基于AM0 太陽模擬器3 波段光譜獨(dú)立可調(diào)的設(shè)計(jì)

馮云峰，張鶴仙，黃國保，劉 皎，馮曉瑩

(陜西眾森電能科技有限公司，西安 710018)

0 引言

太陽能作為一種新興清潔的可再生能源，其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，其中，光伏發(fā)電可以有效地降低國家能源成本及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，得到世界各國政府的高度重視，市場前景廣闊。隨著中國航天事業(yè)穩(wěn)健快速發(fā)展，光伏發(fā)電應(yīng)用范圍也越來越寬泛。太陽電池技術(shù)中，三結(jié)砷化鎵太陽電池由于具備高能量密度、高光電轉(zhuǎn)換效率及低損耗的特點(diǎn)得到廣泛關(guān)注，被認(rèn)為是未來最有前途的高效太陽能應(yīng)用之一，目前已有多個國家開展相關(guān)研究，中國亦有相關(guān)產(chǎn)業(yè)。

隨著空間太陽電池技術(shù)的發(fā)展，三結(jié)砷化鎵太陽電池已經(jīng)逐漸取代了晶硅太陽電池，其能隙與太陽光譜的匹配較適合。與晶硅太陽電池相比，三結(jié)砷化鎵太陽電池具有高光電轉(zhuǎn)換效率、高可靠性、耐高溫、抗輻照能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于遙感、氣象和科學(xué)試驗(yàn)等衛(wèi)星，這類衛(wèi)星在軌道運(yùn)行狀態(tài)良好，適用于空間各軌道飛行器。

目前，太陽電池電源是航天器主要的電源，其可靠性和穩(wěn)定性對任務(wù)的成功非常關(guān)鍵，特別是對于需要長時間在太空中運(yùn)行的任務(wù)，例如衛(wèi)星和空間站，對太陽電池可靠性要求更加嚴(yán)格。太陽電池的研制、航天器電池陣列的設(shè)計(jì)、太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率等核心電性能參數(shù)的準(zhǔn)確評估對于航天器的安全運(yùn)行至關(guān)重要。但傳統(tǒng)太陽電池按照AM1.5G 的標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜，與空間三結(jié)太陽電池工作標(biāo)準(zhǔn)AM0 光譜存在差異，因此傳統(tǒng)太陽電池測試使用的太陽模擬器無法滿足空間三結(jié)砷化鎵太陽電池的測試要求。

空間三結(jié)砷化鎵太陽電池測試使用的太陽模擬器應(yīng)符合空間太陽電池工作標(biāo)準(zhǔn)，確保太陽模擬器光譜與AM0 光譜一致或接近，從而提高對于空間太陽電池的測試準(zhǔn)確度。為更符合AM0光譜，滿足空間三結(jié)砷化鎵太陽電池的測試需求，本文設(shè)計(jì)出一種滿足350～760 nm、760～950 nm、950～1800 nm 3 波段光譜獨(dú)立可調(diào)的太陽模擬器光源系統(tǒng)，以氙燈和鹵素?zé)糇鳛榛旌瞎庠?，可使調(diào)整后的光譜特征與AM0 光譜非常接近，并對其進(jìn)行測試及校準(zhǔn)調(diào)。

1 AM0 太陽模擬器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T 6494—2017《航天用太陽電池電性能測試方法》，多結(jié)砷化鎵太陽電池測試用太陽模擬器光譜失配誤差評價范圍為光譜區(qū)間350～1800 nm，要求太陽模擬器總輻照度至少在0.8～1.2 個太陽常數(shù)范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，太陽模擬器分別從3 個核心性能指標(biāo)進(jìn)行測試評級，包括光譜失配誤差、輻照度不均勻度、輻照度不穩(wěn)定度，等級劃分標(biāo)準(zhǔn)具體如表1 所示。

表1 太陽模擬器的等級劃分Table 1 Grading of solar simulators

2 實(shí)現(xiàn)原理

通常1.9eV/1.42eV/1.0eV 帶隙組合的三結(jié)太陽電池能實(shí)現(xiàn)更好的電流匹配，用于三結(jié)太陽電池常見的各結(jié)材料有GaInP(禁帶寬度為1.90 eV，吸收光譜波段為400～650 nm)、GaAs(禁帶寬度為1.42 eV，吸收光譜波段為600～870 nm)、GaInAs(通過調(diào)節(jié)銦和鎵元素比值，具有可調(diào)禁帶寬度0.35～1.42 eV，吸收光譜覆蓋近紅外-紅外)、Ge(禁帶寬度為0.67 eV，吸收光譜波段為880～1850 nm)。組成的常見三結(jié)太陽電池有GaInP/GaAs/Ge、GaInP/GaAs/InGaAs等[1]。

