大輻照面積超A級太陽能模擬器的設(shè)計與實現(xiàn)

■ 馮云峰 劉皎 李翔 楊暢民 黃國華

（1.陜西眾森電能科技有限公司； 2.西安特種設(shè)備檢驗檢測院；3.西安理工大學理學院；4.西安交通大學理學院)

0 引言

太陽模擬器在光伏電池領(lǐng)域主要用于模擬標準太陽輻照照射在太陽電池上，處理其輸出的電流、電壓信號，最后獲得被測電池的光電效率、短路電流、開路電壓、峰值功率信息等。太陽模擬器的主要指標為光譜與AM 1.5標準的匹配度、輻照不均勻度和不穩(wěn)定度。根據(jù)IEC 6090-9標準，將太陽模擬器分為A、B、C 3級，見表1。表中需要注意的是：

3)輻照不穩(wěn)定度：在輻照面同一位置，按規(guī)定的時間間隔測試，

4)AM 1.5標準光譜是，在晴朗氣候條件下，太陽光到達地面的路程是所穿過大氣1.5倍厚度時的光譜。

表1 模擬器等級分類

3項指標都達到A級的太陽模擬器，稱為3A級模擬器。然而，隨著光伏工業(yè)制造水平的不斷提升和終端市場對太陽電池的要求提高，太陽電池制造商需要更精準的太陽模擬器來檢測光伏電池，以幫助他們提升技術(shù)工藝或定位產(chǎn)品，實際上3A級模擬器已逐漸不能滿足這種需求。在此背景下，光伏工業(yè)迫切需要更高端的、超越3A級指標的太陽模擬器，簡稱超A級模擬器。目前在國內(nèi)和國際上對超A級太陽模擬器還沒有明確的技術(shù)標準，本文根據(jù)國外超A級模擬器的技術(shù)指標，以及目前光伏廠家劃分太陽電池等級的標準，擬定本次研制模擬器的技術(shù)目標。其與3A級太陽模擬器的技術(shù)參數(shù)對比見表2。

表2 超A級與3A級模擬器的參數(shù)對比

用戶使用太陽模擬器時，除了以上指標外，還會關(guān)注太陽模擬器的輻照度重復(fù)性，即同一太陽電池在固定位置重復(fù)測試多次后，其短路電流值的差異情況。在本設(shè)計中另外要求10000次測試中輻照度重復(fù)性小于0.3%。

1 超A級光譜匹配度的實現(xiàn)

太陽電池是光譜選擇性器件，對不同波長有不同的響應(yīng)度，為了保證測試的準確性必須讓模擬器的光譜極為接近地面標準光譜AM 1.5，衡量這一接近程度的指標是光譜匹配度。

超A級太陽模擬器的光譜主要決定于氙燈、濾波片、聚光器表面材質(zhì)。然而，要實現(xiàn)良好的光譜匹配，設(shè)備首先必須有穩(wěn)定的光譜特征。影響光譜特征的因素見表3。

表3 光譜變化因素及防止措施

表3給出了為實現(xiàn)模擬器光譜穩(wěn)定而采取的措施，表明長弧氙燈非常穩(wěn)定的光譜分布是超A級太陽模擬器實現(xiàn)高光譜匹配的重要保障[1]。與此同時，由圖1可知，長弧氙燈的光譜分布較接近太陽光譜，差別主要是300～700 nm波段偏低、800～1100 nm波段能量偏高，加濾光片后得到改善。

圖1 超A級太陽模擬器的光譜

本設(shè)計采用的濾光片基底為二氧化硅，表面鍍30層反光膜，主要抑制800～1100 nm波段的通過率[2]。加載濾光片后，使用光譜儀測試輻照面不同的20個點，長弧氙燈光譜與AM 1.5標準的匹配度為0.93～1.06，達到0.9～1.1的目標。

2 超A級輻照均勻度的實現(xiàn)

輻照度對太陽電池的短路電流和峰值功率的影響較明顯；在輻照度強弱不均勻的輻照面上，太陽電池的測試結(jié)果會隨位置不同而有明顯的變化，這意味著測試結(jié)果不準確。所以，精密的模擬器要求將輻照不均勻度控制在盡可能小的范圍內(nèi)。

如圖2所示，在本文研制的模擬器中，輻照面距光源8 m，輻照面尺寸為3 m×3 m，光源近似為朗伯體，且由于尺寸較小可視為點光源。

圖2 超A級太陽模擬器的光路示意圖

在朗伯體光源中，

輻照面中心點O的輻照度表達式為：輻照面邊角點P的輻照度表達式為[3]：

此時，輻照不均勻度的表達式為：

將θ=13°代入式(4)可知，此時輻照不均勻度約為3.9%，分布為中心強四周弱的“凸”形。

為了將輻照不均勻度減小到1%以內(nèi)，需在光源中添加陰影積分裝置，該裝置可在輻照面上產(chǎn)生一個中心弱四周強的“凹”形輻照分布。不斷優(yōu)化陰影積分裝置，使其產(chǎn)生“凹”形分布與設(shè)備原“凸”形輻照分布恰好互相補償，則可獲得較小的輻照不均勻度。

