大輻照面AM0太陽模擬器檢測

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033)

1 引言

隨著我國航空、航天工程事業的迅速發展，我國研制太陽模擬器的水平和對太陽模擬器技術要求在不斷提高，它的輻照面積、輻照強度在進一步增大。相應地對檢測能力及水平也要求更高。太陽能電池或太陽能電池組件等光伏器件產品的光電性能測試，各種類型的航天載荷及地面武器系統等都需要做光照環境試驗，都要用太陽模擬器，太陽模擬器是各種產品測試及試驗用的一個標準器。

太陽模擬器做為標準產品要按照技術要求進行嚴格的檢測。幾十年來，在我國航空、航天工程領域得到很好應用的太陽模擬器，大多數都來自我所研制生產。我國在太陽模擬器標準的更新速度方面明顯滯后于國外。盡管我國應用太陽模擬器的時間已有近五十年，但更新標準的速度跟不上當前我國發展的需求。究其原因，太陽模擬器使用者對太陽模擬器在使用中的技術要求還不夠高，深入研究的也不夠，致使我們對太陽模擬器的研制和檢測手段還落后于國外先進水平。近年來我國應用太陽模擬器的發展速度很快。2010年后，我國應用的太陽模擬器最大輻照面已經達到Ф1 m，我們對此輻照面直徑的太陽模擬器參照最新的美國標準已成功地完成了檢測。未來3～5年，我國制造的太陽模擬器的輻照面會更大，如Ф4 m～6 m已經開始研制。并且，輻照度大到幾十個太陽常數的太陽模擬器也進入理論設計階段。這將要求我們大力加強研制和檢測技術的研究，提高檢測技術的水平，為我國的航空、航天工程事業的發展做出貢獻。

2 太陽模擬器的類型

2.1 太陽模擬器級別

太陽模擬器的主要光電技術參數通常有6項，技術參數包括：有效輻照面、總輻照度、輻照不均勻度、輻照不穩定度、光譜匹配性和視場角(準直角)。其中的輻照不均勻度、輻照不穩定度、光譜匹配性為主要技術參數。無論我國和美國標準都采用相同的級別劃分方式，將這三個參數分為A、B、C三個等級。國標GB/T6495.9-2006《光伏器件第9部分：太陽模擬器性能要求》[1]和美國標準E927-2010《光伏器件測試：太陽模擬器標準規范》[2]中，將這3個重要參數分別劃分為A、B、C三個等級，表1和表2分別表示中國和美國有關太陽模擬器等級分類情況。

表1 GB/T6495.9-2006模擬器等級分類(中國)

表2 E927-2010模擬器等級分類(美國)

注：大輻照面模擬器(Ф>300mm)

2.2 太陽模擬器類別

按有效輻照面技術參數劃分。我國在標準GB/T12637-90《太陽模擬器通用規范》[3]中，按有效輻照面尺寸大小，將太陽模擬器分為5個類別，見表3。最新的美國標準E927-2010《光伏器件測試：太陽模擬器標準規范》中，按有效輻照面尺寸大小只劃分為兩大類：有效輻照面(圓形)直徑尺寸Ф≤300 mm和Ф>300 mm。見表3。

表3 GB/T12637-90太陽模擬器類別(中國) (mm)

按光譜輻照度分布特性劃分。我國在標準GB/T12637-90《太陽模擬器通用規范》中，將太陽模擬器劃分為AM0和AM1.5兩種應用狀態，見表4。最新的美國標準E927-2010《光伏器件測試：太陽模擬器標準規范》中，將太陽模擬器劃分為AM0和AM1.5D、AM1.5G三種應用狀態。見表5。

表4 GB/T6495.9-2006標準光譜輻照度分布(中國)

表5 E927-2010標準光譜輻照度分布(美國)

按光輸出頻率特性劃分。太陽模擬器分為脈沖式和恒穩態兩種類型。我國在國標GB/T6495.9-2006《光伏器件第9部分：太陽模擬器性能要求》中明確這兩種類型太陽模擬器都適用于該標準。美國標準E927-2010《光伏器件測試：太陽模擬器標準規范》[4]中也同樣劃分為兩大類。到目前為止，我國應用的絕大多數太陽模擬器都是恒穩態型。

3 檢測技術研究

下面以一個已經完成檢測的輻照面(圓形)直徑為Ф1.0 m的太陽模擬器實例，介紹一下我們在檢測過程中所遇到的技術問題和開展的試驗研究工作。該太陽模擬器是恒穩態型，它的技術指標如表6所示。我們對該太陽模擬器的輻照度、輻照不均勻度、輻照不穩定度、光譜匹配性、光束準直角等6項技術參數做了檢測。檢測工具：20×20太陽電池，AVaspec-2048光譜輻射計，TDJ2光學經緯儀。

