大辐照面AM0太阳模拟器检测

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033)

1 引言

随着我国航空、航天工程事业的迅速发展，我国研制太阳模拟器的水平和对太阳模拟器技术要求在不断提高，它的辐照面积、辐照强度在进一步增大。相应地对检测能力及水平也要求更高。太阳能电池或太阳能电池组件等光伏器件产品的光电性能测试，各种类型的航天载荷及地面武器系统等都需要做光照环境试验，都要用太阳模拟器，太阳模拟器是各种产品测试及试验用的一个标准器。

太阳模拟器做为标准产品要按照技术要求进行严格的检测。几十年来，在我国航空、航天工程领域得到很好应用的太阳模拟器，大多数都来自我所研制生产。我国在太阳模拟器标准的更新速度方面明显滞后于国外。尽管我国应用太阳模拟器的时间已有近五十年，但更新标准的速度跟不上当前我国发展的需求。究其原因，太阳模拟器使用者对太阳模拟器在使用中的技术要求还不够高，深入研究的也不够，致使我们对太阳模拟器的研制和检测手段还落后于国外先进水平。近年来我国应用太阳模拟器的发展速度很快。2010年后，我国应用的太阳模拟器最大辐照面已经达到Ф1 m，我们对此辐照面直径的太阳模拟器参照最新的美国标准已成功地完成了检测。未来3～5年，我国制造的太阳模拟器的辐照面会更大，如Ф4 m～6 m已经开始研制。并且，辐照度大到几十个太阳常数的太阳模拟器也进入理论设计阶段。这将要求我们大力加强研制和检测技术的研究，提高检测技术的水平，为我国的航空、航天工程事业的发展做出贡献。

2 太阳模拟器的类型

2.1 太阳模拟器级别

太阳模拟器的主要光电技术参数通常有6项，技术参数包括：有效辐照面、总辐照度、辐照不均匀度、辐照不稳定度、光谱匹配性和视场角(准直角)。其中的辐照不均匀度、辐照不稳定度、光谱匹配性为主要技术参数。无论我国和美国标准都采用相同的级别划分方式，将这三个参数分为A、B、C三个等级。国标GB/T6495.9-2006《光伏器件第9部分：太阳模拟器性能要求》[1]和美国标准E927-2010《光伏器件测试：太阳模拟器标准规范》[2]中，将这3个重要参数分别划分为A、B、C三个等级，表1和表2分别表示中国和美国有关太阳模拟器等级分类情况。

表1 GB/T6495.9-2006模拟器等级分类(中国)

表2 E927-2010模拟器等级分类(美国)

注：大辐照面模拟器(Ф>300mm)

2.2 太阳模拟器类别

按有效辐照面技术参数划分。我国在标准GB/T12637-90《太阳模拟器通用规范》[3]中，按有效辐照面尺寸大小，将太阳模拟器分为5个类别，见表3。最新的美国标准E927-2010《光伏器件测试：太阳模拟器标准规范》中，按有效辐照面尺寸大小只划分为两大类：有效辐照面(圆形)直径尺寸Ф≤300 mm和Ф>300 mm。见表3。

表3 GB/T12637-90太阳模拟器类别(中国) (mm)

按光谱辐照度分布特性划分。我国在标准GB/T12637-90《太阳模拟器通用规范》中，将太阳模拟器划分为AM0和AM1.5两种应用状态，见表4。最新的美国标准E927-2010《光伏器件测试：太阳模拟器标准规范》中，将太阳模拟器划分为AM0和AM1.5D、AM1.5G三种应用状态。见表5。

表4 GB/T6495.9-2006标准光谱辐照度分布(中国)

表5 E927-2010标准光谱辐照度分布(美国)

按光输出频率特性划分。太阳模拟器分为脉冲式和恒稳态两种类型。我国在国标GB/T6495.9-2006《光伏器件第9部分：太阳模拟器性能要求》中明确这两种类型太阳模拟器都适用于该标准。美国标准E927-2010《光伏器件测试：太阳模拟器标准规范》[4]中也同样划分为两大类。到目前为止，我国应用的绝大多数太阳模拟器都是恒稳态型。

3 检测技术研究

下面以一个已经完成检测的辐照面(圆形)直径为Ф1.0 m的太阳模拟器实例，介绍一下我们在检测过程中所遇到的技术问题和开展的试验研究工作。该太阳模拟器是恒稳态型，它的技术指标如表6所示。我们对该太阳模拟器的辐照度、辐照不均匀度、辐照不稳定度、光谱匹配性、光束准直角等6项技术参数做了检测。检测工具：20×20太阳电池，AVaspec-2048光谱辐射计，TDJ2光学经纬仪。

