金卤灯太阳模拟设备中滤光片的设计

王银河，宋光辉，李文龙，刘海涛

(沈阳仪表科学研究院有限公司，沈阳 110043)

0 引言

由于各地的气候、环境、地理位置存在差异，自然太阳光很难作为标准光源测试使用，而太阳模拟设备可通过人工光源对标准太阳光进行模拟，并进行长期可控的稳定测试。太阳模拟设备可用于测试非聚光型地面平板式光伏发电装置的光电转换性能。参照GB/T 6495.9—2006《光伏器件 第9部分：太阳模拟器性能要求》，模拟太阳光源的光学性能通常采用光谱匹配指标来描述，光谱匹配指标主要用于表征模拟太阳光源与标准太阳光的接近程度，即光谱匹配度。按照标准要求，当模拟太阳光源输出光的光谱(下文简称为“模拟太阳光谱”)在不同波段(400～1100 nm)的光谱特性与标准太阳光谱的光谱匹配度等级均达到A级时，可称其为最接近标准太阳光的模拟太阳光源，是较为理想的模拟太阳光源。

氙灯是常用的模拟太阳光源，其光谱特性在可见光波段接近于标准太阳光谱，光谱匹配度较好；而且当前针对采用氙灯的太阳模拟设备及其滤光片的相关研究也较多[1-4]。除氙灯外，金卤灯具有功率大、发光效率高等特点，也可作为模拟太阳光源使用。但由于金卤灯的光谱特性与标准太阳光谱相差较大，因此采用金卤灯作为模拟太阳光源(下文简称为“金卤灯光源”)时太阳模拟设备中滤光片的设计难度较大，国内外的研究也较少。

本文主要研究了一种金卤灯太阳模拟设备中滤光片的设计方法，使金卤灯光源结合本设计滤光片后的光谱匹配度等级达到A级的目标。首先论述了模拟太阳光源的相对光谱辐照度比例及其光谱匹配度的计算过程；然后根据金卤灯光源的相对光谱辐照度比例分布特性，对滤光片的设计方法进行了分析，并给出了其设计透射率曲线，计算了金卤灯光源结合滤光片后在不同波段的光谱匹配度；最后对2000 W金卤灯结合本设计滤光片的输出光光谱在各波段的光谱匹配度进行测试，以验证其光谱匹配度等级是否达到A级标准。

1 光谱匹配度计算

1.1 不同波段的相对光谱辐照度比例的计算

标准太阳光谱的光谱辐照度分布如图1所示。模拟太阳光谱的相对光谱辐照度分布与标准太阳光谱的光谱辐照度分布越接近，则说明该模拟太阳光源越理想。

图1 标准太阳光谱的光谱辐照度分布Fig. 1 Spectral irradiance distribution of standard solar spectrum

理论上，模拟太阳光谱与标准太阳光谱一致最为理想，但实际情况中，模拟太阳光谱不可能与标准太阳光谱完全相同，因此，采用波段(400～1100 nm)光谱匹配度的方法来评价模拟太阳光谱与标准太阳光谱的接近程度。将400～1100 nm波段的标准太阳光谱按照波长间隔100～200 nm进行分段，共分为6个波段，即400～500 nm、500～600 nm、600～700 nm、700～800 nm、800～900 nm、900～1100 nm。

对光源不同波段时的光谱能量在400～1100 nm波段总光谱能量中的占比进行计算，其公式可表示为：

式中：Eλ为光源在400～1100 nm波段中对应波段的相对光谱辐照度分布；ρ为该对应波段的光谱能量与400～1100 nm波段总光谱能量的占比系数(即相对光谱辐照度比例)；λa为该对应波段的起始波长；λb为该对应波段的终止波长。

根据式(1)，可计算得到标准太阳光谱在不同波段的光谱辐照度比例分布，具体如表1所示。

表1 标准太阳光谱在不同波段的光谱辐照度比例的分布情况Table 1 Distribution of spectral irradiance proportion in different bands of standard solar spectrum

1.2 光谱匹配度计算

模拟太阳光谱在不同波段的相对光谱辐照度比例分布应接近表1中标准太阳光谱在不同波段的光谱辐照度比例分布。实际上，二者不能实现完全一致，因此以光谱匹配度作为评价参数来评价模拟太阳光谱与标准太阳光谱的接近程度。光谱匹配度是实际采用的模拟太阳光谱在不同波段的相对光谱辐照度比例与标准太阳光谱相对应波段的光谱辐照度比例的比值。根据式(1)，可通过计算模拟太阳光谱在不同波段的相对光谱辐照度分布积分值，计算得到模拟太阳光谱在不同波段的相对光谱辐照度比例。

