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行業(yè)新聞
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太陽光模擬器的解析、應用及其發(fā)展(二)

太陽光模擬器的基本組成與原理

1.1 太陽光模擬器的基本組成

太陽光模擬器主要由光學積分鏡、橢球形反射器、快門、濾光片、準直透鏡、燈源等部件組成。圖 1  為以氙燈太陽光模擬器為例的橫截面示 意圖。其工作原理是:氙燈位于太陽光模擬器的中心位置,發(fā)射出的光線經(jīng)過第一個 45° 的平面 鏡翻轉(zhuǎn) 90°,落在置于橢球焦點的積分鏡上,使光分散均勻,然后光束經(jīng)過濾光片,將該波段多余的紅外輻射濾除;再經(jīng)過第二個 45° 的平面鏡翻轉(zhuǎn) 90°;最后落到準直透鏡上。一般太陽光模擬器會設(shè)定系統(tǒng)所需的光學參數(shù),進行光的收集、 光束均勻化、過濾和準直。太陽光模擬器通過準直透鏡后以平行光的形式輸出。

太陽光模擬器

圖1 太陽光模擬器的截面示意圖

 

1.2 光源

光源是太陽光模擬器最基本的組成部分,常用的燈源有氙燈、鹵光燈。


1.2.1 氙燈

氙燈即利用氙氣放電而發(fā)光的電光源。其色溫約為 6000 K,在使用中使 N2 氣體流經(jīng)過散熱器和排風管道對氙燈進行冷卻。氙燈具有很高的內(nèi)部壓力,即使不操作,燈的內(nèi)部壓力也會超過 1.01 MPa。

氙燈輻射與太陽輻射的比較如圖 2  所示。可以看出,其光譜分布與太陽光譜比較接近,在氙燈的紅外光譜區(qū)中 0.8~1.0 μm 處有幾個突起的高峰,如采用水冷或紅外濾光玻璃,可消去這些高峰,使其更接近太陽光譜。故在實際的太陽光 模擬裝置中往往都采用氙燈作為光源。

氙燈光譜與太陽光譜的比較

圖2 氙燈光譜與太陽光譜的比較


武漢愛疆科技公司生產(chǎn)的AM0瞬態(tài)太陽光模擬器, 光譜范圍滿足300-1800nm范圍,實現(xiàn)高效晶硅電池的全光譜測試,測試準確性大幅提高。太陽電池組件采用四線連接,以及高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),確保了太陽電池電流測量的準確性。紅外無接觸式測溫,準確測出組件溫度,確保了溫度修正的準確性。


1.2.2 鹵光燈

金屬鹵光燈又叫高強紫外鹵素燈,屬金屬鹵化物燈的一種,它之所以會發(fā)出高效能的光,是 因為金屬鹵化物在參與整個發(fā)光過程中,絕大部分能量被轉(zhuǎn)化為可見光,僅有很小部分的能量轉(zhuǎn)換為了熱量。雖然鹵光燈的可見光光強比氙燈弱 了非常多,但由于其價格低廉,也常作為太陽光模擬器備用光源之一。

冷光燈,也是鹵光燈的一種,色溫可達 3400 K,光源輻射光譜范圍覆蓋 300~2600  nm。冷光燈是一種小功率鹵光燈,功率在 25~50 W 之間,裝配反光罩朝一定方向照明,發(fā)白光。


1.3 濾光片

太陽光模擬器濾光片為大氣質(zhì)量濾光片 (Air  Mass 濾波片 ),其作用是修改光譜輻照度分布, 從而模擬在不同環(huán)境下的太陽光譜近似分布。

其一般可分為AM 0 和AM 1.5 等不同型號。當太陽光入射角與地面夾角為 θ 時,大氣質(zhì)量為 AM=1/cosθ;當 θ=0.482  時,大氣質(zhì)量為 AM 1.5, 是指典型晴天時太陽光照射到一般地面的情況。國際標準組織將 AM 1.5 的輻照度定義為 1000 W/m2 ,常作為太陽電池和組件效率測試時的標準。地球表面的標準光譜稱為 AM 1.5G(G 代表總的輻射,包括直接的和分散的輻射 ) 或 AM 1.5D ( 只包含直接的輻射 )。

濾光后輻射與太陽輻射的比較如圖 3 所示。從圖上可以看出,加入濾波片后輻射與太陽光輻 射匹配度提高。

 太陽光譜與氙燈模擬光譜的比較

圖 3 在 AM 0 或 AM 1.5 條件下的 太陽光譜與氙燈模擬光譜的比較

 

武漢愛疆科技有限公司的光學濾光片及復制鏡面產(chǎn)品目前正應用在世界上許多的實驗室中,幫助人們在基礎(chǔ)科學及應用領(lǐng)域的探索。公司使用的 AM 0 或 AM 1.5過濾片能減少氙燈與太陽光譜之間的偏差,該濾光片還可提供一系列標準產(chǎn)品,包括:系列帶通濾光片,帶寬從 1~70 nm 的范圍;長波通及短波通截止型濾光片;中性灰光密度濾光片;有色光學玻璃濾光片;分光濾光片及熒光濾光片等,并可以提供 25.4 mm 直徑或 50.8 mm 正方形的標準尺寸以供選擇。


1.4 產(chǎn)品舉例

太陽光模擬器廣泛應用于單晶硅、多晶硅、 非晶薄膜、染料敏化等各種不同類型的太陽電池性能測試實驗。以武漢愛疆科技有限公司的AM0瞬態(tài)太陽光模擬器為例:


1.4.1產(chǎn)品情況

AM0瞬態(tài)太陽光模擬器用于航天航空裝備中太陽能電池組件的測試需求。該設(shè)備采用直射式結(jié)構(gòu),可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境實現(xiàn)側(cè)打光/上打光等安裝方式。

1、采用 AAA 級光源配置:不均勻度、光譜匹配度、光強穩(wěn)定度三大核心性能指標均超過行業(yè)標準。

2 全光譜;光譜范圍滿足300-1800nm范圍,實現(xiàn)高效晶硅電池的全光譜測試,測試準確性大幅提高。太陽電池組件采用四線連接,以及高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),確保了太陽電池電流測量的準確性。紅外無接觸式測溫,準確測出組件溫度,確保了溫度修正的準確性。

測試對象:適用于晶體硅太陽能電池組件(PERC、N型、IBC以及HIT等)、薄膜電池組件的電性能參數(shù)的測試和結(jié)果記錄及導出。

太陽電池組件


1.4.2 性能特點

1、AAA 標準:高于 GBT-6494-2017 標準

2、300-1800nm 全光譜:更加真實反映組件在各波段響應能力

3、A 級光譜匹配:

A 級光譜匹配

4、電子負載:掃描方向支持 Isc→Voc 和 Voc→Isc 兩種模式

5、測量對象:砷化鎵等航天相關(guān)技術(shù)組件


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