一 太阳模拟器的用途

太阳模拟器是室内模拟太阳光的设备, 广泛应用在生物、美容、太阳能光伏、太阳能光热等行业，在太阳能光伏行业模拟器主要用于太阳电池和组件的电性能测试、光老练试验、热斑耐久试验等，.根据光源的种类的不同,主要分为脉冲闪光式太阳模拟器和稳态太阳模拟器.

脉冲闪光式太阳模拟器主要用于量产电池片和组件的电性能测试,在使用过程中还需要配以I-V测试系统（包括电子负载、 数据采集处理和控制仪器等）,可实现对被测电池/组件的Pmax, Imax, Vmax,Isc,Voc,FF,Eff, Rs, Rsh以及I-V曲线等测试.

稳态模拟器主要用于太阳电池单片电性能测试和太阳电池组件光老练试验和热斑耐久试验,通过在一定辐射总量条件下的照射,可对被测电池/组件在实际使用中的稳定性做出评估,并以此为依据改进生产工艺,向用户提供稳定的光伏产品.

太阳模拟器的测试结果, 不仅能够从一定程度上反应出电池的性能,也关系到电池最后出厂的等级,价格和使用过程中的稳定性.因此,一台可靠的太阳模拟器,不仅对生产工艺有参考意义,更关系到产品的品质和制造厂商的利润和信誉.

生产出来的电池/组件在市场上销售时，会根据电池/组件的峰瓦值来确定电池/组件的市场流通价值。但是，光伏电池/组件的电输出因照射光的强度、光谱(不同经度和纬度的阳光照射下输出的电性能皆有差异)的不同电输出会有很大差异；此外，光伏电池/组件的电性能输出也会随着温度的变化而变化。为了规范市场，减少商品流通中的争议，特拟定了IEC60904的标准，对市场上流通的光伏电池/组件的瓦数在何种测试条件下做了明确规定，即在AM1.5、一个标准太阳光强下，25摄氏度的条件下（简称标准条件STC）测试出来的瓦数为国际都认可的数值。于是，为了适应市场需求，提供标准太阳光的设备应用而生-太阳模拟器。

IEC60904 的标准同时对模拟器的评价标准做了严格的定义。如何来评价一个太阳模拟器的品质和等级呢？

二 太阳模拟器的等级

IEC 60904-9对用于地面光伏电池测试的太阳模拟器给出了相应的要求,并就等级划分,评定方式和计算方法均给出了详细的说明.

1.总辐照度

　　模拟器必须能够在测试平面上达到1000W/m2的标准辐照度(用标准电池标定),并根据需要可对辐照度在标准辐照度值上下进行一定的调节.

2.光谱匹配

　　模拟器光谱辐照度分布应与标准光谱辐照度分布匹配.在400nm到1100nm波段范围内,等级A的匹配度在0.75~1.25,等级B的匹配度在0.6~1.4,等级C的匹配度在0.4~2.0

3.不均匀度

　　在测试平面上,指定测试区域内的辐照度应该达到一定的均匀度,辐照度用合适的探测器量测.等级A的辐照不均匀度<=+/-2%,等级B的辐照不均匀度<=+/-5%,等级C的辐照不均匀度<=+/-10%.

　　探测器的尺寸应是以下两个中较小的

1、 有效辐照面积的1/64

2、

3、 400cm2.

4、

　　不均匀度=+/-((最大幅照度-最小辐照度)/(最大幅照度+最小辐照度))*100%

其中,最大辐照度和最小辐照度是指在指定范围内探测器在任意指定点的测量值.

探测器可用尺寸合适的参考电池替代,并用参考电池的短路电流Isc作为参考数据,并以此衡量辐照度的强弱.

4.辐照不稳定度

辐照稳定度分为长时辐照不稳定度(Long Term Instability或LTI)和短时辐照不稳定度(Short Term Instability或STI).

LTI指在整个数据采集期间辐照度的不稳定度.等级A的不稳定度在<=+/-2%,等级B的不稳定度在<=+/-5%,等级C的不稳定度在<=+/-10%.

STI指在某组数据(一组数据包括电压,电流和辐照度)采集期间辐照度的不稳定情况. 等级A的不稳定度在<=+/-0.5%,等级B的不稳定度在<=+/-2%,等级C的不稳定度在<=+/-10%.如果每组数据的电压,电流和辐照度同步采集,则不存在采集期间辐照度的波动,这种情况下默认为STI为A级.

