大輻照面AM0太陽模擬器檢測(cè)

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春 130033)

1 引言

隨著我國(guó)航空、航天工程事業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)研制太陽模擬器的水平和對(duì)太陽模擬器技術(shù)要求在不斷提高，它的輻照面積、輻照強(qiáng)度在進(jìn)一步增大。相應(yīng)地對(duì)檢測(cè)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(chǎn)品的光電性能測(cè)試，各種類型的航天載荷及地面武器系統(tǒng)等都需要做光照環(huán)境試驗(yàn)，都要用太陽模擬器，太陽模擬器是各種產(chǎn)品測(cè)試及試驗(yàn)用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)器。

太陽模擬器做為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品要按照技術(shù)要求進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)。幾十年來，在我國(guó)航空、航天工程領(lǐng)域得到很好應(yīng)用的太陽模擬器，大多數(shù)都來自我所研制生產(chǎn)。我國(guó)在太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)的更新速度方面明顯滯后于國(guó)外。盡管我國(guó)應(yīng)用太陽模擬器的時(shí)間已有近五十年，但更新標(biāo)準(zhǔn)的速度跟不上當(dāng)前我國(guó)發(fā)展的需求。究其原因，太陽模擬器使用者對(duì)太陽模擬器在使用中的技術(shù)要求還不夠高，深入研究的也不夠，致使我們對(duì)太陽模擬器的研制和檢測(cè)手段還落后于國(guó)外先進(jìn)水平。近年來我國(guó)應(yīng)用太陽模擬器的發(fā)展速度很快。2010年后，我國(guó)應(yīng)用的太陽模擬器最大輻照面已經(jīng)達(dá)到Ф1 m，我們對(duì)此輻照面直徑的太陽模擬器參照最新的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)已成功地完成了檢測(cè)。未來3～5年，我國(guó)制造的太陽模擬器的輻照面會(huì)更大，如Ф4 m～6 m已經(jīng)開始研制。并且，輻照度大到幾十個(gè)太陽常數(shù)的太陽模擬器也進(jìn)入理論設(shè)計(jì)階段。這將要求我們大力加強(qiáng)研制和檢測(cè)技術(shù)的研究，提高檢測(cè)技術(shù)的水平，為我國(guó)的航空、航天工程事業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

2 太陽模擬器的類型

2.1 太陽模擬器級(jí)別

太陽模擬器的主要光電技術(shù)參數(shù)通常有6項(xiàng)，技術(shù)參數(shù)包括：有效輻照面、總輻照度、輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度、光譜匹配性和視場(chǎng)角(準(zhǔn)直角)。其中的輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度、光譜匹配性為主要技術(shù)參數(shù)。無論我國(guó)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)都采用相同的級(jí)別劃分方式，將這三個(gè)參數(shù)分為A、B、C三個(gè)等級(jí)。國(guó)標(biāo)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)E927-2010《光伏器件測(cè)試：太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》[2]中，將這3個(gè)重要參數(shù)分別劃分為A、B、C三個(gè)等級(jí)，表1和表2分別表示中國(guó)和美國(guó)有關(guān)太陽模擬器等級(jí)分類情況。

表1 GB/T6495.9-2006模擬器等級(jí)分類(中國(guó))

表2 E927-2010模擬器等級(jí)分類(美國(guó))

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(shù)參數(shù)劃分。我國(guó)在標(biāo)準(zhǔn)GB/T12637-90《太陽模擬器通用規(guī)范》[3]中，按有效輻照面尺寸大小，將太陽模擬器分為5個(gè)類別，見表3。最新的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)E927-2010《光伏器件測(cè)試：太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(guó)) (mm)

按光譜輻照度分布特性劃分。我國(guó)在標(biāo)準(zhǔn)GB/T12637-90《太陽模擬器通用規(guī)范》中，將太陽模擬器劃分為AM0和AM1.5兩種應(yīng)用狀態(tài)，見表4。最新的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)E927-2010《光伏器件測(cè)試：太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》中，將太陽模擬器劃分為AM0和AM1.5D、AM1.5G三種應(yīng)用狀態(tài)。見表5。

表4 GB/T6495.9-2006標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度分布(中國(guó))

表5 E927-2010標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度分布(美國(guó))

按光輸出頻率特性劃分。太陽模擬器分為脈沖式和恒穩(wěn)態(tài)兩種類型。我國(guó)在國(guó)標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)E927-2010《光伏器件測(cè)試：太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》[4]中也同樣劃分為兩大類。到目前為止，我國(guó)應(yīng)用的絕大多數(shù)太陽模擬器都是恒穩(wěn)態(tài)型。

