實(shí)用型三譜段太陽模擬器的設(shè)計(jì)與研制

高 雁，劉洪波，王 麗，顧國超

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

目前人類在太空中的衛(wèi)星等航天器兩端都安裝了大型的空間太陽電池陣，它是衛(wèi)星等航天器的核心供電裝置。隨著空間太陽電池陣的不斷發(fā)展，三結(jié)砷化鎵電池已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的硅光電池。三結(jié)砷化鎵電池的光電轉(zhuǎn)換效率比硅光電池要高很多，同時(shí)三結(jié)砷化鎵電池的耐溫性也比較好，而且可以制成薄膜和超薄型太陽電池［1］。三結(jié)砷化鎵電池的測(cè)試需要精確模擬空間太陽光的光譜特性。

美國研制了一種三光源的 AM0太陽模擬器［2］，整個(gè)設(shè)備由一臺(tái)X-25短弧氙燈太陽模擬器，通過雙向分色鏡提供紫外和可見光譜段的光譜，由36只紅外鎢絲燈陣來提供紅外光譜，其中12只鎢絲燈配置700～900 nm的帶通濾光片，并且由獨(dú)立的電源供電，其余24只鎢絲燈負(fù)責(zé)遠(yuǎn)紅外光譜(900～1 700 nm)，然后通過紅外整形濾光片，再與X-25短弧氙燈太陽模擬器的光譜相混合。在測(cè)試平面上，最終設(shè)備的光譜曲線與AM0太陽光譜非常一致，尤其是紅外波段。這種多光源太陽模擬器雖然光譜匹配與太陽光非常一致，但系統(tǒng)復(fù)雜成本較高，同時(shí)光束準(zhǔn)直角較差達(dá)到7.6°。

本文的所研制的三譜段太陽模擬器使用4種濾光片互相配合，能夠在300～700 nm，700～900 nm，900～1 700 nm各譜段內(nèi)準(zhǔn)確的模擬太空環(huán)境中太陽光的輻照度，可以滿足三結(jié)砷化鎵電池的測(cè)試要求，同時(shí)光束準(zhǔn)直角2.5°，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性好，成本低。

2 太陽模擬器光源與三譜段濾光片的設(shè)計(jì)

太陽模擬器想要滿足GaInP/GaAs/Ge三結(jié)砷化鎵電池的測(cè)試要求，其光譜匹配精度就必須與AM0太陽光譜非常接近。

2.1 氙燈光譜的初調(diào)

隨著光源技術(shù)的進(jìn)步，短弧氙燈、金屬鹵素?zé)?、碳弧燈、鹵素?zé)?、鎢絲燈、LED等光源均可以用作太陽模擬器的光源，并且各有優(yōu)缺點(diǎn)［3］。氙燈種類中有一種短弧氙燈，其輻射光譜能量分布與日光相接近，色溫約為6 000 K，而且光、電參數(shù)一致性好，工作狀態(tài)受外界條件變化的影響相對(duì)較小，并且在其壽命期內(nèi)光譜能量分布也變化不大，是太陽模擬器光源的優(yōu)先選擇［4］。

本系統(tǒng)采用歐司朗生產(chǎn)的3 kW短弧球形氙燈作為光源，氙燈的光譜分布在紫外和可見光部分與太陽光譜十分相似，但在800～1 000 nm之間有很多尖峰，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到三結(jié)砷化鎵太陽電池的測(cè)試要求，如圖1所示。所以，首先需要將氙燈的特征光譜濾掉，使其大致滿足AM0太陽光譜，我們稱之為AM0濾光［5］。

圖1 AM0太陽光譜與氙燈光譜對(duì)比Fig.1 Comparison of AM0 and Xenon-lamp spectra

AM0濾光片屬于干涉截止濾光片的一種，由于其位置處于積分器附近，溫度非常高，所以基片材料必須耐高溫，JGS3石英玻璃耐高溫且熱膨脹系數(shù)?。?］。故選擇JGS3石英玻璃作為基片，同時(shí)要對(duì)濾光片進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷卻。

3A級(jí)太陽模擬器也利用過此種濾光片，但中心波長處的光譜透過率只有13%左右，對(duì)于AM0太陽光譜來說，對(duì)氙燈特征譜線壓制過低，本文的濾光片對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)，光譜透過率曲線如圖2所示。濾光片中心波長930 nm處的透射率提升至18%，半寬度約200 nm;400～760 nm波段內(nèi)，平均透射率Ta≥95%，1 160～1 700 nm內(nèi)平均透射率 T≥92%［7-9］。