光谱匹配度γ的计算式为：

式中：ρiL为模拟太阳光谱在第i波段的相对光谱辐照度比例；ρiS为标准太阳光谱在第i波段的光谙辐照度比例。

根据光谱匹配度范围进行等级分类，具体如表2所示。其中，A级为最接近标准太阳光谱，B级次之。

表2 光谱匹配度等级分类Table 2 Classification of spectral matching degree grade

2 太阳模拟设备中滤光片的设计

2.1 氙灯及金卤灯光源的光谱匹配度计算

无论是采用氙灯、金卤灯，或其他光源作为太阳模拟设备的模拟太阳光源，其光谱特性与标准太阳光谱相比，均有不同程度的差异。氙灯作为最接近标准太阳光的气体放电灯，被广泛应用于太阳模拟设备。金卤灯是气体放电灯的一种，以型号为OSRAM HQI-TS的2000 W金卤灯为例，其光通量可达到200000 lm，是同等功率氙灯的2倍，但其光谱的相对光谱辐照度分布与标准太阳光谱的光谱辐照度分布相差较大。氙灯光源输出光的光谱(下文简称为“氙灯光谱”)及金卤灯光源输出光的光谱(下文简称为“金卤灯光谱”)的相对光谱辐照度分布如图2所示。结合图2，再根据式(1)、式(2)，可计算得到的氙灯光谱及金卤灯光谱在不同波段的光谱匹配度及光谱匹配度等级，具体如表3所示。

图2 氙灯光谱及金卤灯光谱的相对光谱辐照度分布Fig. 2 Distribution of relative spectral irradiance of xenon lamp spectrum and metal halide lamp spectrum

表3 氙灯光谱及金卤灯光谱在不同波段的光谱匹配度及光谱匹配度等级Table 3 Spectral matching degree and spectural matching degree grade of xenon lamp spectrum and metal halide lamp spectrum in different bands

从表3中可以看出，氙灯光谱只有在900～1100 nm波段的光谱匹配度等级超出范围，在700～800 nm波段为A级，其余波段均为B级，因此，只需抑制900～1100 nm波段即可使氙灯光谱整体达到A级标准，通过滤光片来调整和实现较为容易，此种情况下的滤光片设计在相关文献中均有论述。金卤灯光谱在400～500 nm、500～600 nm、700～800 nm波段的光谱匹配度等级均为C级，900～1100 nm波段的光谱匹配度等级为B级。因此，太阳模拟设备若使用金卤灯作为模拟太阳光源，则滤光片在设计时需要调整的波段要比采用氙灯光源时需要调整的多。

2.2 滤光片的设计原理

不添加滤光片的模拟太阳光谱的相对光谱辐照度分布无法达到与标准太阳光谱的光谱辐照度分布一致，使用“模拟太阳光源+滤光片”的模式可以修正模拟太阳光谱的相对光谱辐照度分布，使其更接近于标准太阳光谱的光谱辐照度分布。滤光片是在一片石英玻璃上交替镀制多层介质氧化物薄膜，根据光学薄膜干涉原理，设计每层薄膜的厚度，按照设计镀制多层不同厚度的薄膜生成光学薄膜膜系后，即可获得不同透射率的滤光片。滤光片的设计思路是根据模拟太阳光谱的相对光谱辐照度比例分布，结合标准太阳光谱的光谱辐照度比例分布，反推出滤光片的透射率，从而进行滤光片的设计。

设计时以该模拟太阳光谱中相对光谱辐照度比例分布中比例最低的波段作为滤光片透射率的最大值(即100%)，从而可计算出滤光片的设计透射率曲线，设计得到的滤光片结合模拟太阳光源后，其整体的光谱匹配度等级应更接近A级，才算达到目的。

根据上述滤光片设计方法，参考金卤灯光源的光谱特性，分波段计算滤光片透射率的理论值，具体如图3所示。

图3 不同波段对应的滤光片理论透射率Fig. 3 Theoretical transmittance of filter correspording to different bands

从图3可以看出，在400～700 nm波段需要的透射率较低，因此需要降低滤光片在该波段的透射率，结合图2可以看出，金卤灯光谱在此波段的相对光谱辐照度较强，这会影响其光谱匹配度。从图3还可以看出，在700～800 nm波段需要的透射率最高；在800～1100 nm波段需要的透射率不高，滤光片在对应波段的透射率也需要适当降低。