3 檢測(cè)技術(shù)研究

下面以一個(gè)已經(jīng)完成檢測(cè)的輻照面(圓形)直徑為Ф1.0 m的太陽模擬器實(shí)例，介紹一下我們?cè)跈z測(cè)過程中所遇到的技術(shù)問題和開展的試驗(yàn)研究工作。該太陽模擬器是恒穩(wěn)態(tài)型，它的技術(shù)指標(biāo)如表6所示。我們對(duì)該太陽模擬器的輻照度、輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度、光譜匹配性、光束準(zhǔn)直角等6項(xiàng)技術(shù)參數(shù)做了檢測(cè)。檢測(cè)工具：20×20太陽電池，AVaspec-2048光譜輻射計(jì)，TDJ2光學(xué)經(jīng)緯儀。

表6 太陽模擬器技術(shù)指標(biāo)

(1)輻照度的檢測(cè)。1990年代，我們檢測(cè)的大多數(shù)太陽模擬器輻照面都在Ф200 mm以下，基本上都按照國(guó)標(biāo)GB/T12637-90 《太陽模擬器通用規(guī)范》中規(guī)定的輻照度測(cè)試器件，用窗口面積Ф5 mm絕對(duì)輻射計(jì)去測(cè)量總輻照度，輻照度在1個(gè)太陽常數(shù)以下。2005年后，我們開始檢測(cè)輻照面都在Ф300 mm～800 mm太陽模擬器，檢測(cè)中，我們感到用Ф5 mm絕對(duì)輻射計(jì)測(cè)輻照度不合適，因?yàn)榻^對(duì)輻射計(jì)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(cè)。開始研究采用美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)E927-05，用窗口面積10 mm×10 mm的硅太陽電池作為測(cè)試器件，因?yàn)樗墓庾V范圍在0.3 μm～2.5 μm。超過Ф50 0m輻照面的太陽模擬器我國(guó)沒有標(biāo)準(zhǔn)。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(cè)它的性能參數(shù)。去年我們檢測(cè)一臺(tái)輻照面Ф1.0 m的AM0太陽模擬器。此次，我們直接采用了美國(guó)標(biāo)E927-2010 《光伏器件測(cè)試：太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》。盡管我們應(yīng)用了最新的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，但還是不能準(zhǔn)確地應(yīng)用該標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)椋粗绹?guó)標(biāo)E927-2010 《光伏器件測(cè)試：太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》要求，測(cè)試不同輻照面的太陽模擬器應(yīng)選不同窗口面積的測(cè)試器件。我們現(xiàn)有的單晶硅標(biāo)準(zhǔn)太陽電池規(guī)格較少，僅有窗口面積10 mm×10 mm和20 mm×20 mm兩種規(guī)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(cè)，但輻照度的測(cè)量值偏低了?，F(xiàn)在，我們正在研究如何利用現(xiàn)有測(cè)試器件資源，開展測(cè)試不同輻照面輻照度的工作。