表6 太陽模擬器技術指標

(1)輻照度的檢測。1990年代，我們檢測的大多數太陽模擬器輻照面都在Ф200 mm以下，基本上都按照國標GB/T12637-90 《太陽模擬器通用規范》中規定的輻照度測試器件，用窗口面積Ф5 mm絕對輻射計去測量總輻照度，輻照度在1個太陽常數以下。2005年后，我們開始檢測輻照面都在Ф300 mm～800 mm太陽模擬器，檢測中，我們感到用Ф5 mm絕對輻射計測輻照度不合適，因為絕對輻射計的光譜范圍0.4 μm～20 μm太寬，不適合太陽模擬器(0.3 μm～1.4 μm)檢測。開始研究采用美國標準E927-05，用窗口面積10 mm×10 mm的硅太陽電池作為測試器件，因為它的光譜范圍在0.3 μm～2.5 μm。超過Ф50 0m輻照面的太陽模擬器我國沒有標準。所以我所研制人員只能一邊研制太陽模擬器一邊研究如何檢測它的性能參數。去年我們檢測一臺輻照面Ф1.0 m的AM0太陽模擬器。此次，我們直接采用了美國標E927-2010 《光伏器件測試：太陽模擬器標準規范》。盡管我們應用了最新的美國標準，但還是不能準確地應用該標準。因為，按著美國標E927-2010 《光伏器件測試：太陽模擬器標準規范》要求，測試不同輻照面的太陽模擬器應選不同窗口面積的測試器件。我們現有的單晶硅標準太陽電池規格較少，僅有窗口面積10 mm×10 mm和20 mm×20 mm兩種規格的硅太陽電池，盡管我們完成了輻照面Ф1.0 m的太陽模擬器輻照度的檢測，但輻照度的測量值偏低了。現在，我們正在研究如何利用現有測試器件資源，開展測試不同輻照面輻照度的工作。

(2)輻照不均勻度的檢測。測試輻照不均勻度涉及兩個重要因素，一個是要檢輻照面上測試區域點數量的選取，另一個是測試器件的窗口面積選取。過去，我們以往檢測<Ф300 mm輻照面的太陽模擬器的輻照不均勻度時，總是依據傳統經驗，對要檢輻照面做米字形分布從中心向周邊選測試區域點，測試點盡可能多[5]。按照國標GB/T12637-90 《太陽模擬器通用規范》，選用窗口面積Ф5 mm絕對輻射計測試輻照度，后來我們通過查技術資料選用了10 mm×10 mm單晶硅太陽電池器件測試輻照度，測試結果基本上滿足了使用技術要求，完成了一些<Ф300 mm輻照面的太陽模擬器的輻照不均勻度檢測[6]。現在，我們檢測一個輻照面Ф1 m的AM0太陽模擬器，由于輻照面增大3倍多，檢測過程中就遇到了不知道按什么標準檢測的問題。在Ф1m輻照面上，我們依據傳統經驗，對要檢輻照面做米字形分布選測試區域點41個，在輻照面上選不同規格窗口面積的測試器件測試輻照不均度的結果是不一樣的。所以，這兩個重要因素至關測試輻照不均度的準確性。若按著我國的國標規定的要求去選用窗口面積Ф5 mm絕對輻射計去測量，輻照度不均勻度測量值較高，用20 mm×20 mm窗口面積單晶硅太陽電池器件檢測[7]，輻照度不均勻度測量值偏低，測量結果剛好滿足技術指標要求。針對到底是我們的太陽模擬器研制水平差還是檢測方法不符合標準要求，我們針對這個問題查閱了國內外有關太陽模擬器標準。我國最新國標GB/T12637-90 《太陽模擬器通用規范》和GB/T6495.9-2006《光伏器件第9部分：太陽模擬器性能要求》中并沒有說明Ф1 m的AM0太陽模擬器的測量方法及測試器件要求。而美國標E927-2010 《光伏器件測試：太陽模擬器標準規范》只是將輻照面分為Ф≤300 mm和Ф>300 mm兩類。但有詳細的測試器件窗口面積選取原則，這為我們完成檢測找到了依據。經過分析研究一致同意，采用美國標E927-2010的測試方法和原則測試。它選取的原則是：將要測試的輻照面分成不少于36等分，測試器件窗口面積應選擇獨立等分面積的25%以上。按這個原則，我們應選的測試器件窗口面積為不低于5452 mm2。但是，我們現有條件僅有經標定過的20 mm×20 mm(400 mm2)窗口面積的測試器件。按著美國標要求所選窗口面積應是5452 mm2，是20 mm×20 mm的13.6倍，如果所選測試器件窗口面積與要測試的太陽模擬器輻照面不匹配，會產生測試誤差。實際測試中，我們依據傳統經驗在輻照面上按米字形分布從中心向周邊選41個獨立測試點，大于美國標規定不低于36個測試點。輻照不均勻度測試結果(±4.6%)剛好滿足技術指標要求，達B級標準。我們所用測試器件的窗口面積(20 mm×20 mm)小于美國標準要求，說明我們測試的太陽模擬器輻照不均勻度的真值優于±4.6%。