圖2 AM0濾光片光譜透過率曲線Fig.2 Transmittance curve of the AM0 filter

通過AM0濾光片之后的氙燈光譜在800～1 000 nm之間的尖峰大幅降低，整個(gè)光譜曲線與AM0太陽光譜已經(jīng)大致相近，可以滿足ASTM E927-10光譜匹配A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示，但還是不能夠滿足三結(jié)砷化鎵電池的測(cè)試要求。譜線在400～760 nm之間強(qiáng)度應(yīng)再降低一些，800～1 100 nm之間強(qiáng)度應(yīng)再提高一些。

圖3 AM0太陽光譜與濾波后的氙燈光譜對(duì)比Fig.3 Comparison of AM0 and filtered xenon-lamp spectra

2.2 三譜段濾光片的設(shè)計(jì)

要更進(jìn)一步的對(duì)光譜進(jìn)行修正，就需要額外的濾光片。三結(jié)砷化鎵電池的量子效率與AM0太陽光譜曲線如圖4所示［10］。系統(tǒng)需要匹配太陽電池 300～700 nm，700～900 nm，900～17 00 nm三個(gè)譜段的光譜，所以設(shè)計(jì)的光譜修正組件至少需要3種濾光片，每種濾光片負(fù)責(zé)一個(gè)譜段。

光譜修正組件如圖5所示，包括第一濾光片(1)、第二濾光片(2)和第三濾光片(3)及其濾光片平移機(jī)構(gòu)(4)和圓形支撐架(5)等。每種濾光片各有兩塊，對(duì)稱放置。每個(gè)濾光片固定在一個(gè)平移機(jī)構(gòu)上，可以前后移動(dòng)來控制濾光片在光路中的參與程度。6組平移機(jī)構(gòu)固定在圓形支撐架上，安裝在橢球鏡的正上方，實(shí)物如圖6所示。

圖4 砷化鎵電池的量子效率與AM0光譜曲線圖Fig.4 Quantum efficiency of a GaInP/GaAs/Ge solar cell plotted and the AM0 spectrum curve

圖5 光譜修正組件的結(jié)構(gòu)布局Fig.5 Structural layout of spectrum correction module

圖6 光譜修正組件實(shí)物圖Fig.6 Practicality of the spectrum correction module

光譜修正組件共3組濾光片，每組2片，其中第一濾光片為鋼化透紅外玻璃HB700，為前截止濾光片，截止波長約為700 nm，光譜透過率曲線如圖7所示［11］;第二濾光片為隔熱玻璃GRB3，為后截止濾光片，截止波長約為700 nm，光譜透過率曲線如圖 8所示［12］;第三濾光片為 700～900 nm的帶通濾光片，也屬于干涉截止濾光片，光譜透過率曲線如圖9所示。

圖7 HB700濾光片光譜透過率曲線Fig.7 Transmittance curves of HB700 filter

圖8 GRB3濾光片光譜透過率曲線Fig.8 Transmittance curves of GRB3 filter

圖9 帶通濾光片光譜透過率曲線Fig.9 Transmittance curves of band filter

光譜修正組件的濾光片位于橢球鏡上方，直接受到氙燈的照射，溫度較高。HB700和GRB3屬于顏色玻璃，材料均選用耐高溫的鋼化玻璃。700～900 nm帶通濾光片膜系鍍?cè)谀透邷氐腏GS3石英玻璃上，并通過軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷卻，保證膜系安全。

2.3 氙燈光譜的最終修正

為了能夠達(dá)到三結(jié)砷化鎵電池的測(cè)試要求，我們需要通過光譜修正組件來調(diào)節(jié)光譜。通過我們的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)現(xiàn)在具有4個(gè)可調(diào)變量:氙燈功率和3組不同濾光片在光路中的參與程度。

