AAA級(jí)太陽(yáng)模擬器的設(shè)計(jì)與研制

高 雁，劉洪波，王 麗，顧國(guó)超

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

1 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源的消耗越來(lái)越大，常規(guī)能源終將耗盡，而隨之帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題將日益嚴(yán)重，因此，最重要的清潔能源之一—太陽(yáng)能越來(lái)越引起人們的重視，而獲取太陽(yáng)能的重要途徑就是使用太陽(yáng)能電池。現(xiàn)在全球50%以上的太陽(yáng)能電池片產(chǎn)自中國(guó)，這意味著眾多的太陽(yáng)能電池廠家對(duì)太陽(yáng)模擬器設(shè)備的需求會(huì)越來(lái)越多，因此，太陽(yáng)能電池的功效檢測(cè)和I-V曲線測(cè)試都對(duì)模擬器與太陽(yáng)光的逼近程度要求增高，即要求AAA級(jí)太陽(yáng)模擬器［1-2］。所謂AAA級(jí)太陽(yáng)模擬器是指光譜匹配、輻照不均勻度和輻照不穩(wěn)定度都能達(dá)到A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［3］。目前AAA級(jí)太陽(yáng)模擬器生產(chǎn)廠家主要是來(lái)自國(guó)外，且價(jià)格較高，而國(guó)內(nèi)的廠家多是以脈沖式太陽(yáng)光模擬器為主。本文設(shè)計(jì)了一種可以提供長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定輻照的AAA級(jí)太陽(yáng)模擬器。

2 太陽(yáng)模擬器光源的選擇與濾光片的設(shè)計(jì)

要使太陽(yáng)模擬器達(dá)到AAA級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，光譜匹配精度達(dá)到A級(jí)尤為重要。由于氙燈在可見(jiàn)光部分與太陽(yáng)光譜非常接近，選擇短弧氙燈作為光源，再加特制濾光片，就可以使光譜達(dá)到要求。

2.1 氙燈光譜測(cè)試

光譜檢測(cè)設(shè)備采用的是荷蘭Avantes公司的AvaSpec-2048光譜儀，可測(cè)量光譜為 200～1 100 nm，光譜分辨率為2.4 nm。

氙燈光源是利用氙氣放電發(fā)光的電光源。由于放電物質(zhì)是惰性氣體氙氣，所以激發(fā)電位和電離電位相差較小。氙燈輻射光譜能量分布與日光十分接近，色溫約為6 000 K。氙燈連續(xù)光譜的部分光譜分布幾乎與燈輸入功率變化無(wú)關(guān)，在壽命期內(nèi)光譜能量分布也變化不大。氙燈的光、電參數(shù)一致性好，工作狀態(tài)受外界條件變化的影響相對(duì)較?。?］。

本系統(tǒng)的光源采用XQ500短弧氙燈，功率500 W，氙燈光譜與太陽(yáng)光譜的對(duì)比如圖1所示，在可見(jiàn)光部分氙燈光譜與太陽(yáng)光譜非常接近，但在800～1 000 nm之間有很多尖峰，不能達(dá)到A級(jí)光譜的要求。

圖1 太陽(yáng)光譜與氙燈光譜的對(duì)比Fig.1 Comparison of solar spectrum and xenon-lamp spectrum

2.2 濾光片的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)濾光片屬于干涉截止濾光片中的一種，它是利用干涉原理僅使特定光譜范圍的光通過(guò)的光學(xué)薄膜。常見(jiàn)的干涉濾光片分為截止濾光片和帶通濾光片兩種。截止濾光片要求某一譜段的光束高反射，偏離這一譜段的光束高透射［5］。

實(shí)際使用的干涉濾光片是用真空鍍膜法在透紅外的光學(xué)材料基片上交替沉積高折射率層和低折射率層形成周期性結(jié)構(gòu)的多層膜。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)光譜曲線和氙燈光譜曲線的對(duì)比，濾光片的設(shè)計(jì)光譜透過(guò)率如表1所示。

表1 濾光片波段透過(guò)率要求Tab.1 Wavelength and transmittance of the filter

依據(jù)使用環(huán)境，濾光片的基片材料必須耐高溫，熱膨脹系數(shù)小，并且對(duì)全光譜有高透射率。根據(jù)使用要求，本文選擇JGS3石英玻璃作為基片材料。

