太陽模擬器

太陽模擬器是用來模擬太陽光的設備，一般包含光源、供電及控制電路、計算機等組成部分。

太陽模擬器的基本原理是利用人工光源模擬太陽光輻射，以克服太陽光輻射受時間和氣候影響，並且總輻照度不能調節等缺點，廣泛用於航空航天、光伏、農業等領域。

基本介紹

• 中文名：太陽模擬器
• 外文名：Solar Simulator
• 用途：光伏檢測材料老化光電器件標定

定義

狹義上的太陽模擬器僅包含光源、供電及控制電路、計算機等組成部分，即只是模擬太陽輻射的光源，而以下所述太陽模擬器均指用於光伏檢測太陽模擬器，除了光源、供電及控制電路、計算機三部分外，其一般還包含電子負載、數據採集系統等功能模組，根據其使用場合不同，一般分為空間用太陽模擬器和地面用太陽模擬器。

空間用太陽模擬器能夠較為準確地模擬太陽輻射的準直性、均勻性和光譜特性，具有較高的空間外熱流模擬精度，主要用於太空飛行器的熱平衡試驗、材料老化試驗，以及航空航天用光電器件的定標等，如KM6太陽模擬器。

而對於地面用太陽模擬器，在各項特性參數中，其準直性要求沒有空間用太陽模擬器高，主要使用輻照不均勻度、光譜匹配度、輻照不穩定度這三個參數來評價其模擬太陽光的等級，以下所述太陽模擬器均是指地面用太陽模擬器。

在光伏行業，太陽模擬器主要用於太陽電池的電性能測試，通過採集待測太陽電池的伏安特性曲線，從而計算得到其最大功率Pmax、最大功率點電流Imax、最大功率點電壓Vmax、短路電流Isc、開路電壓Voc、填充因子FF、光電轉換效率Eff、串聯電阻Rs、並聯電阻Rsh等參量。這些參量不僅能夠反應出太陽電池的電性能，用於太陽電池生產工藝研究，而且用於太陽電池功率和等級評定，作為太陽電池銷售時的定價依據。因此，一台可靠的太陽模擬器的測試結果，不僅對生產工藝改進具有指導意義，更關係到產品的品質和製造廠商的利潤和信譽。

分類

太陽模擬器可以按照不同標準進行分類。

1 按照測試面積分類

根據太陽模擬器的有效輻照面的大小，一般可以分為單片太陽電池測試儀和太陽電池組件測試儀。

單片太陽電池測試儀一般用於電池片廠商的功率測試及分選，以及太陽電池組件生產前的功率測試及分選，其測試面積較小，可以測試常規的125、156太陽電池。

太陽電池組件測試儀一般用於太陽電池組件出廠前的功率測試，一般測試面積較大。

2 按照光源脈衝時間分類

根據光源脈衝特性，可以將太陽模擬器分為穩態太陽模擬器、單次脈衝太陽模擬器和多次閃光太陽模擬器，其優缺點如圖所示。

3 按照光源類型分類

隨著光源技術的進步，太陽模擬器光源的選用也在變化。金屬鹵素燈、碳弧燈、鹵素燈、鎢絲燈、氙燈、LED等光源均可以用作太陽模擬器的光源，並且有著不同的優缺點。

性能評價

對於光伏測試用太陽模擬器的性能評價，當前均以IEC 60904-9 （Edition 2.0 2007-10）為標準。

要實現標準測試條件（STC）下的測試，在400-1100nm的光譜範圍內，太陽模擬器必須能夠在測試面上達到1000W/m²的輻照度，並根據需要可以進行一定程度的調節。

光譜匹配度

太陽電池為光譜選擇性器件，因此，在同等條件下，太陽模擬器的光譜越接近真實太陽光譜，用其測試得到的太陽電池參數越準確。為了評價太陽模擬器的光譜與真實太陽光譜的接近程度，國際電工委員會（IEC）根據ASTM G 173所引用的SMARTS2《太陽光線在大氣中傳播的簡易模型》規定的標準太陽光譜分布，使用分段能量占比的方式，對太陽模擬器與太陽光譜的接近程度進行了分級。

AM1.5G標準太陽光譜分布

AM1.5G標準太陽光譜分段能量占比

AM1.5G標準太陽光譜分布與其分段占比分別如上圖所示，其對應的太陽模擬器光譜匹配度級等級評定標準如下表所示。

等級	光譜匹配度
A	0.75-1.25
B	0.6-1.4
C	0.4-2.0

太陽模擬器光譜匹配度等級

輻照不均勻度

在測試面上，目標測試區域內的輻照度應該達到一定的均勻度要求，輻照度用合適的探測器量測。根據IEC 60904-9的規定，太陽模擬器輻照不均勻度的計算公式如下：

其中,最大輻照度和最小輻照度是指在指定範圍內探測器在任意指定點的測量值。

對於測試輻照度的探測器尺寸的要求為，其最大尺寸為以下兩個尺寸中的較小的一個：

（1）目標測試區域面積的 ；

（2）400cm²；

太陽模擬器輻照不均勻度等級評定標準如下表：

等級	輻照不均勻度
A	2%
B	5%
C	10%

輻照不穩定度

數據採集期間，輻照度應該具有一定的穩定度。根據IEC60904-9的規定，太陽模擬器輻照不穩定度的計算公式如下：

其中,最大輻照度和最小輻照度是數據採集期間在一次測試期間內任意指定點的測量值。

太陽模擬器輻照不穩定度等級評定標準如下表：

等級	短期穩定度(STI)	長期穩定度(LTI)
A	0.5%	2%
B	2%	5%
C	10%	10%

市場概況

Pasan和SPIRE是目前被業內廣泛認可的品牌，在穩定性和準確性上有較強的優勢，但是由於市場定位高端、配件成本高昂、市場競爭不激烈等原因，導致價格一直居高不下，其動輒百萬級的價格卻是國內用戶很難接受的，再加上昂貴的售後服務費用，他們的設備並沒有成為國內電池製造廠商的主力。

由於近些年我國光伏事業的快速發展，在太陽電池領域的研究也日漸升溫，國內的不少科研單位和企業也一直致力於太陽模擬器的研發，主要代表是依託西安交通大學太陽能研究所的陝西眾森電能科技有限公司和依託上海交通大學物理系太陽能研究所的上海赫爽太陽能科技有限公司。