光谱匹配度

2.2 光谱仪测量参数设定对测量结果影响的实验

由于太阳模拟器的光源类型和照射形式多样，在使用光谱仪进行测量时，必须根据光源类型以及发光特性对光谱仪的测量参数进行调节。光谱仪的测量设定参数一般至少包含延迟时间、积分时间和平均次数。对于稳态模拟器和瞬态模拟器来说，均对测量产生影响的参数是积分时间，关系到光谱仪探测器是否工作在低信噪比状态、量子效率最优状态或饱和状态。延迟时间的设定则对瞬态模拟器的测量尤为重要，不当设置可能会测量到脉冲光的上升沿、下降沿甚至错过脉冲。平均次数的设定则影响到瞬态模拟器测量结果的准确性或稳态模拟器测量的重复性。由于光伏产业主要使用瞬态太阳模拟器，下面就瞬态太阳模拟器的测量作为主要测量对象。

2.2.1 延迟时间设定对测量结果影响的实验

实验通过设定延迟时间100uS、200uS、500uS、1mS、8mS和10mS的不同设定，对一台Pasan Highligh3瞬态模拟器进行光谱分布测量，以考察不同延迟时间对测量结果的影响。实验前，笔者通过标准太阳电池和示波器测得模拟器闪光特性参数为上升沿持续时间约为0.6mS，平台期为10.2mS，下降沿为0.8mS。为了保证实验数据的可比性，光谱仪的积分时间和平均次数均维持不变，设定为3mS和1（次）。

图2 不同延迟时间下测得的太阳模拟器光谱分布

根据实验结果可知，触发延时100uS、200uS到500uS时，测量时机太早，均测到模拟器闪光脉冲的上升沿，这个阶段的辐照度偏低。触发延时1mS时，开始测量时间点已经达到了闪光平台期，积分时间3mS的设定保证了测量终止时间不超过闪光平台期，因此测得光谱分布数据是正常的，积分辐照度约为996W/m2，基本符合1000W/m2。触发延时在8mS和10mS时，已经测量到闪光脉冲的下降沿，因此总体辐照度偏弱，且（800～1100）nm波段的占比偏强，（400～500）nm波段占比变弱。总体看来，不同的触发延时对太阳模拟器的评级结果影响有限，但在触发时间不合适的设定下测得的光谱分布图的强度与AM1.5参考光谱偏差明显，可知测量有误，不可使用相关数据进行模拟器光谱匹配度评级计算。

由此可见，在测量前应充分了解被测模拟器的闪光特性，特别是平台期的起止时间，以此为依据设定光谱仪的延迟时间以及后面提到的积分时间和平均次数，保证光谱仪的触发处于闪光的平台期内，以确保测量的准确可靠。

表3 在不同触发延时设定下测得同一太阳模拟器光谱匹配度

2.2.2 积分时间设定对测量结果影响的实验

对于瞬态模拟器来说，积分时间的设定影响到两个方面，一是积分时间是否过长以致光谱仪的传感器饱和，二是积分时间是否过短以致无法保证弱光条件下的信噪比足够高。同样为了保证实验数据的可比性，光谱仪的延迟时间和平均次数均维持不变，设定为1mS和1（次）。在此基础上，对一台halm长脉冲太阳模拟器（脉冲平台时间105mS）进行积分时间分别为1ms、3mS、5mS、7mS、9mS、10mS、15mS、20mS的测量，以考核积分时间对测量结果的影响。

图3 不同积分时间下光谱辐射照度的差异

从图3可以看出1mS积分时间的测量结果（深蓝色曲线）由于传感器的感光不足而导致信号偏弱，而且由于信噪比也偏低曲线毛刺较多，但总体不影响模拟器评级结果。从图3最上方的几条重合曲线可以看出，3mS的积分时间开始，一直到9mS的设定，测量结果基本高度一致。10mS积分时间设定开始让测量曲线在500nm～650nm处有了部分下陷，证明负责测量这部分波段的传感器开始饱和，而且根据测量数据进行的模拟器评级开始产生偏差。15mS和20mS的积分时间设定让测量曲线凹陷更加明显，测量结果不可用，模拟器评级出现重大偏差。

表4 在不同积分时间设定下测得同一太阳模拟器光谱匹配度

2.2.3 平均次数设定对测量结果影响的实验

平均次数的设定，和积分时间设定共同对测量结果产生影响，特别是对瞬态太阳模拟器。由于光谱仪返回一次测量结果所需的时间大致为：

由于Tint×n一般远大于Tdelay，因此在Tint设置合理的情况下，平均次数n将是影响整体测量时间的关键，如n太大导致Tall太长会对最终测量结果引入闪光下降沿测量结果以及闪光过后测得的暗噪声信号，产生的影响类似于积分时间Tint太长的情况。如n太小或n=1，则只返回一次测量结果，测量重复性差，且与光谱仪校准时设定的n=10的状态相差太远。