(2)輻照不均勻度的檢測(cè)。測(cè)試輻照不均勻度涉及兩個(gè)重要因素，一個(gè)是要檢輻照面上測(cè)試區(qū)域點(diǎn)數(shù)量的選取，另一個(gè)是測(cè)試器件的窗口面積選取。過去，我們以往檢測(cè)<Ф300 mm輻照面的太陽模擬器的輻照不均勻度時(shí)，總是依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)要檢輻照面做米字形分布從中心向周邊選測(cè)試區(qū)域點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)盡可能多[5]。按照國(guó)標(biāo)GB/T12637-90 《太陽模擬器通用規(guī)范》，選用窗口面積Ф5 mm絕對(duì)輻射計(jì)測(cè)試輻照度，后來我們通過查技術(shù)資料選用了10 mm×10 mm單晶硅太陽電池器件測(cè)試輻照度，測(cè)試結(jié)果基本上滿足了使用技術(shù)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(cè)[6]?，F(xiàn)在，我們檢測(cè)一個(gè)輻照面Ф1 m的AM0太陽模擬器，由于輻照面增大3倍多，檢測(cè)過程中就遇到了不知道按什么標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)的問題。在Ф1m輻照面上，我們依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)要檢輻照面做米字形分布選測(cè)試區(qū)域點(diǎn)41個(gè)，在輻照面上選不同規(guī)格窗口面積的測(cè)試器件測(cè)試輻照不均度的結(jié)果是不一樣的。所以，這兩個(gè)重要因素至關(guān)測(cè)試輻照不均度的準(zhǔn)確性。若按著我國(guó)的國(guó)標(biāo)規(guī)定的要求去選用窗口面積Ф5 mm絕對(duì)輻射計(jì)去測(cè)量，輻照度不均勻度測(cè)量值較高，用20 mm×20 mm窗口面積單晶硅太陽電池器件檢測(cè)[7]，輻照度不均勻度測(cè)量值偏低，測(cè)量結(jié)果剛好滿足技術(shù)指標(biāo)要求。針對(duì)到底是我們的太陽模擬器研制水平差還是檢測(cè)方法不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，我們針對(duì)這個(gè)問題查閱了國(guó)內(nèi)外有關(guān)太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)最新國(guó)標(biāo)GB/T12637-90 《太陽模擬器通用規(guī)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(cè)量方法及測(cè)試器件要求。而美國(guó)標(biāo)E927-2010 《光伏器件測(cè)試：太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》只是將輻照面分為Ф≤300 mm和Ф>300 mm兩類。但有詳細(xì)的測(cè)試器件窗口面積選取原則，這為我們完成檢測(cè)找到了依據(jù)。經(jīng)過分析研究一致同意，采用美國(guó)標(biāo)E927-2010的測(cè)試方法和原則測(cè)試。它選取的原則是：將要測(cè)試的輻照面分成不少于36等分，測(cè)試器件窗口面積應(yīng)選擇獨(dú)立等分面積的25%以上。按這個(gè)原則，我們應(yīng)選的測(cè)試器件窗口面積為不低于5452 mm2。但是，我們現(xiàn)有條件僅有經(jīng)標(biāo)定過的20 mm×20 mm(400 mm2)窗口面積的測(cè)試器件。按著美國(guó)標(biāo)要求所選窗口面積應(yīng)是5452 mm2，是20 mm×20 mm的13.6倍，如果所選測(cè)試器件窗口面積與要測(cè)試的太陽模擬器輻照面不匹配，會(huì)產(chǎn)生測(cè)試誤差。實(shí)際測(cè)試中，我們依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)在輻照面上按米字形分布從中心向周邊選41個(gè)獨(dú)立測(cè)試點(diǎn)，大于美國(guó)標(biāo)規(guī)定不低于36個(gè)測(cè)試點(diǎn)。輻照不均勻度測(cè)試結(jié)果(±4.6%)剛好滿足技術(shù)指標(biāo)要求，達(dá)B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。我們所用測(cè)試器件的窗口面積(20 mm×20 mm)小于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求，說明我們測(cè)試的太陽模擬器輻照不均勻度的真值優(yōu)于±4.6%。

(3)輻照不穩(wěn)定度檢測(cè)。我國(guó)在國(guó)標(biāo)GB/T12637-90 《太陽模擬器通用規(guī)范》中對(duì)有關(guān)輻照不穩(wěn)定度的檢測(cè)方面沒有明確檢測(cè)方法及技術(shù)要求，僅僅敘述說明了輻照不穩(wěn)定度的計(jì)算方法。而在美國(guó)標(biāo)E927-2010 《光伏器件測(cè)試：太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》中，對(duì)恒穩(wěn)態(tài)型太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度的檢測(cè)過程也沒有明確的技術(shù)要求，只明確了數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為100 ms，1 min和1 h。沒有規(guī)定時(shí)間穩(wěn)定范圍。而我們?cè)谳椪詹环€(wěn)定度檢測(cè)方面，一直延用幾十年來總結(jié)出來的檢測(cè)過程和方法要求。凡是涉及到輻照不穩(wěn)定度的技術(shù)要求，都要明確規(guī)定時(shí)間穩(wěn)定范圍為1 h，即在1 h時(shí)間內(nèi)它的輻照不穩(wěn)定度指標(biāo)是多少，而且又明確采樣間隔為5 min。測(cè)試點(diǎn)是在有效輻照面上任選。計(jì)算方法按國(guó)標(biāo)GB/T12637-90。測(cè)試結(jié)果：該模擬器在有效輻照面內(nèi)，輻照不穩(wěn)定度±1.5%/h 。