表6 太阳模拟器技术指标

(1)辐照度的检测。1990年代，我们检测的大多数太阳模拟器辐照面都在Ф200 mm以下，基本上都按照国标GB/T12637-90 《太阳模拟器通用规范》中规定的辐照度测试器件，用窗口面积Ф5 mm绝对辐射计去测量总辐照度，辐照度在1个太阳常数以下。2005年后，我们开始检测辐照面都在Ф300 mm～800 mm太阳模拟器，检测中，我们感到用Ф5 mm绝对辐射计测辐照度不合适，因为绝对辐射计的光谱范围0.4 μm～20 μm太宽，不适合太阳模拟器(0.3 μm～1.4 μm)检测。开始研究采用美国标准E927-05，用窗口面积10 mm×10 mm的硅太阳电池作为测试器件，因为它的光谱范围在0.3 μm～2.5 μm。超过Ф50 0m辐照面的太阳模拟器我国没有标准。所以我所研制人员只能一边研制太阳模拟器一边研究如何检测它的性能参数。去年我们检测一台辐照面Ф1.0 m的AM0太阳模拟器。此次，我们直接采用了美国标E927-2010 《光伏器件测试：太阳模拟器标准规范》。尽管我们应用了最新的美国标准，但还是不能准确地应用该标准。因为，按着美国标E927-2010 《光伏器件测试：太阳模拟器标准规范》要求，测试不同辐照面的太阳模拟器应选不同窗口面积的测试器件。我们现有的单晶硅标准太阳电池规格较少，仅有窗口面积10 mm×10 mm和20 mm×20 mm两种规格的硅太阳电池，尽管我们完成了辐照面Ф1.0 m的太阳模拟器辐照度的检测，但辐照度的测量值偏低了。现在，我们正在研究如何利用现有测试器件资源，开展测试不同辐照面辐照度的工作。

(2)辐照不均匀度的检测。测试辐照不均匀度涉及两个重要因素，一个是要检辐照面上测试区域点数量的选取，另一个是测试器件的窗口面积选取。过去，我们以往检测<Ф300 mm辐照面的太阳模拟器的辐照不均匀度时，总是依据传统经验，对要检辐照面做米字形分布从中心向周边选测试区域点，测试点尽可能多[5]。按照国标GB/T12637-90 《太阳模拟器通用规范》，选用窗口面积Ф5 mm绝对辐射计测试辐照度，后来我们通过查技术资料选用了10 mm×10 mm单晶硅太阳电池器件测试辐照度，测试结果基本上满足了使用技术要求，完成了一些<Ф300 mm辐照面的太阳模拟器的辐照不均匀度检测[6]。现在，我们检测一个辐照面Ф1 m的AM0太阳模拟器，由于辐照面增大3倍多，检测过程中就遇到了不知道按什么标准检测的问题。在Ф1m辐照面上，我们依据传统经验，对要检辐照面做米字形分布选测试区域点41个，在辐照面上选不同规格窗口面积的测试器件测试辐照不均度的结果是不一样的。所以，这两个重要因素至关测试辐照不均度的准确性。若按着我国的国标规定的要求去选用窗口面积Ф5 mm绝对辐射计去测量，辐照度不均匀度测量值较高，用20 mm×20 mm窗口面积单晶硅太阳电池器件检测[7]，辐照度不均匀度测量值偏低，测量结果刚好满足技术指标要求。针对到底是我们的太阳模拟器研制水平差还是检测方法不符合标准要求，我们针对这个问题查阅了国内外有关太阳模拟器标准。我国最新国标GB/T12637-90 《太阳模拟器通用规范》和GB/T6495.9-2006《光伏器件第9部分：太阳模拟器性能要求》中并没有说明Ф1 m的AM0太阳模拟器的测量方法及测试器件要求。而美国标E927-2010 《光伏器件测试：太阳模拟器标准规范》只是将辐照面分为Ф≤300 mm和Ф>300 mm两类。但有详细的测试器件窗口面积选取原则，这为我们完成检测找到了依据。经过分析研究一致同意，采用美国标E927-2010的测试方法和原则测试。它选取的原则是：将要测试的辐照面分成不少于36等分，测试器件窗口面积应选择独立等分面积的25%以上。按这个原则，我们应选的测试器件窗口面积为不低于5452 mm2。但是，我们现有条件仅有经标定过的20 mm×20 mm(400 mm2)窗口面积的测试器件。按着美国标要求所选窗口面积应是5452 mm2，是20 mm×20 mm的13.6倍，如果所选测试器件窗口面积与要测试的太阳模拟器辐照面不匹配，会产生测试误差。实际测试中，我们依据传统经验在辐照面上按米字形分布从中心向周边选41个独立测试点，大于美国标规定不低于36个测试点。辐照不均匀度测试结果(±4.6%)刚好满足技术指标要求，达B级标准。我们所用测试器件的窗口面积(20 mm×20 mm)小于美国标准要求，说明我们测试的太阳模拟器辐照不均匀度的真值优于±4.6%。