(3)輻照不穩定度檢測。我國在國標GB/T12637-90 《太陽模擬器通用規范》中對有關輻照不穩定度的檢測方面沒有明確檢測方法及技術要求，僅僅敘述說明了輻照不穩定度的計算方法。而在美國標E927-2010 《光伏器件測試：太陽模擬器標準規范》中，對恒穩態型太陽模擬器輻照不穩定度的檢測過程也沒有明確的技術要求，只明確了數據采樣時間間隔為100 ms，1 min和1 h。沒有規定時間穩定范圍。而我們在輻照不穩定度檢測方面，一直延用幾十年來總結出來的檢測過程和方法要求。凡是涉及到輻照不穩定度的技術要求，都要明確規定時間穩定范圍為1 h，即在1 h時間內它的輻照不穩定度指標是多少，而且又明確采樣間隔為5 min。測試點是在有效輻照面上任選。計算方法按國標GB/T12637-90。測試結果：該模擬器在有效輻照面內，輻照不穩定度±1.5%/h 。

(4)光譜匹配性檢測。我國最新國標GB/T6495.9-2006《光伏器件第9部分：太陽模擬器性能要求》中，規定AM0光譜范圍0.3 μm ～1.1 μm，標準光譜輻照度分布，見表4。而美國標E927-2010 《光伏器件測試：太陽模擬器標準規范》中，規定AM0光譜范圍0.3 μm ～1.4 μm，標準光譜輻照度分布，見表5。說明美國標準中在光譜范圍上寬于我們。我們用光譜儀對太陽模擬器輸出模擬太陽光進行相對光譜分布測試，并計算分段光譜累積能量占總光譜累積能量的百分比。按照美國標E927-2010中光譜匹配等級確認。測試結果：確定該模擬器達AM0光譜C級標準。

(5)光束準直角檢測。美國標中稱為視場角。其含義相同。美國標E927-2010中給視場角定義是：模擬器輻照面上任一點輻射出的兩條線間的最大夾角。我們認為，光束準直角就是太陽對地面的最大張角。1990年代以前，光束準直角這項參數不測量，僅依據系統的準直物鏡焦距和視場光欄大小計算準直角，一旦系統中的光學和機械件加工有問題，會造成準直角不準確。2000年以后，隨著我國航天事業的快速發展，所需求的太陽模擬器的數量和輻照面不斷加大，相應地對太陽模擬器的技術要求也增高了。對模擬器準直角和精度要求更加嚴格。于是我們開始研究如何檢測準直角。我們用光學經緯儀采用測角法對模擬器準直角進行測量。對模擬器光學系統來說，即是模擬器光學準直系統的視場角，準直物鏡的焦面是一個視場光欄(相當太陽)，輻照面上一點對模擬器視場光欄的張角即是模擬器視場角(準直光束角)。我們用光學經緯儀直接測量系統視場光欄的張角。因為光學經緯儀的測試精度在2″以內，而太陽模擬器準直角要求較高的不過32′±1′。所以，我們的測試方法足以滿足研制技術要求。

注：輻照面Ф1.0 m的太陽模擬器測試結果請參看表7。

表7 輻照面Ф1.0 m太陽模擬器測試結果

4 結束語

我國太陽模擬器的研制和檢測技術水平與國外先進水平相比有一定差距，我們研制的能力、檢測的手段、標準更新的速度等有待進一步加強。過去幾十年來我們通過不斷地試驗、研究，對輻照面Ф1 m以下的太陽模擬器已經形成了制造和檢測能力。今后，我們將面臨更大輻照面和輻照度的太陽模擬器的研制技術和檢測技術的研究，國家應盡快制定適應我國太陽模擬器應用的新標準，只有這樣才能滿足我國太陽模擬器發展的要求，達到世界先進水平。

[1]GB/T6495.9-2006 光伏器件第9部分：太陽模擬器性能要求:160-161.

[2]美國標E927-2010 光伏器件測試：太陽模擬器標準規范：7-9.

[3]美國標E490-2006 標準太陽常數和AM0太陽光譜輻照表.：7

[4]GB/T12637-90 太陽模擬器通用規范：2-3.

[5]仲躋功. 太陽模擬器光學系統的幾個問題.太陽能學報，1983，4(2)：187-190.

[6]徐亮. 月亮模擬器光學系統設計與輻照度均勻性分析.長春理工大學,2009：18-19.

[7]袁亞飛，劉民，楊亦強.太陽模擬器輻照不均勻性測試系統的研制，2006(增刊)：238-240.