金鹵燈太陽模擬設備中濾光片的設計

王銀河，宋光輝，李文龍，劉海濤

(沈陽儀表科學研究院有限公司，沈陽 110043)

0 引言

由于各地的氣候、環境、地理位置存在差異，自然太陽光很難作為標準光源測試使用，而太陽模擬設備可通過人工光源對標準太陽光進行模擬，并進行長期可控的穩定測試。太陽模擬設備可用于測試非聚光型地面平板式光伏發電裝置的光電轉換性能。參照GB/T 6495.9—2006《光伏器件 第9部分：太陽模擬器性能要求》，模擬太陽光源的光學性能通常采用光譜匹配指標來描述，光譜匹配指標主要用于表征模擬太陽光源與標準太陽光的接近程度，即光譜匹配度。按照標準要求，當模擬太陽光源輸出光的光譜(下文簡稱為“模擬太陽光譜”)在不同波段(400～1100 nm)的光譜特性與標準太陽光譜的光譜匹配度等級均達到A級時，可稱其為最接近標準太陽光的模擬太陽光源，是較為理想的模擬太陽光源。

氙燈是常用的模擬太陽光源，其光譜特性在可見光波段接近于標準太陽光譜，光譜匹配度較好；而且當前針對采用氙燈的太陽模擬設備及其濾光片的相關研究也較多[1-4]。除氙燈外，金鹵燈具有功率大、發光效率高等特點，也可作為模擬太陽光源使用。但由于金鹵燈的光譜特性與標準太陽光譜相差較大，因此采用金鹵燈作為模擬太陽光源(下文簡稱為“金鹵燈光源”)時太陽模擬設備中濾光片的設計難度較大，國內外的研究也較少。

本文主要研究了一種金鹵燈太陽模擬設備中濾光片的設計方法，使金鹵燈光源結合本設計濾光片后的光譜匹配度等級達到A級的目標。首先論述了模擬太陽光源的相對光譜輻照度比例及其光譜匹配度的計算過程；然后根據金鹵燈光源的相對光譜輻照度比例分布特性，對濾光片的設計方法進行了分析，并給出了其設計透射率曲線，計算了金鹵燈光源結合濾光片后在不同波段的光譜匹配度；最后對2000 W金鹵燈結合本設計濾光片的輸出光光譜在各波段的光譜匹配度進行測試，以驗證其光譜匹配度等級是否達到A級標準。

1 光譜匹配度計算

1.1 不同波段的相對光譜輻照度比例的計算

標準太陽光譜的光譜輻照度分布如圖1所示。模擬太陽光譜的相對光譜輻照度分布與標準太陽光譜的光譜輻照度分布越接近，則說明該模擬太陽光源越理想。

圖1 標準太陽光譜的光譜輻照度分布Fig. 1 Spectral irradiance distribution of standard solar spectrum

理論上，模擬太陽光譜與標準太陽光譜一致最為理想，但實際情況中，模擬太陽光譜不可能與標準太陽光譜完全相同，因此，采用波段(400～1100 nm)光譜匹配度的方法來評價模擬太陽光譜與標準太陽光譜的接近程度。將400～1100 nm波段的標準太陽光譜按照波長間隔100～200 nm進行分段，共分為6個波段，即400～500 nm、500～600 nm、600～700 nm、700～800 nm、800～900 nm、900～1100 nm。

對光源不同波段時的光譜能量在400～1100 nm波段總光譜能量中的占比進行計算，其公式可表示為：

式中：Eλ為光源在400～1100 nm波段中對應波段的相對光譜輻照度分布；ρ為該對應波段的光譜能量與400～1100 nm波段總光譜能量的占比系數(即相對光譜輻照度比例)；λa為該對應波段的起始波長；λb為該對應波段的終止波長。

根據式(1)，可計算得到標準太陽光譜在不同波段的光譜輻照度比例分布，具體如表1所示。

表1 標準太陽光譜在不同波段的光譜輻照度比例的分布情況Table 1 Distribution of spectral irradiance proportion in different bands of standard solar spectrum

1.2 光譜匹配度計算

模擬太陽光譜在不同波段的相對光譜輻照度比例分布應接近表1中標準太陽光譜在不同波段的光譜輻照度比例分布。實際上，二者不能實現完全一致，因此以光譜匹配度作為評價參數來評價模擬太陽光譜與標準太陽光譜的接近程度。光譜匹配度是實際采用的模擬太陽光譜在不同波段的相對光譜輻照度比例與標準太陽光譜相對應波段的光譜輻照度比例的比值。根據式(1)，可通過計算模擬太陽光譜在不同波段的相對光譜輻照度分布積分值，計算得到模擬太陽光譜在不同波段的相對光譜輻照度比例。