(4)光譜匹配性檢測(cè)。我國(guó)最新國(guó)標(biāo)GB/T6495.9-2006《光伏器件第9部分：太陽模擬器性能要求》中，規(guī)定AM0光譜范圍0.3 μm ～1.1 μm，標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度分布，見表4。而美國(guó)標(biāo)E927-2010 《光伏器件測(cè)試：太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》中，規(guī)定AM0光譜范圍0.3 μm ～1.4 μm，標(biāo)準(zhǔn)光譜輻照度分布，見表5。說明美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中在光譜范圍上寬于我們。我們用光譜儀對(duì)太陽模擬器輸出模擬太陽光進(jìn)行相對(duì)光譜分布測(cè)試，并計(jì)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(guó)標(biāo)E927-2010中光譜匹配等級(jí)確認(rèn)。測(cè)試結(jié)果：確定該模擬器達(dá)AM0光譜C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

(5)光束準(zhǔn)直角檢測(cè)。美國(guó)標(biāo)中稱為視場(chǎng)角。其含義相同。美國(guó)標(biāo)E927-2010中給視場(chǎng)角定義是：模擬器輻照面上任一點(diǎn)輻射出的兩條線間的最大夾角。我們認(rèn)為，光束準(zhǔn)直角就是太陽對(duì)地面的最大張角。1990年代以前，光束準(zhǔn)直角這項(xiàng)參數(shù)不測(cè)量，僅依據(jù)系統(tǒng)的準(zhǔn)直物鏡焦距和視場(chǎng)光欄大小計(jì)算準(zhǔn)直角，一旦系統(tǒng)中的光學(xué)和機(jī)械件加工有問題，會(huì)造成準(zhǔn)直角不準(zhǔn)確。2000年以后，隨著我國(guó)航天事業(yè)的快速發(fā)展，所需求的太陽模擬器的數(shù)量和輻照面不斷加大，相應(yīng)地對(duì)太陽模擬器的技術(shù)要求也增高了。對(duì)模擬器準(zhǔn)直角和精度要求更加嚴(yán)格。于是我們開始研究如何檢測(cè)準(zhǔn)直角。我們用光學(xué)經(jīng)緯儀采用測(cè)角法對(duì)模擬器準(zhǔn)直角進(jìn)行測(cè)量。對(duì)模擬器光學(xué)系統(tǒng)來說，即是模擬器光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)的視場(chǎng)角，準(zhǔn)直物鏡的焦面是一個(gè)視場(chǎng)光欄(相當(dāng)太陽)，輻照面上一點(diǎn)對(duì)模擬器視場(chǎng)光欄的張角即是模擬器視場(chǎng)角(準(zhǔn)直光束角)。我們用光學(xué)經(jīng)緯儀直接測(cè)量系統(tǒng)視場(chǎng)光欄的張角。因?yàn)楣鈱W(xué)經(jīng)緯儀的測(cè)試精度在2″以內(nèi)，而太陽模擬器準(zhǔn)直角要求較高的不過32′±1′。所以，我們的測(cè)試方法足以滿足研制技術(shù)要求。

注：輻照面Ф1.0 m的太陽模擬器測(cè)試結(jié)果請(qǐng)參看表7。

表7 輻照面Ф1.0 m太陽模擬器測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

我國(guó)太陽模擬器的研制和檢測(cè)技術(shù)水平與國(guó)外先進(jìn)水平相比有一定差距，我們研制的能力、檢測(cè)的手段、標(biāo)準(zhǔn)更新的速度等有待進(jìn)一步加強(qiáng)。過去幾十年來我們通過不斷地試驗(yàn)、研究，對(duì)輻照面Ф1 m以下的太陽模擬器已經(jīng)形成了制造和檢測(cè)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(shù)和檢測(cè)技術(shù)的研究，國(guó)家應(yīng)盡快制定適應(yīng)我國(guó)太陽模擬器應(yīng)用的新標(biāo)準(zhǔn)，只有這樣才能滿足我國(guó)太陽模擬器發(fā)展的要求，達(dá)到世界先進(jìn)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(guó)標(biāo)E927-2010 光伏器件測(cè)試：太陽模擬器標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：7-9.

[3]美國(guó)標(biāo)E490-2006 標(biāo)準(zhǔn)太陽常數(shù)和AM0太陽光譜輻照表.：7

[4]GB/T12637-90 太陽模擬器通用規(guī)范：2-3.

[5]仲躋功. 太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)的幾個(gè)問題.太陽能學(xué)報(bào)，1983，4(2)：187-190.

[6]徐亮. 月亮模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與輻照度均勻性分析.長(zhǎng)春理工大學(xué),2009：18-19.

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