基于AM0 太阳模拟器3 波段光谱独立可调的设计

冯云峰，张鹤仙，黄国保，刘 皎，冯晓莹

(陕西众森电能科技有限公司，西安 710018)

0 引言

太阳能作为一种新兴清洁的可再生能源，其应用范围日益扩大，其中，光伏发电可以有效地降低国家能源成本及实现可持续发展战略目标，得到世界各国政府的高度重视，市场前景广阔。随着中国航天事业稳健快速发展，光伏发电应用范围也越来越宽泛。太阳电池技术中，三结砷化镓太阳电池由于具备高能量密度、高光电转换效率及低损耗的特点得到广泛关注，被认为是未来最有前途的高效太阳能应用之一，目前已有多个国家开展相关研究，中国亦有相关产业。

随着空间太阳电池技术的发展，三结砷化镓太阳电池已经逐渐取代了晶硅太阳电池，其能隙与太阳光谱的匹配较适合。与晶硅太阳电池相比，三结砷化镓太阳电池具有高光电转换效率、高可靠性、耐高温、抗辐照能力强等优点，产品已广泛应用于遥感、气象和科学试验等卫星，这类卫星在轨道运行状态良好，适用于空间各轨道飞行器。

目前，太阳电池电源是航天器主要的电源，其可靠性和稳定性对任务的成功非常关键，特别是对于需要长时间在太空中运行的任务，例如卫星和空间站，对太阳电池可靠性要求更加严格。太阳电池的研制、航天器电池阵列的设计、太阳电池光电转换效率等核心电性能参数的准确评估对于航天器的安全运行至关重要。但传统太阳电池按照AM1.5G 的标准太阳光谱，与空间三结太阳电池工作标准AM0 光谱存在差异，因此传统太阳电池测试使用的太阳模拟器无法满足空间三结砷化镓太阳电池的测试要求。

空间三结砷化镓太阳电池测试使用的太阳模拟器应符合空间太阳电池工作标准，确保太阳模拟器光谱与AM0 光谱一致或接近，从而提高对于空间太阳电池的测试准确度。为更符合AM0光谱，满足空间三结砷化镓太阳电池的测试需求，本文设计出一种满足350～760 nm、760～950 nm、950～1800 nm 3 波段光谱独立可调的太阳模拟器光源系统，以氙灯和卤素灯作为混合光源，可使调整后的光谱特征与AM0 光谱非常接近，并对其进行测试及校准调。

1 AM0 太阳模拟器设计标准

根据GB/T 6494—2017《航天用太阳电池电性能测试方法》，多结砷化镓太阳电池测试用太阳模拟器光谱失配误差评价范围为光谱区间350～1800 nm，要求太阳模拟器总辐照度至少在0.8～1.2 个太阳常数范围内连续可调，太阳模拟器分别从3 个核心性能指标进行测试评级，包括光谱失配误差、辐照度不均匀度、辐照度不稳定度，等级划分标准具体如表1 所示。

表1 太阳模拟器的等级划分Table 1 Grading of solar simulators

2 实现原理

通常1.9eV/1.42eV/1.0eV 带隙组合的三结太阳电池能实现更好的电流匹配，用于三结太阳电池常见的各结材料有GaInP(禁带宽度为1.90 eV，吸收光谱波段为400～650 nm)、GaAs(禁带宽度为1.42 eV，吸收光谱波段为600～870 nm)、GaInAs(通过调节铟和镓元素比值，具有可调禁带宽度0.35～1.42 eV，吸收光谱覆盖近红外-红外)、Ge(禁带宽度为0.67 eV，吸收光谱波段为880～1850 nm)。组成的常见三结太阳电池有GaInP/GaAs/Ge、GaInP/GaAs/InGaAs等[1]。

对空间三结砷化镓太阳电池的电性能测试同样采用传统太阳电池测试方法，使用太阳模拟器测试前，先用1 个光谱响应与被测对象一致的标准太阳电池来校准太阳模拟器的辐照度。由于空间三结砷化镓太阳电池的光谱响应是由对应的3个串联子电池的光谱响应组成，所以，对于空间三结砷化镓太阳电池，使用各子电池标准电池单独校准可使系统测试更加准确[2]。

2.1 光谱可调原理与光源系统

氙灯是已知人造光源里最接近太阳光谱的光源。氙灯光谱在紫外与可见光波段与太阳光谱十分接近，但在波段820～1010 nm 之间有许多峰状谱，辐照度较AM0 光谱高出很多，因此，需要对该段特征谱进行修正，降低此波段过高的辐照度，确保其光谱符合AM0 光谱的标准，使其满足空间三结砷化镓太阳电池测试的需要。参考AM1.5G太阳模拟器进行光谱匹配通常使用干涉滤光片对氙灯光谱进行修正，对于AM0 光谱匹配同样适用。