陰影積分裝置的優(yōu)化過程在Zemax仿真軟件中進行。在非序列模式下對模擬器的光學系統(tǒng)建立完整模型并進行仿真，每個氙燈追跡1000萬光線，經(jīng)過多次調(diào)節(jié)后，獲得非常良好的均勻輻照，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真模型中輻照面的輻照度分布

如圖3所示，3 m×3 m輻照面的著色圖，從藍色到紅色輻照度依次增強，經(jīng)過分析，最強輻照度為4950 W/m2，最弱輻照度為4880 W/m2，系統(tǒng)的輻照不均勻度為0.71% ；經(jīng)過多次仿真，輻照面沒有固定的強弱區(qū)域，說明已達到很高的均勻性。將仿真獲得的光學積分裝置安裝在太陽模擬器上進行實測，測試方法為：輻照面尺寸為3 m×3 m，共分為15×15個小格子，每個格子尺寸為20 cm×20 cm。由于光伏電池的短路電流與輻照度具有線性正比關(guān)系，所以用短路電流來表征輻照度。在不均勻性測試中，將20 cm×20 cm的太陽電池分別放在15×15個小格子上測試，記錄其短路電流值，找到Imax和Imin。設(shè)備的輻照不均勻度計算式為：

試制的3臺設(shè)備，實測輻照不均勻度分別為0.49%、0.61%、0.73%，均滿足小于1%的設(shè)計要求。

3 超A級輻照穩(wěn)定度及重復(fù)性的實現(xiàn)

輻照不穩(wěn)定性主要考量模擬器抗干擾能力強弱、光源及供電電路的穩(wěn)定性，穩(wěn)定的輻照度是精準測試的保障。在本設(shè)計中，使用自反饋電路實時控制氙燈電流，以實現(xiàn)10 ms脈沖時間內(nèi)的真實輻照度與預(yù)設(shè)輻照度一致。其具體過程為：當氙燈輸出偏大(偏小)，位于輻照面上的反饋電池會輸出比基準偏高(偏低)的電壓，該電壓會減少(增大)經(jīng)過氙燈的電流，氙燈輸出降低(增加)；這個自反饋調(diào)節(jié)的周期只需幾十納秒，持續(xù)的自反饋調(diào)節(jié)保證了反饋電池輸出電壓與基準相等，此時真實輻照度與預(yù)設(shè)輻照度一致，這同時保證了測試的輻照穩(wěn)定度和重復(fù)性。

輻照不穩(wěn)定度測試方法為：使用示波器獲取監(jiān)控電池在一次測試10 ms中輸出電流值[4]，根據(jù)式(5)，可得實測結(jié)果為0.14%。

輻照度重復(fù)性測試方法為：依然使用太陽電池的短路電流來表征輻照度。在測試中，將太陽電池組件放置在輻照面上測試10000次，記錄短路電流值，找到Imax和Imin。設(shè)備的輻照度重復(fù)性根據(jù)式(5)計算，經(jīng)過10000次測試，輻照重復(fù)性為0.2%。

由以上研究可得超A級模擬器實測結(jié)果與預(yù)定指標對比，見表4。

表4 超A級模擬器實測結(jié)果與預(yù)定指標對比

4 結(jié)論

本文研制成功的超A級大型脈沖式太陽模擬器，將光伏電池檢測的準確性提高到了新的層次。借助超A太陽模擬器的精確測試，太陽電池制造商可更加可靠地驗證其生產(chǎn)工藝、改進產(chǎn)生的效果，這必然會促進太陽電池生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展。

[1]杜秀蘭， 徐亮.長弧氙燈的特性及應(yīng)用前景[J].光電技術(shù)應(yīng)用， 2003， 6(3)∶ 32 － 35.

[2]潘永強， 施洋， 杭凌俠.太陽能模擬器濾光片的研制[J].真空科學與技術(shù)學報， 2010， 30(5)∶ 470－473.

[3]黃啟祿.基于均勻照明的LED陣列的仿真研究與設(shè)計[D].福建∶ 華僑大學， 2007.

[4]尹德金， 石雷兵， 周碧紅.太陽模擬器輻照不穩(wěn)定性測試方法[J].上海計量測試， 2012，(5)∶ 5－7.