鍍膜采用箱式光學(xué)鍍膜機(jī)，該設(shè)備配有光學(xué)膜厚控制儀(光控)和IC/5石英晶體膜厚控制儀(晶控)。通常光控法適合控制光學(xué)厚度為1/4λ整數(shù)倍的膜層，而晶控法可以控制任意厚度的膜層，由于優(yōu)化后的膜系為非周期膜系，所以本實(shí)驗(yàn)采用了晶控。在鍍膜過(guò)程中，基片的烘烤溫度為300℃，真空度高于5×10－3Pa，充氧后的工作真空度為1.4×10－2Pa，膜層均采用離子束輔助電子束熱蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行沉積［6］。鍍制完成后，進(jìn)行了濾光片抗高溫測(cè)試:將濾光片樣品放在太陽(yáng)模擬器中的相應(yīng)位置，點(diǎn)燃3 000 W氙燈對(duì)其進(jìn)行連續(xù)照射，24 h后取出樣品，在高倍顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)膜層表面結(jié)構(gòu)沒(méi)有變化。在實(shí)際使用中對(duì)膜系進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷換熱，因此膜層溫度耐受度沒(méi)有問(wèn)題。

實(shí)際鍍制的濾光片曲線如圖2所示。濾光片膜層厚度中心波長(zhǎng)920 nm處的透射率約為20%，半寬度約250 nm;400～700 nm波段內(nèi)，平均透射率Ta≥95%，1 200～1 400 nm內(nèi)平均透射率Ta≥92%，對(duì)于AM1.5G光譜的太陽(yáng)模擬器來(lái)說(shuō)，1 400 nm后的光譜可不作要求。

圖2 實(shí)際光譜透過(guò)率曲線Fig.2 Measured transmittance of the filter

濾光之后的氙燈光譜與太陽(yáng)光譜的比較如圖3所示，由對(duì)比圖可以看出，氙燈在 800～1 100 nm之間的尖峰大幅減小，同時(shí)濾光片的設(shè)計(jì)還可以改進(jìn)，氙燈光譜300～400 nm之間應(yīng)再降一些，800～1 100 nm之間應(yīng)再提升一些，光譜會(huì)接近AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜。

2.3 太陽(yáng)模擬器光譜匹配標(biāo)準(zhǔn)

圖3 太陽(yáng)光譜與加濾光片的氙燈光譜Fig.3 Solar spectrum and xenon-lamp spectrum with optical filter

表2給出了ASTM E927-10光譜匹配等級(jí)。表3給出了ASTM E927-10 AM1.5G光譜各譜段標(biāo)準(zhǔn)積分值。

表2 ASTM E927-10等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 ASTM class specifications

表3 ASTM 3種標(biāo)準(zhǔn)光譜的照度分布Tab.3 ASTM spectral irradiance for three standard spectra

太陽(yáng)模擬器光譜匹配檢測(cè)結(jié)果:實(shí)際光譜測(cè)試圖如圖4所示，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

由檢測(cè)結(jié)果可知，最大偏差為19.29%，太陽(yáng)模擬器光譜匹配滿足A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 光譜測(cè)量結(jié)果對(duì)比Tab.4 Contrast of spectrum test results

圖4 氙燈光譜測(cè)試圖Fig.4 Xenon-lamp spectrum tested with optical filter

3 太陽(yáng)模擬器的設(shè)計(jì)

3.1 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)如圖5所示，太陽(yáng)模擬器光學(xué)系統(tǒng)包括橢球聚光鏡、氙燈、第一反射鏡、濾光片、積分器組件、第二反射鏡和準(zhǔn)直物鏡等。積分器采用9塊正方形平凸透鏡光膠在石英光膠板上，兩組相反排列。

短弧氙燈陰極尖端位于橢球鏡第一焦點(diǎn)，氙燈發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡反射會(huì)以一定的放大倍率匯聚到橢球鏡第二焦面上，形成一個(gè)較大范圍的輻照分布。光學(xué)積分器場(chǎng)鏡陣列位于橢球鏡第二焦面上，將氙燈投射過(guò)來(lái)的輻照分布對(duì)稱(chēng)分割成9個(gè)小范圍的輻照范圍，再經(jīng)光學(xué)積分器投影鏡陣列中對(duì)應(yīng)的元素透鏡成像到無(wú)窮遠(yuǎn)，疊加成一個(gè)較為均勻的輻照分布，然后經(jīng)準(zhǔn)直物鏡后以一定的準(zhǔn)直角投影到準(zhǔn)直物鏡的后焦面上，形成一個(gè)均勻的有效輻照面。第一反射鏡和第二反射鏡用來(lái)改變光路方向，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊［7-8］。

圖5 模擬器光學(xué)系統(tǒng)Fig.5 Optical system of solar simulator

通過(guò)LightTools6.0照明仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，按照光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)尺寸建模后，微調(diào)光學(xué)元器件的設(shè)計(jì)參數(shù)，如氙燈的離焦量、積分器的軸向位移等，每次改變參數(shù)后進(jìn)行蒙特-卡洛光線追跡計(jì)算，不斷優(yōu)化，從而得出系統(tǒng)最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果［9］。系統(tǒng)的光線追跡如圖6所示。