首先我們將標(biāo)定好的三結(jié)砷化鎵電池和光譜儀探頭放置于有效輻照面的中心位置，在修正過程中同時(shí)監(jiān)測(cè)砷化鎵電池三譜段的響應(yīng)電流值和實(shí)時(shí)的光譜曲線。當(dāng)太陽模擬器內(nèi)部不進(jìn)行任何修正時(shí)，在有效輻照面的中心附近測(cè)試三結(jié)砷化鎵電池子電池的電流值分別為:74.6 mA、70.8 mA、125.0 mA(3片子電池的標(biāo)稱值分別為62.6 mA、75.3 mA、125 mA)。從相應(yīng)電流可以看出，在譜段300～700 nm輻照值偏高，700～900 nm，900～1 700 nm偏低。如圖10所示，濾光后的氙燈光譜多項(xiàng)式平均線與AM0太陽光譜有一定的偏差，從圖中也可以看出大概的趨勢(shì)。

圖10 AM0太陽光譜與加AM0濾光片的氙燈光譜Fig.10 AM0 spectrum and Xenon-lamp spectrum with AM0 optical filter

光譜修正的原則是如果要提升某一波段的強(qiáng)度，先將對(duì)應(yīng)濾光片推入光路中，壓低其余譜段的強(qiáng)度，改變光譜分布的百分比，然后再提高氙燈功率，提升整體的強(qiáng)度。根據(jù)這一原則，反復(fù)幾次調(diào)整，就可以將光譜修正到可以滿足太陽電池測(cè)試要求的狀態(tài)。

具體調(diào)試過程:(1)將HB700濾光片1移入光路中;(2)將對(duì)稱的HB700濾光片2移入光路中一半;(3)提升氙燈功率20%;(4)繼續(xù)將HB700濾光片2向光路中移動(dòng)，同時(shí)將GRB3濾光片1移入光路中一半;(5)將GRB3濾光片2也移入光路中一半;(6)再提升氙燈功率20%;(7)將兩片帶通濾光片移入光路中，同時(shí)微調(diào)其它濾光片，最終得到需要的光譜分布。每調(diào)整一步，記錄下來三結(jié)砷化鎵電池各子電池的電流值，如表1所示。

表1 系統(tǒng)光譜修正過程Tab.1 Process of system spectrum correction

調(diào)試完成后，只有GaAs中電池的響應(yīng)電流值有－1.2%的偏差，其余兩個(gè)譜段完全滿足標(biāo)稱值。從圖11中可以看出，修正后的氙燈光譜的多項(xiàng)式平均線與AM0太陽光譜基本重合。系統(tǒng)修正后的光譜測(cè)試結(jié)果如表2所示［13］，最大偏差為－14.86%，優(yōu)于A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的±25%。

圖11 AM0太陽光譜與修正后的氙燈光譜對(duì)比Fig.11 Comparison of AM0 and revised xenon-lamp spectra

表2 光譜測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.2 Contrast of spectra test result

3 太陽模擬器的設(shè)計(jì)

3.1 太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)

三譜段太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)如圖12所示。氙燈光源發(fā)出的光，經(jīng)橢球鏡反射后，經(jīng)過第一平面反射鏡改變光束方向，再經(jīng)過AM0濾光片濾光，得到與太陽光譜接近的光譜分布，然后以給定的包容角匯聚于積分器組件的場(chǎng)鏡處，形成一個(gè)較大范圍的輻照分布。這個(gè)較大范圍的輻照分布經(jīng)元素透鏡分割后形成多個(gè)光通道，再經(jīng)積分器組件的投影鏡成像到無窮遠(yuǎn)，形成一個(gè)均勻的輻照面。然后經(jīng)第二平面反射鏡改變光束方向，通過準(zhǔn)直物鏡以±2.5°的光束準(zhǔn)直角，投影到有效輻照面上［14-16］。最后通過濾光片組件的修正，獲得滿足三結(jié)砷化鎵電池測(cè)試要求的太陽光譜。

圖12 太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Schematic diagram of optical system of solar simulator

3.2 太陽模擬器的結(jié)構(gòu)

三譜段太陽模擬器結(jié)構(gòu)如圖13所示，主要由地腳(1)、下箱體(2)、聚光組件(3)、光譜修正組件(4)、上箱體(5)、第一反射鏡組件(6)、積分器組件(7)和前箱體(8)、第二反射鏡組件(9)和準(zhǔn)直鏡組件(10)等組成。

圖13 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局Fig.13 Structural layout of system