對空間三結(jié)砷化鎵太陽電池的電性能測試同樣采用傳統(tǒng)太陽電池測試方法，使用太陽模擬器測試前，先用1 個光譜響應(yīng)與被測對象一致的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池來校準(zhǔn)太陽模擬器的輻照度。由于空間三結(jié)砷化鎵太陽電池的光譜響應(yīng)是由對應(yīng)的3個串聯(lián)子電池的光譜響應(yīng)組成，所以，對于空間三結(jié)砷化鎵太陽電池，使用各子電池標(biāo)準(zhǔn)電池單獨(dú)校準(zhǔn)可使系統(tǒng)測試更加準(zhǔn)確[2]。

2.1 光譜可調(diào)原理與光源系統(tǒng)

氙燈是已知人造光源里最接近太陽光譜的光源。氙燈光譜在紫外與可見光波段與太陽光譜十分接近，但在波段820～1010 nm 之間有許多峰狀譜，輻照度較AM0 光譜高出很多，因此，需要對該段特征譜進(jìn)行修正，降低此波段過高的輻照度，確保其光譜符合AM0 光譜的標(biāo)準(zhǔn)，使其滿足空間三結(jié)砷化鎵太陽電池測試的需要。參考AM1.5G太陽模擬器進(jìn)行光譜匹配通常使用干涉濾光片對氙燈光譜進(jìn)行修正，對于AM0 光譜匹配同樣適用。

由于氙燈主要能量分布集中在波段300～1100 nm，在波段1200～1400 nm 相對能量很低，而AM0 光譜范圍為波段350～1800 nm，若通過提升氙燈電流的方式來調(diào)整濾光片，降低可見光波長區(qū)間透過率，雖可滿足整體各光譜波段的相對能量比例滿足A 級光譜要求，但此方案能效相對較低，且光譜范圍較小，僅依靠氙燈很難實(shí)現(xiàn)滿足AM0 光譜標(biāo)準(zhǔn)的3 波段光譜自由調(diào)節(jié)光源系統(tǒng)。

加入鹵素?zé)?，就可利用鹵素?zé)粞a(bǔ)償近紅外部分(波段1000～1800 nm)的能量。將鹵素?zé)艏晌招徒刂篂V光片，截止低于1000 nm 波長的光譜范圍，確保鹵素?zé)糨敵龅捷椪彰娴哪芰績H包含近紅外部分的能量。此方案既可避免氙燈能耗過大，又可確保太陽模擬器光譜的相對可調(diào)性。

因此，本設(shè)計(jì)采用氙燈與鹵素?zé)艋旌瞎庠?，氙燈采用?fù)反饋系統(tǒng)，可確保氙燈光能量輸出在調(diào)整光譜能量后仍保持在特定輻照度條件下；鹵素?zé)敉ㄟ^恒壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定輻照度與光譜特征輸出。

2.2 氙燈光譜調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)

氙燈光譜覆蓋350～760 nm、760～950 nm這兩個波段，氙燈的光譜調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)采用負(fù)反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)電路采用晶硅太陽電池作為采集反饋器件，晶硅太陽電池的光譜響應(yīng)范圍為波段300～1200 nm，可以滿足氙燈光譜波段的測量需求，負(fù)反饋系統(tǒng)要求反饋的電壓信號與基準(zhǔn)電壓一致。

因此，當(dāng)插入濾光片修正氙燈輸出光譜能量比例，降低800～900 nm 波段能量后，由相對能量比例可知，經(jīng)負(fù)反饋系統(tǒng)控制后，為使反饋電壓信號一致，會調(diào)高氙燈輸出，可見光部分(波段300～800 nm)的相對能量比例會提升，經(jīng)此動態(tài)平衡調(diào)整控制，最終可以獲得符合AM0 光譜失配誤差標(biāo)準(zhǔn)的前兩個波段。

2.3 鹵素?zé)艄庾V調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)