2.3 两台同一型号光谱仪测量结果一致性的考察

这个实验采用两台Avasolar-1光谱仪同时对一台稳态太阳模拟器进行测量，所有测量参数均设置一致，以考核同一型号的两台设备之间的测量差异。两台设备均为中国计量科学研究院校准，在校准有效期内。从图4可以看出，两台光谱仪测量得到的光谱曲线基本一致，只是在550nm～600nm波段有差异，为了更直观评估测量结果，在表5展示出根据两台光谱仪测量结果计算的模拟器光谱匹配度评级结果，最大的相对偏差出现在900nm往后波段。由于两台光谱仪的型号配置和校准单位均一样，唯一差别只在于校准时间上相差约6个月，可能导致校准后由于出差运输的强度不一致而产生测量差异，通常这种差异最可能产生在运输包装对光纤本体及两端接口的影响。目前IEC60904-9对模拟器光谱匹配度A级要求为±25%，0.035的匹配度偏差在大部分情况下不会产生等级评判上的差异，但鉴于将要发布的IEC 60904-9 Ed3.0标准增加了光谱匹配度的A+级别，评判等级要求比A级严格一倍，这样就对校准机构不同设备之间的一致性提出了更严苛的要求。

图4 两台同一型号光谱仪同时测量一台太阳模拟器

表5 两台光谱仪测量同一台太阳模拟器光谱匹配度的差异

3 实验结果和讨论

在光谱仪响应线性度实验上，可以看到实验用光谱仪在某些波长响应度上线性不理想，然而这种现象在使用光谱仪对太阳模拟器进行常规测量过程中很难发现，特别是并不会明显体现在太阳模拟器光谱匹配度的评级测量结果上。但如果线性度不佳的波长集中在某一个波段，则将会对太阳模拟器光谱匹配度评级结果带来明显影响。此外，如果采用线性度有问题的光谱仪对氙灯进行测量，根据测得数据进行氙灯滤光片的开发，则容易导致滤光片设计偏差，最终成品性能差强人意。在设备周检或期间核查时增加光谱仪对同一光源不同辐照度下的光谱辐射照度测量可及时发现设备响应线性度是否有问题。

在光谱仪测量参数设定对测量结果影响的实验上，可以看到延迟时间、积分时间和平均次数对测量结果有明显影响。针对稳态太阳模拟器的测量，应在正常测量前多尝试不同积分时间的设置以保证获得最优设置，在足够信噪比的基础上，保证光谱仪的响应在各个波长上均不饱和。在测量瞬态太阳模拟器时，重要注意事项有：（1）首先要清楚了解其脉冲上升沿、平台期和下降沿的确切时间参数；（2）设定好光谱仪的延迟时间略微大于上升沿时间，保证测量起始点的正确；（3）按照信噪比足够且光谱仪不饱和的原则设定光谱仪的积分时间；（4）按照公式（1）的关系，合理设置平均次数。上述事项是一个有机整体，缺一不可，如忽略任一事项，均会对测量结果产生明显的影响。

在不同光谱仪测量一致性的实验中，笔者比较了两台同一型号、采用同一溯源机构的光谱仪同时对一个光源进行测量结果。实验结果表明，两台设备在大部分波段的测量一致性较好，而在（900～1100）nm波段有超过3%的差异。按现行IEC60904-9标准对太阳模拟器最严苛的A级光谱的要求，偏差范围为±25%，因此3%的设备差异在大部分情况下不会引起模拟器评级上的差别。新版IEC60904标准出台后，增加的A+级别则将光谱偏差范围缩小到±12.5%，拥有多台光谱仪的测量校准机构将要足够重视设备一致性带来的挑战。

4 结论

文中利用国家光伏产业计量测试中心具备各种类型的太阳模拟器、多台进口光纤光谱仪，以及福建省市场监督管理局科研基金支持研发的“高速光谱仪”进行了基于光谱仪法测量太阳模拟器光谱匹配度的辐照度线性度实验、不同测量参数对光谱分布测量影响的评估实验，以及两台同一型号光谱仪对同一台太阳模拟器测量之间的偏差实验。这些实验及相应的测量结果分析，以及相关的测量建议，对光伏行业太阳模拟器光谱匹配度测量和评估提供了依据，可避免因人为设置因素和设备自身原因造成重大评估偏差，以致产生进一步的生产损失和设备损耗。