氙燈的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于橢球鏡的下端，功能是使氙燈的氙弧在橢球鏡的第一焦點(diǎn)附近做平移和升降運(yùn)動(dòng)，用于調(diào)試模擬器輸出光束的輻照不均勻度和總輻照度。光譜修正組件位于聚光組件的正上方，用來修正氙燈光譜。橢球鏡固定在一個(gè)托盤上，整體安裝在下箱體的上部，微調(diào)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)托盤和橢球鏡使其能夠進(jìn)行微量平面移動(dòng)，設(shè)計(jì)在托盤上的三緊三拉機(jī)構(gòu)使其產(chǎn)生傾斜，目的是在系統(tǒng)裝調(diào)的過程中，調(diào)整橢球鏡的光軸線與系統(tǒng)光軸重合。箱體內(nèi)的兩個(gè)平面反射鏡及角度調(diào)整機(jī)構(gòu)采用的是平面內(nèi)3點(diǎn)拉緊結(jié)構(gòu)，作用是微調(diào)通過該反射鏡系統(tǒng)的光軸偏折方向。

上箱體安裝積分器組件的孔位是整個(gè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)孔。在裝調(diào)模擬器光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，首先要確定系統(tǒng)的光軸，調(diào)試時(shí)在孔位上安裝一片基準(zhǔn)平面反射鏡，利用光束自準(zhǔn)直法確定系統(tǒng)的光軸。

4 太陽模擬器的指標(biāo)測(cè)試

三譜段太陽模擬器的指標(biāo)測(cè)試如圖14所示，測(cè)量?jī)x器使用的是面積為20 mm×20 mm的標(biāo)準(zhǔn)硅光電池和高精度數(shù)字源表。

圖14 太陽模擬器指標(biāo)測(cè)試Fig.14 Qualification test of solar simulation

4.1 輻照不均勻度測(cè)試方法及測(cè)量結(jié)果

太陽模擬器的輻照不均勻度主要是由積分器組件和調(diào)試時(shí)對(duì)氙燈的離焦來實(shí)現(xiàn)。積分器組件是兩組蜂窩透鏡陣列，蜂窩元素透鏡越多，有效輻照面上的均勻性就越好［17］。

圖15 輻照不均勻度測(cè)試點(diǎn)分布Fig.15 Irradiance non-uniformity test distribution

表3 輻照不均勻度測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Irradiance non-uniformity test data

測(cè)試方法:在150 mm×150 mm的有效輻照 面內(nèi)平均分布16個(gè)方格，測(cè)量硅光電池在每個(gè)方格中心的光照電流值，如圖15所示，測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

4.2 輻照不穩(wěn)定度測(cè)試方法及測(cè)量結(jié)果

太陽模擬器的輻照不穩(wěn)定度主要是由器件的性能決定，包括氙燈和電源。氙燈點(diǎn)燃時(shí)的弧飄和電源的紋波都會(huì)對(duì)輻照不穩(wěn)定度造成影響。

(a)長時(shí)間輻照不穩(wěn)定度測(cè)試

測(cè)試方法:將硅光電池放在有效輻照面中心點(diǎn)附近，測(cè)量其光照電流值，每隔2 min測(cè)量一次，記錄15次測(cè)量結(jié)果，測(cè)試數(shù)據(jù)見表4。

表4 長時(shí)間輻照不穩(wěn)定度測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 Irradiance temporal instability test data

(b)短時(shí)間輻照不穩(wěn)定度測(cè)試

測(cè)試方法:將硅光電池放在有效輻照面中心點(diǎn)附近，測(cè)量其光照電流值，連續(xù)讀數(shù)大于50次并記錄，其中最大值158.4 mA，最小值155.8 mA。

由以上測(cè)試結(jié)果可以看出，三譜段太陽模擬器不但光譜匹配可以滿足砷化鎵太陽電池的測(cè)試要求，其輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度(包括穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài))均可以滿足ASTM E927-10 A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文對(duì)實(shí)用型三譜段太陽模擬器的研制工作進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)描述了光譜匹配的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)工作。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，并且很好的滿足了三結(jié)砷化鎵電池的測(cè)試對(duì)300～700 nm，700～900 nm，900～1 700 nm 3個(gè)譜段光譜匹配的要求，同時(shí)輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度均滿足A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為太陽電池的自動(dòng)分揀系統(tǒng)和光伏器件的電學(xué)性能測(cè)試提供了一個(gè)可靠的光源平臺(tái)。

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