　　辐照不稳定度=+/-((最大幅照度-最小辐照度)/(最大幅照度+最小辐照度))*100%

其中,最大辐照度和最小辐照度是数据采集期间在测试平面内探测器在任意指定点的测量值.

5、脉冲宽度：

脉冲光太阳模拟器有脉冲宽度指标，该指标有两重意义，一是描述脉冲模拟器发出的稳定的脉冲光时间宽度，二是描述脉冲模拟器发出的整个脉冲光的时间宽度，例如一个模拟器的整个脉冲光宽度是120ms，其中稳定的脉冲光宽度是100ms，我们一般称该模拟器的脉冲宽度是100ms

三. 太阳模拟器光源等级对测试的影响

光伏行业发展初期，晶体硅电池和组件达到批量化生产时， BAA级的模拟器被行业普遍使用，但随着行业的发展和科学技术的进步，尤其是现在各种不同技术类型和不同规格的光伏电池/组件的产品的涌现，其B级光谱的限制性和对多标准板的要求以及测试误差的过大，对AAA级的模拟器成为行业的必然需求，即

A（光谱等级）A（辐照不均匀度等级）A（辐照不稳定性等级，通常指LTI）。

1.光谱对测试结果的影响

不同基材的电池光谱响应差别很大。实际上,即使基材相同的电池在生产过程中由于晶体生长或其它条件和工艺等的差异,也会导致光谱响应的差异.由于无法保证校准设备时使用的标准电池和其它被测电池的绝对一致性,因此如果要得到更为准确的结果,就需要高等级光谱的太阳模拟器.

2.光强均匀性对测试结果的影响

晶体硅太阳电池组件中单体电池之间焊接不良及同串单体电池IV特性不匹配等因素会导致输出功率降低。在工业上，为了防止由以上原因造成的热斑效应和功率消耗，在组件制造时一般都会在每十几片串联的电池片两端并上旁路二极管。这样做虽可降低组件的热斑效应，但同时也可能会使组件的IV特性曲线出现畸变。造成热斑效应的原因有很多，其中两个主要的原因是：一是电池组件本身工艺或品质造成的单体电池IV特性不匹配,二是遮盖等外界原因造成的组件受光不均匀.

因此,一个光强均匀性良好的太阳模拟器,可以通过测试从一定程度上反映出太阳电池组件的单体电池IV特性不匹配的问题.

模拟器的光均匀性还会影响测试结果的FF，如果模拟器的光均匀度不好，一般情况下，测试IV曲线的FF就会比实际值偏小。

3.辐照不稳定度对测试结果的影响

辐照稳定度对测试结果的影响是很容易理解的.，模拟器辐照不稳定，就必然会造成测试结果不稳定，辐照稳定度保证了所测试的I-V特性是在同一条件下量测的,为数据的可参考性提供了前提.

四. 不同电池材料对太阳模拟器脉冲宽度的要求

太阳电池的基材种类众多,目前技术实现量产的有晶体硅电池/组件如单晶硅电池组件和多晶硅电池组件，实现量产的还有薄膜电池，这包括非晶硅电池、CIGS电池、GaAs电池、CdTe电池 ，其中非晶硅电池有分为单结非晶硅电池、双结非晶硅电池、多结非晶硅电池。除此之外有机染料敏化电池有实验性的量产，处于实验室阶段的是第三代太阳电池如量子阱太阳电池，

不同材料制成的太阳电池对标准太阳光谱的响应程度有着很大的差别，比如说一般晶体硅的电池组件光谱相应主要集中在（400nm-1100nm）；而单结非晶硅电池组件的光谱响应却是（400nm-900nm）。除了光谱相应的差异很大外，不同材质的电池对光的响应灵敏度也有很大差别。如传统的晶体硅电池组件的响应速度快，脉冲模拟器脉冲宽度有2ms就足够克服测试时晶体硅电池的电容效应，但是薄膜电池如非晶硅电池测试所需要的脉冲模拟器的脉冲宽度要在60ms以上，.太阳模拟器的脉冲宽度只有达到一定宽度，足以克服测试时被测电池的电容效应,测试的结果才可信.,因此,对于闪光脉冲式的模拟器来讲,闪光脉冲的时间宽度,尤其是稳定光持续的脉冲宽度也是太阳模拟器的一个重要指标.

以下举晶体硅电池和硅基薄膜电池的测试对比做定性说明.