光譜匹配度γ的計算式為：

式中：ρiL為模擬太陽光譜在第i波段的相對光譜輻照度比例；ρiS為標準太陽光譜在第i波段的光諳輻照度比例。

根據光譜匹配度范圍進行等級分類，具體如表2所示。其中，A級為最接近標準太陽光譜，B級次之。

表2 光譜匹配度等級分類Table 2 Classification of spectral matching degree grade

2 太陽模擬設備中濾光片的設計

2.1 氙燈及金鹵燈光源的光譜匹配度計算

無論是采用氙燈、金鹵燈，或其他光源作為太陽模擬設備的模擬太陽光源，其光譜特性與標準太陽光譜相比，均有不同程度的差異。氙燈作為最接近標準太陽光的氣體放電燈，被廣泛應用于太陽模擬設備。金鹵燈是氣體放電燈的一種，以型號為OSRAM HQI-TS的2000 W金鹵燈為例，其光通量可達到200000 lm，是同等功率氙燈的2倍，但其光譜的相對光譜輻照度分布與標準太陽光譜的光譜輻照度分布相差較大。氙燈光源輸出光的光譜(下文簡稱為“氙燈光譜”)及金鹵燈光源輸出光的光譜(下文簡稱為“金鹵燈光譜”)的相對光譜輻照度分布如圖2所示。結合圖2，再根據式(1)、式(2)，可計算得到的氙燈光譜及金鹵燈光譜在不同波段的光譜匹配度及光譜匹配度等級，具體如表3所示。

圖2 氙燈光譜及金鹵燈光譜的相對光譜輻照度分布Fig. 2 Distribution of relative spectral irradiance of xenon lamp spectrum and metal halide lamp spectrum

表3 氙燈光譜及金鹵燈光譜在不同波段的光譜匹配度及光譜匹配度等級Table 3 Spectral matching degree and spectural matching degree grade of xenon lamp spectrum and metal halide lamp spectrum in different bands

從表3中可以看出，氙燈光譜只有在900～1100 nm波段的光譜匹配度等級超出范圍，在700～800 nm波段為A級，其余波段均為B級，因此，只需抑制900～1100 nm波段即可使氙燈光譜整體達到A級標準，通過濾光片來調整和實現較為容易，此種情況下的濾光片設計在相關文獻中均有論述。金鹵燈光譜在400～500 nm、500～600 nm、700～800 nm波段的光譜匹配度等級均為C級，900～1100 nm波段的光譜匹配度等級為B級。因此，太陽模擬設備若使用金鹵燈作為模擬太陽光源，則濾光片在設計時需要調整的波段要比采用氙燈光源時需要調整的多。

2.2 濾光片的設計原理

不添加濾光片的模擬太陽光譜的相對光譜輻照度分布無法達到與標準太陽光譜的光譜輻照度分布一致，使用“模擬太陽光源+濾光片”的模式可以修正模擬太陽光譜的相對光譜輻照度分布，使其更接近于標準太陽光譜的光譜輻照度分布。濾光片是在一片石英玻璃上交替鍍制多層介質氧化物薄膜，根據光學薄膜干涉原理，設計每層薄膜的厚度，按照設計鍍制多層不同厚度的薄膜生成光學薄膜膜系后，即可獲得不同透射率的濾光片。濾光片的設計思路是根據模擬太陽光譜的相對光譜輻照度比例分布，結合標準太陽光譜的光譜輻照度比例分布，反推出濾光片的透射率，從而進行濾光片的設計。

設計時以該模擬太陽光譜中相對光譜輻照度比例分布中比例最低的波段作為濾光片透射率的最大值(即100%)，從而可計算出濾光片的設計透射率曲線，設計得到的濾光片結合模擬太陽光源后，其整體的光譜匹配度等級應更接近A級，才算達到目的。

根據上述濾光片設計方法，參考金鹵燈光源的光譜特性，分波段計算濾光片透射率的理論值，具體如圖3所示。

圖3 不同波段對應的濾光片理論透射率Fig. 3 Theoretical transmittance of filter correspording to different bands

從圖3可以看出，在400～700 nm波段需要的透射率較低，因此需要降低濾光片在該波段的透射率，結合圖2可以看出，金鹵燈光譜在此波段的相對光譜輻照度較強，這會影響其光譜匹配度。從圖3還可以看出，在700～800 nm波段需要的透射率最高；在800～1100 nm波段需要的透射率不高，濾光片在對應波段的透射率也需要適當降低。

在濾光片的設計中，需參考圖3中的曲線趨勢，為最大程度提升金鹵燈光源輸出光的利用率，應保證濾光片在700～800 nm波段的透射率達到最大，其他位置按照對應的相對光譜輻照度比例進行設計，最終得到的濾光片設計透射率曲線如圖4所示。