在滤光片的设计中，需参考图3中的曲线趋势，为最大程度提升金卤灯光源输出光的利用率，应保证滤光片在700～800 nm波段的透射率达到最大，其他位置按照对应的相对光谱辐照度比例进行设计，最终得到的滤光片设计透射率曲线如图4所示。

图4 不同波段对应的滤光片设计透射率Fig. 4 Design transmittance of filter correspording to different bands

结合滤光片的设计透射率，计算“金卤灯光源+滤光片”输出光的光谱(下文简称为“‘金卤灯+滤光片’光谱”)在不同波段的光谱能量与其在400～1100 nm波段的总光谱能量的比值ρ1(即相对光谱辐照度比例)，其公式为：

式中：Sλ为滤光片的设计透射率。

根据式(3)，可计算得到“金卤灯+滤光片”光谱在不同波段的相对光谱辐照度比例，然后再根据式(2)计算其光谱匹配度。“金卤灯+滤光片”光谱的光谱匹配度理论计算值如表4所示。

表4 “金卤灯+滤光片”光谱的光谱匹配度理论计算值Table 4 Theoretical calculation value of spectral matching degree of“metal halide lamp + filter”spectrum

实际使用中，还应考虑金卤灯光源与滤光片之间的距离，由于金卤灯光源入射到滤光片的角度不同，会使滤光片的设计透射率曲线发生偏移，造成偏离中心位置的光谱能量分布与偏移前的不一致，导致该波段偏移后的光谱匹配度与偏移前的光谱匹配度产生差异。

2.3 薄膜均匀性对光谱匹配度的影响

由于滤光片是在石英玻璃上镀制光学薄膜膜系，对于本文设计的大尺寸滤光片而言，薄膜的均匀性至关重要。若薄膜的均匀性不好，滤光片的透射率曲线会向长波或短波方向偏移，而偏移量过大将会影响“金卤灯+滤光片”光谱在不同波段的相对光谱辐照度比例，从而会影响其光谱匹配度。若图4中滤光片的设计透射率曲线整体向长波方向或短波方向偏移5～10 nm，对整体光谱匹配度的影响如表5所示。

表5 滤光片的设计透射率曲线整体偏移对“金卤灯+滤光片”光谱的光谱匹配度的影响Table 5 Influence of overall shift of design transmittance curve of filter on spectral matching degree of“metal halide lamp + filter”spectrum

从表5中可以看出，偏移后不同波段的光谱匹配度等级均可达到A级要求，则滤光片透射率曲线的整体偏移量应控制在设计透射率曲线±10 nm范围内即可符合要求。

3 实际验证

按照上述滤光片的设计透射率进行滤光片的镀制。镀制的滤光片的规格为300 mm×300 mm；玻璃基片采用JGS2石英基片；光学薄膜膜系的设计为“(0.5HL0.5H)7”(其中：H为TiO2，L为SiO2，上标7指薄膜重复7个周期)，共15层进行优化；镀膜设备为EPD-1300G镀膜机。薄膜均匀性修正通过掩膜工艺实现，镀膜有效面积内滤光片透射率曲线的整体偏移量小于5 nm。镀制后的滤光片如图5所示。

图5 镀制后的滤光片Fig. 5 Plated filter

以型号为OSRAM HQI-TS的2000 W金卤灯为例，使用AvaSolar-1分光辐射仪测试“金卤灯+滤光片”光谱的相对光谱辐照度分布，具体如图6所示，其光谱匹配度测试结果如表6所示。

图6 “金卤灯+滤光片”光谱的相对光谱辐照度分布Fig. 6 Distribution of relative spectral irradiance of“metal halide lamp + filter”spectrum

表6 “金卤灯+滤光片”光谱的光谱匹配度测试值及光谱匹配度等级Table 6 Test value of spectral matching degree and spectral matching degree grade of“metal halide lamp + filter”spectrum

从表6的结果可以看出，金卤灯光源结合本文设计的滤光片后，整体光谱在400～1100 nm波段内不同波段时的光谱匹配度等级均达到了A级，这说明滤光片达到了设计目的，且“金卤灯+滤光片”光谱的光谱匹配度测试结果与设计值的符合度较好。

4 结论

本文论述了以金卤灯作为太阳模拟设备中模拟太阳光源时滤光片的设计思路，并结合金卤灯光谱的相对光谱辐照度分布，设计了在不同波段时光谱匹配度等级均达到A级的滤光片。但由于本文设计的滤光片的尺寸较大，其透射率曲线偏移量应控制在设计透射率曲线±10 nm范围内，否则会影响“金卤灯+滤光片”光谱的光谱匹配度等级。通过实际验证，“金卤灯+滤光片”光谱在各波段的光谱匹配度等级均达到了A级标准。