圖6 蒙特-卡洛光線追跡Fig.6 Monte Carlo ray-tracing

通過(guò)仿真達(dá)到有效輻照面上的能量與氙燈離焦量的關(guān)系如圖7所示，在氙燈正向離焦0.3 mm時(shí)，有效輻照面上的能量達(dá)到最大值10.28 W。

圖7 系統(tǒng)能量和離焦量的關(guān)系Fig.7 Relation between system energy and off-focus distance

3.2 模擬器的結(jié)構(gòu)

如圖8所示，模擬器的整體結(jié)構(gòu)采用鑄鋁件，分為底座，下箱體，上箱體，前箱體四部分，箱體采用鑄件性能比較穩(wěn)定，能夠保證光學(xué)件的安裝精度。箱體內(nèi)壁噴黑色無(wú)反射涂層，減少雜散光。同時(shí)設(shè)計(jì)多個(gè)側(cè)門(mén)，方便更換氙燈和濾光片。

圖8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局Fig.8 Structural layout of system

系統(tǒng)整機(jī)高610 mm，有效輻照面積55 mm×55 mm，位于準(zhǔn)直鏡下方200 mm處。調(diào)燈機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為三向調(diào)節(jié)，用來(lái)調(diào)節(jié)氙燈的中心位置和離焦量。第一反射鏡和第二反射鏡均采用三緊三拉調(diào)整機(jī)構(gòu)來(lái)對(duì)光束方向進(jìn)行微調(diào)。最后太陽(yáng)模擬器的調(diào)試，如圖9所示。通過(guò)激光自準(zhǔn)直法調(diào)整光軸，達(dá)到系統(tǒng)要求。

圖9 太陽(yáng)模擬器調(diào)試Fig.9 Debugging of solar simulation

4 太陽(yáng)模擬器技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試

測(cè)量?jī)x器使用的是以色列OPHIR公司的激光功率計(jì)，探頭接收面積為 φ 9.5 mm。在55 mm×55 mm的有效輻照面內(nèi)平均分布25點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，如圖10所示。輻照不均勻度按下式計(jì)算［10］:

圖10 輻照不均勻度的測(cè)試Fig.10 Test of the irradiance non-uniformity

式中:E為輻照不均勻度;Emax為輻照面上(或體積內(nèi))的輻照度最大值;Emin為輻照面上(或體積內(nèi))的輻照度最小值。

同時(shí)在有效輻照面±30 mm兩處用同樣的方法測(cè)試，輻照不均勻度分別為 ±1.42%、±1.35%、±1.49%。由此可知，太陽(yáng)模擬器的輻照不均勻度指標(biāo)滿足ASTM E927-10 A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

太陽(yáng)模擬器的輻照不穩(wěn)定度主要取決于氙燈供電電源的穩(wěn)定性。模擬器氙燈采用高精度開(kāi)關(guān)電源，電源本身的供電穩(wěn)定性小于1%，外部采用電流負(fù)反饋方式對(duì)氙燈進(jìn)行穩(wěn)流，氙燈電源原理如圖11所示。

圖11 氙燈電源原理框圖Fig.11 Principle of xenon-lamp power supply

在有效輻照面的中心作為測(cè)試輻照不穩(wěn)定度的位置，氙燈點(diǎn)燃后需要20 min才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，為了更加精確，輻照不穩(wěn)定性從點(diǎn)燈20 min后開(kāi)始計(jì)算，測(cè)試曲線如圖12所示。

圖12 輻照不穩(wěn)定度測(cè)試曲線Fig.12 Test of the irradiance temporal instability

輻照不穩(wěn)定度表征輻照度隨時(shí)間的變化，由下式?jīng)Q定:

式中:E/T為時(shí)間T內(nèi)的輻照不穩(wěn)定度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)輻照不穩(wěn)定度達(dá)到±1.27%，滿足ASTM E927-10 A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論

本文完成了一種AAA級(jí)太陽(yáng)模擬器的設(shè)計(jì)、研制和實(shí)驗(yàn)工作。根據(jù)氙燈光譜與標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜的比較，研制濾光片，使得光譜匹配誤差在波長(zhǎng)400～1 100 nm滿足ASTM E927-10 A級(jí)要求。太陽(yáng)模擬器在55 mm×55 mm的有效輻照面內(nèi)輻照度達(dá)到一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)，同時(shí)其輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度均滿足A級(jí)要求，為光伏器件的電學(xué)性能測(cè)試提供了一個(gè)可靠的平臺(tái)。

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