實用型三譜段太陽模擬器的設計與研制

高 雁，劉洪波，王 麗，顧國超

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

目前人類在太空中的衛星等航天器兩端都安裝了大型的空間太陽電池陣，它是衛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展，三結砷化鎵電池已經逐漸取代了傳統的硅光電池。三結砷化鎵電池的光電轉換效率比硅光電池要高很多，同時三結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］。三結砷化鎵電池的測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］，整個設備由一臺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，并且由獨立的電源供電，其余24只鎢絲燈負責遠紅外光譜(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。在測試平面上，最終設備的光譜曲線與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，但系統復雜成本較高，同時光束準直角較差達到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各譜段內準確的模擬太空環境中太陽光的輻照度，可以滿足三結砷化鎵電池的測試要求，同時光束準直角2.5°，整個系統結構簡單，可靠性好，成本低。

2 太陽模擬器光源與三譜段濾光片的設計

太陽模擬器想要滿足GaInP/GaAs/Ge三結砷化鎵電池的測試要求，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

隨著光源技術的進步，短弧氙燈、金屬鹵素燈、碳弧燈、鹵素燈、鎢絲燈、LED等光源均可以用作太陽模擬器的光源，并且各有優缺點［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、電參數一致性好，工作狀態受外界條件變化的影響相對較小，并且在其壽命期內光譜能量分布也變化不大，是太陽模擬器光源的優先選擇［4］。

本系統采用歐司朗生產的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，遠遠達不到三結砷化鎵太陽電池的測試要求，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?。?］。故選擇JGS3石英玻璃作為基片，同時要對濾光片進行強制風冷卻。

3A級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，對于AM0太陽光譜來說，對氙燈特征譜線壓制過低，本文的濾光片對此進行改進，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，平均透射率Ta≥95%，1 160～1 700 nm內平均透射率 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，整個光譜曲線與AM0太陽光譜已經大致相近，可以滿足ASTM E927-10光譜匹配A級標準，如圖3所示，但還是不能夠滿足三結砷化鎵電池的測試要求。譜線在400～760 nm之間強度應再降低一些，800～1 100 nm之間強度應再提高一些。

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

2.2 三譜段濾光片的設計

要更進一步的對光譜進行修正，就需要額外的濾光片。三結砷化鎵電池的量子效率與AM0太陽光譜曲線如圖4所示［10］。系統需要匹配太陽電池 300～700 nm，700～900 nm，900～17 00 nm三個譜段的光譜，所以設計的光譜修正組件至少需要3種濾光片，每種濾光片負責一個譜段。

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)及其濾光片平移機構(4)和圓形支撐架(5)等。每種濾光片各有兩塊，對稱放置。每個濾光片固定在一個平移機構上，可以前后移動來控制濾光片在光路中的參與程度。6組平移機構固定在圓形支撐架上，安裝在橢球鏡的正上方，實物如圖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 光譜修正組件的結構布局Fig.5 Structural layout of spectrum correction module

圖6 光譜修正組件實物圖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帶通濾光片膜系鍍在耐高溫的JGS3石英玻璃上，并通過軸流風機強制風冷卻，保證膜系安全。

2.3 氙燈光譜的最終修正

為了能夠達到三結砷化鎵電池的測試要求，我們需要通過光譜修正組件來調節光譜。通過我們的設計，系統現在具有4個可調變量:氙燈功率和3組不同濾光片在光路中的參與程度。

首先我們將標定好的三結砷化鎵電池和光譜儀探頭放置于有效輻照面的中心位置，在修正過程中同時監測砷化鎵電池三譜段的響應電流值和實時的光譜曲線。當太陽模擬器內部不進行任何修正時，在有效輻照面的中心附近測試三結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片子電池的標稱值分別為62.6 mA、75.3 mA、125 mA)。從相應電流可以看出，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。

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度，先將對應濾光片推入光路中，壓低其余譜段的強度，改變光譜分布的百分比，然后再提高氙燈功率，提升整體的強度。根據這一原則，反復幾次調整，就可以將光譜修正到可以滿足太陽電池測試要求的狀態。

具體調試過程:(1)將HB700濾光片1移入光路中;(2)將對稱的HB700濾光片2移入光路中一半;(3)提升氙燈功率20%;(4)繼續將HB700濾光片2向光路中移動，同時將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，同時微調其它濾光片，最終得到需要的光譜分布。每調整一步，記錄下來三結砷化鎵電池各子電池的電流值，如表1所示。