圖4 不同波段對應的濾光片設計透射率Fig. 4 Design transmittance of filter correspording to different bands

結合濾光片的設計透射率，計算“金鹵燈光源+濾光片”輸出光的光譜(下文簡稱為“‘金鹵燈+濾光片’光譜”)在不同波段的光譜能量與其在400～1100 nm波段的總光譜能量的比值ρ1(即相對光譜輻照度比例)，其公式為：

式中：Sλ為濾光片的設計透射率。

根據式(3)，可計算得到“金鹵燈+濾光片”光譜在不同波段的相對光譜輻照度比例，然后再根據式(2)計算其光譜匹配度。“金鹵燈+濾光片”光譜的光譜匹配度理論計算值如表4所示。

表4 “金鹵燈+濾光片”光譜的光譜匹配度理論計算值Table 4 Theoretical calculation value of spectral matching degree of“metal halide lamp + filter”spectrum

實際使用中，還應考慮金鹵燈光源與濾光片之間的距離，由于金鹵燈光源入射到濾光片的角度不同，會使濾光片的設計透射率曲線發生偏移，造成偏離中心位置的光譜能量分布與偏移前的不一致，導致該波段偏移后的光譜匹配度與偏移前的光譜匹配度產生差異。

2.3 薄膜均勻性對光譜匹配度的影響

由于濾光片是在石英玻璃上鍍制光學薄膜膜系，對于本文設計的大尺寸濾光片而言，薄膜的均勻性至關重要。若薄膜的均勻性不好，濾光片的透射率曲線會向長波或短波方向偏移，而偏移量過大將會影響“金鹵燈+濾光片”光譜在不同波段的相對光譜輻照度比例，從而會影響其光譜匹配度。若圖4中濾光片的設計透射率曲線整體向長波方向或短波方向偏移5～10 nm，對整體光譜匹配度的影響如表5所示。

表5 濾光片的設計透射率曲線整體偏移對“金鹵燈+濾光片”光譜的光譜匹配度的影響Table 5 Influence of overall shift of design transmittance curve of filter on spectral matching degree of“metal halide lamp + filter”spectrum

從表5中可以看出，偏移后不同波段的光譜匹配度等級均可達到A級要求，則濾光片透射率曲線的整體偏移量應控制在設計透射率曲線±10 nm范圍內即可符合要求。

3 實際驗證

按照上述濾光片的設計透射率進行濾光片的鍍制。鍍制的濾光片的規格為300 mm×300 mm；玻璃基片采用JGS2石英基片；光學薄膜膜系的設計為“(0.5HL0.5H)7”(其中：H為TiO2，L為SiO2，上標7指薄膜重復7個周期)，共15層進行優化；鍍膜設備為EPD-1300G鍍膜機。薄膜均勻性修正通過掩膜工藝實現，鍍膜有效面積內濾光片透射率曲線的整體偏移量小于5 nm。鍍制后的濾光片如圖5所示。

圖5 鍍制后的濾光片Fig. 5 Plated filter

以型號為OSRAM HQI-TS的2000 W金鹵燈為例，使用AvaSolar-1分光輻射儀測試“金鹵燈+濾光片”光譜的相對光譜輻照度分布，具體如圖6所示，其光譜匹配度測試結果如表6所示。

圖6 “金鹵燈+濾光片”光譜的相對光譜輻照度分布Fig. 6 Distribution of relative spectral irradiance of“metal halide lamp + filter”spectrum

表6 “金鹵燈+濾光片”光譜的光譜匹配度測試值及光譜匹配度等級Table 6 Test value of spectral matching degree and spectral matching degree grade of“metal halide lamp + filter”spectrum

從表6的結果可以看出，金鹵燈光源結合本文設計的濾光片后，整體光譜在400～1100 nm波段內不同波段時的光譜匹配度等級均達到了A級，這說明濾光片達到了設計目的，且“金鹵燈+濾光片”光譜的光譜匹配度測試結果與設計值的符合度較好。

4 結論

本文論述了以金鹵燈作為太陽模擬設備中模擬太陽光源時濾光片的設計思路，并結合金鹵燈光譜的相對光譜輻照度分布，設計了在不同波段時光譜匹配度等級均達到A級的濾光片。但由于本文設計的濾光片的尺寸較大，其透射率曲線偏移量應控制在設計透射率曲線±10 nm范圍內，否則會影響“金鹵燈+濾光片”光譜的光譜匹配度等級。通過實際驗證，“金鹵燈+濾光片”光譜在各波段的光譜匹配度等級均達到了A級標準。