(3)辐照不稳定度检测。我国在国标GB/T12637-90 《太阳模拟器通用规范》中对有关辐照不稳定度的检测方面没有明确检测方法及技术要求，仅仅叙述说明了辐照不稳定度的计算方法。而在美国标E927-2010 《光伏器件测试：太阳模拟器标准规范》中，对恒稳态型太阳模拟器辐照不稳定度的检测过程也没有明确的技术要求，只明确了数据采样时间间隔为100 ms，1 min和1 h。没有规定时间稳定范围。而我们在辐照不稳定度检测方面，一直延用几十年来总结出来的检测过程和方法要求。凡是涉及到辐照不稳定度的技术要求，都要明确规定时间稳定范围为1 h，即在1 h时间内它的辐照不稳定度指标是多少，而且又明确采样间隔为5 min。测试点是在有效辐照面上任选。计算方法按国标GB/T12637-90。测试结果：该模拟器在有效辐照面内，辐照不稳定度±1.5%/h 。

(4)光谱匹配性检测。我国最新国标GB/T6495.9-2006《光伏器件第9部分：太阳模拟器性能要求》中，规定AM0光谱范围0.3 μm ～1.1 μm，标准光谱辐照度分布，见表4。而美国标E927-2010 《光伏器件测试：太阳模拟器标准规范》中，规定AM0光谱范围0.3 μm ～1.4 μm，标准光谱辐照度分布，见表5。说明美国标准中在光谱范围上宽于我们。我们用光谱仪对太阳模拟器输出模拟太阳光进行相对光谱分布测试，并计算分段光谱累积能量占总光谱累积能量的百分比。按照美国标E927-2010中光谱匹配等级确认。测试结果：确定该模拟器达AM0光谱C级标准。

(5)光束准直角检测。美国标中称为视场角。其含义相同。美国标E927-2010中给视场角定义是：模拟器辐照面上任一点辐射出的两条线间的最大夹角。我们认为，光束准直角就是太阳对地面的最大张角。1990年代以前，光束准直角这项参数不测量，仅依据系统的准直物镜焦距和视场光栏大小计算准直角，一旦系统中的光学和机械件加工有问题，会造成准直角不准确。2000年以后，随着我国航天事业的快速发展，所需求的太阳模拟器的数量和辐照面不断加大，相应地对太阳模拟器的技术要求也增高了。对模拟器准直角和精度要求更加严格。于是我们开始研究如何检测准直角。我们用光学经纬仪采用测角法对模拟器准直角进行测量。对模拟器光学系统来说，即是模拟器光学准直系统的视场角，准直物镜的焦面是一个视场光栏(相当太阳)，辐照面上一点对模拟器视场光栏的张角即是模拟器视场角(准直光束角)。我们用光学经纬仪直接测量系统视场光栏的张角。因为光学经纬仪的测试精度在2″以内，而太阳模拟器准直角要求较高的不过32′±1′。所以，我们的测试方法足以满足研制技术要求。

注：辐照面Ф1.0 m的太阳模拟器测试结果请参看表7。

表7 辐照面Ф1.0 m太阳模拟器测试结果

4 结束语

我国太阳模拟器的研制和检测技术水平与国外先进水平相比有一定差距，我们研制的能力、检测的手段、标准更新的速度等有待进一步加强。过去几十年来我们通过不断地试验、研究，对辐照面Ф1 m以下的太阳模拟器已经形成了制造和检测能力。今后，我们将面临更大辐照面和辐照度的太阳模拟器的研制技术和检测技术的研究，国家应尽快制定适应我国太阳模拟器应用的新标准，只有这样才能满足我国太阳模拟器发展的要求，达到世界先进水平。

[1]GB/T6495.9-2006 光伏器件第9部分：太阳模拟器性能要求:160-161.

[2]美国标E927-2010 光伏器件测试：太阳模拟器标准规范：7-9.

[3]美国标E490-2006 标准太阳常数和AM0太阳光谱辐照表.：7

[4]GB/T12637-90 太阳模拟器通用规范：2-3.

[5]仲跻功. 太阳模拟器光学系统的几个问题.太阳能学报，1983，4(2)：187-190.

[6]徐亮. 月亮模拟器光学系统设计与辐照度均匀性分析.长春理工大学,2009：18-19.

[7]袁亚飞，刘民，杨亦强.太阳模拟器辐照不均匀性测试系统的研制，2006(增刊)：238-240.