表1 系統光譜修正過程Tab.1 Process of system spectrum correction

調試完成后，只有GaAs中電池的響應電流值有－1.2%的偏差，其余兩個譜段完全滿足標稱值。從圖11中可以看出，修正后的氙燈光譜的多項式平均線與AM0太陽光譜基本重合。系統修正后的光譜測試結果如表2所示［13］，最大偏差為－14.86%，優于A級標準的±25%。

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

表2 光譜測量結果對比Tab.2 Contrast of spectra test result

3 太陽模擬器的設計

3.1 太陽模擬器光學系統

三譜段太陽模擬器的光學系統如圖12所示。氙燈光源發出的光，經橢球鏡反射后，經過第一平面反射鏡改變光束方向，再經過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鏡處，形成一個較大范圍的輻照分布。這個較大范圍的輻照分布經元素透鏡分割后形成多個光通道，再經積分器組件的投影鏡成像到無窮遠，形成一個均勻的輻照面。然后經第二平面反射鏡改變光束方向，通過準直物鏡以±2.5°的光束準直角，投影到有效輻照面上［14-16］。最后通過濾光片組件的修正，獲得滿足三結砷化鎵電池測試要求的太陽光譜。

圖12 太陽模擬器光學系統結構圖Fig.12 Schematic diagram of optical system of solar simulator

3.2 太陽模擬器的結構

三譜段太陽模擬器結構如圖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)和準直鏡組件(10)等組成。

圖13 系統結構布局Fig.13 Structural layout of system

氙燈的調節機構位于橢球鏡的下端，功能是使氙燈的氙弧在橢球鏡的第一焦點附近做平移和升降運動，用于調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。橢球鏡固定在一個托盤上，整體安裝在下箱體的上部，微調機構帶動托盤和橢球鏡使其能夠進行微量平面移動，設計在托盤上的三緊三拉機構使其產生傾斜，目的是在系統裝調的過程中，調整橢球鏡的光軸線與系統光軸重合。箱體內的兩個平面反射鏡及角度調整機構采用的是平面內3點拉緊結構，作用是微調通過該反射鏡系統的光軸偏折方向。

上箱體安裝積分器組件的孔位是整個系統的基準孔。在裝調模擬器光學系統時，首先要確定系統的光軸，調試時在孔位上安裝一片基準平面反射鏡，利用光束自準直法確定系統的光軸。

4 太陽模擬器的指標測試

三譜段太陽模擬器的指標測試如圖14所示，測量儀器使用的是面積為20 mm×20 mm的標準硅光電池和高精度數字源表。

圖14 太陽模擬器指標測試Fig.14 Qualification test of solar simulation

4.1 輻照不均勻度測試方法及測量結果

太陽模擬器的輻照不均勻度主要是由積分器組件和調試時對氙燈的離焦來實現。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 輻照不均勻度測試點分布Fig.15 Irradiance non-uniformity test distribution

表3 輻照不均勻度測試數據Tab.3 Irradiance non-uniformity test data

測試方法:在150 mm×150 mm的有效輻照 面內平均分布16個方格，測量硅光電池在每個方格中心的光照電流值，如圖15所示，測試數據如表3所示。

4.2 輻照不穩定度測試方法及測量結果

太陽模擬器的輻照不穩定度主要是由器件的性能決定，包括氙燈和電源。氙燈點燃時的弧飄和電源的紋波都會對輻照不穩定度造成影響。

(a)長時間輻照不穩定度測試

測試方法:將硅光電池放在有效輻照面中心點附近，測量其光照電流值，每隔2 min測量一次，記錄15次測量結果，測試數據見表4。

表4 長時間輻照不穩定度測試數據Tab.4 Irradiance temporal instability test data

(b)短時間輻照不穩定度測試

測試方法:將硅光電池放在有效輻照面中心點附近，測量其光照電流值，連續讀數大于50次并記錄，其中最大值158.4 mA，最小值155.8 mA。

由以上測試結果可以看出，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試要求，其輻照不均勻度和輻照不穩定度(包括穩態和瞬態)均可以滿足ASTM E927-10 A級標準。

5 結論

本文對實用型三譜段太陽模擬器的研制工作進行了闡述，重點描述了光譜匹配的設計和實驗工作。整個系統結構簡單，易于實現，成本較低，并且很好的滿足了三結砷化鎵電池的測試對300～700 nm，700～900 nm，900～1 700 nm 3個譜段光譜匹配的要求，同時輻照不均勻度和輻照不穩定度均滿足A級標準，為太陽電池的自動分揀系統和光伏器件的電學性能測試提供了一個可靠的光源平臺。

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