白熾燈燈管內(nèi)部安裝有金屬鎢燈絲，內(nèi)部被抽成真空或充入少量惰性氣體，而鹵素?zé)艟褪浅溆宣u素氣體的鎢絲白熾燈，在高溫下，升華的鎢絲與鹵素進(jìn)行化學(xué)作用，冷卻后的鎢會重新凝固在鎢絲上，形成平衡的循環(huán)，避免鎢絲過早斷裂，因此鹵素?zé)艟哂懈L的使用壽命。通電后，通過加熱鎢絲，鎢絲呈熾熱狀態(tài)并輻射發(fā)光，燈絲溫度越高，輻射的可見光比例就越高，即鹵素?zé)舻霓D(zhuǎn)換率就越高。鹵素?zé)粜柽_(dá)到熱平衡，輻照度才相對恒定，因此測試時應(yīng)提前打開鹵素?zé)簟?/p>

為確保鹵素?zé)魞H輸出波長1000 nm 之后的近紅外能量，將鹵素?zé)艏晌招徒刂篂V光片。對于氙燈負(fù)反饋系統(tǒng)而言，其光譜響應(yīng)區(qū)間波段為300～1200 nm，其中鹵素?zé)裟芰空急刃∮?0%，對該控制系統(tǒng)幾乎無影響，因此第3 波段(950～1800 nm)仍可相對獨(dú)立控制。

鹵素?zé)艨刂葡到y(tǒng)通過可編程開關(guān)電源(輸出DC 250V12A)供電實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用恒壓輸出模式，控制系統(tǒng)如圖1 所示。使用模擬量(0～10 V)輸出模塊控制開關(guān)電源輸出功率，模擬量輸出模塊通過網(wǎng)絡(luò)通信與上位機(jī)通信，可通過上位機(jī)設(shè)定模擬量輸出幅值，控制開關(guān)電源輸出功率來實(shí)現(xiàn)鹵素?zé)糨敵隹刂?，以達(dá)到可以調(diào)節(jié)鹵素?zé)糨敵龉鈴?qiáng)的目的。

圖1 鹵素?zé)艨刂葡到y(tǒng)圖Fig.1 Control system diagram of halogen lamp

3 測試結(jié)果及光譜校準(zhǔn)調(diào)整

3.1 混合光源光譜測試

按照上述原理搭建光源系統(tǒng)，配置基礎(chǔ)濾光片對氙燈和鹵素?zé)糨敵龉庾V進(jìn)行調(diào)整。使用光譜儀放置在測試輻照面內(nèi)，通過上位機(jī)軟件進(jìn)行測試；開始測試后，鹵素?zé)粝裙ぷ鳎鶕?jù)鹵素?zé)艄ぷ鞯臓顟B(tài)設(shè)定氙燈觸發(fā)的延時時間，當(dāng)鹵素?zé)暨_(dá)到熱平衡后氙燈觸發(fā)；光譜儀測得混合光源的光譜，光譜測試數(shù)據(jù)通過光譜儀軟件顯示，并根據(jù)GB/T 6494—2017 對測試結(jié)果進(jìn)行評級。本文設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)的光譜測試結(jié)果與光譜圖分別如表2、圖2 所示，測試結(jié)果均為A 級，證明本文所設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)與AM0 光譜能夠很好的匹配。

圖2 本文設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)的光譜圖Fig.2 Spectral diagram of light source system dedesigned in this paper

表2 本文設(shè)計(jì)光源系統(tǒng)的光譜測試結(jié)果評級Table 2 Rating of spectral test results of light source system ddesigned in this paper

3.2 光譜修正校準(zhǔn)

使用太陽模擬器對太陽電池進(jìn)行電性能測試前，應(yīng)先用1 個光譜響應(yīng)與被測對象一致的標(biāo)準(zhǔn)太陽電池來校準(zhǔn)太陽模擬器的輻照度，使測的得標(biāo)準(zhǔn)太陽電池的短路電流值等于其標(biāo)定值即為完成校準(zhǔn)。三結(jié)太陽電池同理，空間三結(jié)砷化鎵太陽電池的光譜響應(yīng)是由對應(yīng)的3 個子電池的光譜響應(yīng)組成，且空間三結(jié)砷化鎵太陽電池為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所以測試時必須用各子電池標(biāo)準(zhǔn)電池單獨(dú)校準(zhǔn)，使測試被測對象時可以做到相對準(zhǔn)確。

調(diào)整光譜時，由于氙燈基于硅基太陽電池負(fù)反饋系統(tǒng)，需要滿足硅基光譜段，因此優(yōu)先調(diào)節(jié)氙燈光譜。由于氙燈為負(fù)反饋系統(tǒng)，此時氙燈的電流會對應(yīng)調(diào)大，確保相對輻照度穩(wěn)定，基于此，某光譜波段相對能量比例下降，另一波段相對能量比例則會提升。