晶体硅电池和薄膜电池在结构和材料上有较大的区别，从电池测试的角度考虑，两者对光照的响应速度存在较大的差异，同样的脉冲模拟器测试时等效电容效应就有差异。晶体硅电池的电容效应可以从它的交流电模型中得到解释释（如图 1），它的时间常数一般是在微秒量级。图1中CD、CT分别是扩散电容和渡越区电容。

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图1 晶体硅电池交流模型

而薄膜太阳电池的电容效应则比较突出，其时间常数一般在毫秒量级甚至更大量级。对硅基薄膜的研究显示：其时间响应常数达到几十毫秒。如图2与图3所示：

图2 硅基薄膜电池的交流模型与时间响应[3]

与晶体硅电池相比，薄膜电池还存在着明显的光致衰减现象，对非晶硅薄膜电池在AM1.5条件下的光致衰减情况被展示在图3中：

图3 非晶硅薄膜电池的光致衰减情况[5]

因此，在薄膜电池测试前，需预先将待测电池经过一段时间的光老练实验使其性能趋于稳定，然后用持续时间大于60ms稳定模拟光的光源进行测试。如果此条件不能满足，就很难克服薄膜电池的结电容效应。而通过2次或者多次闪光补偿的方式，虽然也可以模拟出I-V曲线，实际上，模拟出的I-V曲线和实际的I-V曲线有较大的偏差。

图4　不同光脉冲光宽度时多次闪光下的薄膜电池测试结果比较[7]

图5　三种不同模拟光下的薄膜电池测试结果比较[7]

对于有机染料敏化电池,目前多处于实验阶段,电池的面积和电流密度均比较小,电池的转换效率较低,在测试的时候一般的脉冲模拟器无法满足需求,需要使用稳态的太阳模拟器以使其能产生持续的电流,并配备高精度的数字源表进行量测.

五．上海赫爽的太阳模拟器简介

1、模拟光谱和脉冲宽度

氙灯是目前已知的光谱最接近太阳光谱的人造光源。氙灯内的高压氙气只有充分电离，放电产生的光才与太阳光有较高的匹配度，要让氙气充分电离就必须让氙气放电时处于高电压大电流的状态，这就要求电源提供充足的功率和能量。因此使用氙灯等气体光源的太阳模拟器需要达到A级光谱匹配度，就需要选用高压氙灯。赫爽公司设计生产的模拟器选用是高压氙灯，设计的氙灯电源是PLG电源（电容电感网络电源），而且还专门设计了预燃电路，在氙灯弧光放电前处于预燃的辉光放电，模拟器闪光前，氙灯两端放电电压达到500-800V，触发后氙灯由预燃状态转到弧光放电的闪光状态，得到匹配度超过A级的发光光谱。光谱图如下：

图 7 中国计量院采用国外先进光谱仪测试的赫爽公司模拟器的光谱

从图6和图7可以看出，经国外多家先进的光谱仪测试，赫爽的模拟器光谱都能达到优于A级，其各个波段的匹配失误度在0.8～1.2之间，而IEC标准中认定各个波段匹配失误度在0.75～1.25之间时即为A级光谱。

为了得到长时间的稳定脉冲光源，我们专为氙灯设计了电容电感网络回路（L-C network）。通过对电容的充电而得到足够的能量，通过电感的特性调整放电的时间，不仅使放电电压可达800V，放电电流可达300A，更使A级准稳态光可持续几十甚至一百多毫秒，如图8。赫爽的模拟器配有专门设计了滤光片，使光谱匹配度由于A级。

2、 辐照不稳定度（LTI和STI）

3、

LC网络电源除了保证设备的模拟光光谱等级外，模拟光LTI不稳定性达到0.4%，如图8为中国计量院测试的测试结果。

图8 辐照稳定度（LTI）

我们使用了4通道高速同步采集卡，使光强，电压，电流和温度等信号同时采集处理，不存在单通道信号过程中光强的不稳定现象，因此辐照短时不稳定度（STI）为零，完美达到A级。

4、 光均匀性和有源线性电子负载

5、

赫爽公司的模拟器采用独到的发明专利技术的光路，不论下光源、上光源、侧光源的光路，均匀性都小于2%，完全达到A级。

赫爽公司设计的有源线性电子负载，能在测试时随时间线性施加电压在被测电池和组件电极两端，如图9所示，这样就能减少和克服被测电池和组件的电容效应，提高了模拟器系统的测量线性度。

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