結(jié)合光譜匹配測試結(jié)果，氙燈光譜修正的實(shí)現(xiàn)依靠對第2 波段(760～950 nm)的能量調(diào)節(jié)。選擇波段770～860 nm 窄帶截止濾光片衰減第2波段的相對能量比例，降低某一波段的光譜比例，需將該波段對應(yīng)的窄帶截止濾光片以不同面積比例送入光路中。根據(jù)系統(tǒng)光譜特征將窄帶截止濾光片設(shè)計(jì)為楔形結(jié)構(gòu)，通過插入光源部分的不同面積比例來調(diào)控第2 波段相對能量比例。由于氙燈使用PID 電路控制，當(dāng)?shù)? 波段相對能量變低后，第1 波段(350～760 nm)的相對能量會提升[3]。此時，通過調(diào)整窄帶截止濾光片插入面積比例，可同步調(diào)整前兩個波段的光譜匹配，以滿足三結(jié)太陽電池中第1、第2 塊子電池的光譜測試需求。進(jìn)行光譜修正時，使兩塊標(biāo)準(zhǔn)子電池的測試值均與其標(biāo)準(zhǔn)值接近，此時光譜即滿足兩塊子電池的光譜測試需求。在滿足A 級光譜匹配標(biāo)準(zhǔn)的條件下，第2 塊子電池所對應(yīng)第2 波段的相對能量比例調(diào)整范圍約在0%～15%之間，相應(yīng)第1 波段也會提高0%～5%不等。

鹵素?zé)艏晌招徒刂篂V光片，只輸出1000 nm 之后近紅外能量，該波段能量占比相對氙燈總能量較少，對氙燈的負(fù)反饋系統(tǒng)幾乎無影響，因此第3 波段(950～1800 nm)的能量調(diào)節(jié)可做到相對獨(dú)立控制，可直接通過控制鹵素?zé)舻碾娏鲝?qiáng)弱來實(shí)現(xiàn)該波段的相對光譜調(diào)節(jié)，以進(jìn)行光譜修正，調(diào)整鹵素?zé)綦娏髌ヅ涫沟? 塊子電池的測試值對應(yīng)到標(biāo)準(zhǔn)值。在滿足A 級光譜匹配標(biāo)準(zhǔn)的條件下，第3 塊子電池所對應(yīng)第3 譜段的能量比例調(diào)整范圍約在0%～20%之間。

3.3 光譜分布調(diào)節(jié)測試驗(yàn)證

測試使用三結(jié)子電池標(biāo)定短路電流(ISC)值分別為頂電池(第1 塊子電池)66.1 mA、中電池(第2 塊子電池)69.8 mA、底電池(第3 塊子電池)112.3 mA。在標(biāo)準(zhǔn)條件1 個AM0 光譜下，使用上述設(shè)備進(jìn)行測試，首先在未進(jìn)行光譜分布調(diào)節(jié)(即楔形濾光片插入量為0)時進(jìn)行初測，結(jié)果為頂電池短路電流為65.71 mA、中電池為71.24 mA、底電池為117.53 mA，相對能量比例第1 波段偏低，第2 波段和第3 波段偏高。

對楔形濾光片進(jìn)給量與鹵素?zé)裟芰窟M(jìn)行調(diào)整。當(dāng)楔形濾光片進(jìn)給量為30%，即削弱第2 波段相對能量比例，且經(jīng)負(fù)反饋調(diào)節(jié)后第1 波段相對能量比例動態(tài)升高，第3 波段獨(dú)立調(diào)節(jié)降低到合適位置，此時測得頂電池的短路電流為66.18 mA、中電池69.88 mA、底電池112.42 mA，與標(biāo)定值接近，在當(dāng)前的配置下即可準(zhǔn)確地對三結(jié)太陽電池進(jìn)行電性能測試。

由此可以證明：本文設(shè)計(jì)的3 波段光譜獨(dú)立可調(diào)的設(shè)計(jì)能夠給空間三結(jié)砷化鎵太陽電池的電性能測試提供一個便捷且準(zhǔn)確的測試條件。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種AM0 太陽模擬器，對其獨(dú)立可調(diào)光源的光譜合成設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了闡述，重點(diǎn)介紹了氙燈與鹵素?zé)艄庾V調(diào)節(jié)與控制原理。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于設(shè)計(jì)，且實(shí)現(xiàn)成本低廉，可滿足三結(jié)砷化鎵太陽電池對3 個不同波段的測試光譜匹配要求，實(shí)現(xiàn)了3 段光譜獨(dú)立可調(diào)，為空間三結(jié)砷化鎵太陽電池測試提供了相對理想的測試條件。