由于氙灯主要能量分布集中在波段300～1100 nm，在波段1200～1400 nm 相对能量很低，而AM0 光谱范围为波段350～1800 nm，若通过提升氙灯电流的方式来调整滤光片，降低可见光波长区间透过率，虽可满足整体各光谱波段的相对能量比例满足A 级光谱要求，但此方案能效相对较低，且光谱范围较小，仅依靠氙灯很难实现满足AM0 光谱标准的3 波段光谱自由调节光源系统。

加入卤素灯，就可利用卤素灯补偿近红外部分(波段1000～1800 nm)的能量。将卤素灯集成吸收型截止滤光片，截止低于1000 nm 波长的光谱范围，确保卤素灯输出到辐照面的能量仅包含近红外部分的能量。此方案既可避免氙灯能耗过大，又可确保太阳模拟器光谱的相对可调性。

因此，本设计采用氙灯与卤素灯混合光源，氙灯采用负反馈系统，可确保氙灯光能量输出在调整光谱能量后仍保持在特定辐照度条件下；卤素灯通过恒压控制系统实现特定辐照度与光谱特征输出。

2.2 氙灯光谱调节与控制系统

氙灯光谱覆盖350～760 nm、760～950 nm这两个波段，氙灯的光谱调节与控制系统采用负反馈系统，该系统电路采用晶硅太阳电池作为采集反馈器件，晶硅太阳电池的光谱响应范围为波段300～1200 nm，可以满足氙灯光谱波段的测量需求，负反馈系统要求反馈的电压信号与基准电压一致。

因此，当插入滤光片修正氙灯输出光谱能量比例，降低800～900 nm 波段能量后，由相对能量比例可知，经负反馈系统控制后，为使反馈电压信号一致，会调高氙灯输出，可见光部分(波段300～800 nm)的相对能量比例会提升，经此动态平衡调整控制，最终可以获得符合AM0 光谱失配误差标准的前两个波段。

2.3 卤素灯光谱调节与控制系统

白炽灯灯管内部安装有金属钨灯丝，内部被抽成真空或充入少量惰性气体，而卤素灯就是充有卤素气体的钨丝白炽灯，在高温下，升华的钨丝与卤素进行化学作用，冷却后的钨会重新凝固在钨丝上，形成平衡的循环，避免钨丝过早断裂，因此卤素灯具有更长的使用寿命。通电后，通过加热钨丝，钨丝呈炽热状态并辐射发光，灯丝温度越高，辐射的可见光比例就越高，即卤素灯的转换率就越高。卤素灯需达到热平衡，辐照度才相对恒定，因此测试时应提前打开卤素灯。

为确保卤素灯仅输出波长1000 nm 之后的近红外能量，将卤素灯集成吸收型截止滤光片。对于氙灯负反馈系统而言，其光谱响应区间波段为300～1200 nm，其中卤素灯能量占比小于10%，对该控制系统几乎无影响，因此第3 波段(950～1800 nm)仍可相对独立控制。

卤素灯控制系统通过可编程开关电源(输出DC 250V12A)供电实现，本设计采用恒压输出模式，控制系统如图1 所示。使用模拟量(0～10 V)输出模块控制开关电源输出功率，模拟量输出模块通过网络通信与上位机通信，可通过上位机设定模拟量输出幅值，控制开关电源输出功率来实现卤素灯输出控制，以达到可以调节卤素灯输出光强的目的。

图1 卤素灯控制系统图Fig.1 Control system diagram of halogen lamp

3 测试结果及光谱校准调整

3.1 混合光源光谱测试

按照上述原理搭建光源系统，配置基础滤光片对氙灯和卤素灯输出光谱进行调整。使用光谱仪放置在测试辐照面内，通过上位机软件进行测试；开始测试后，卤素灯先工作，根据卤素灯工作的状态设定氙灯触发的延时时间，当卤素灯达到热平衡后氙灯触发；光谱仪测得混合光源的光谱，光谱测试数据通过光谱仪软件显示，并根据GB/T 6494—2017 对测试结果进行评级。本文设计光源系统的光谱测试结果与光谱图分别如表2、图2 所示，测试结果均为A 级，证明本文所设计光源系统与AM0 光谱能够很好的匹配。

图2 本文设计光源系统的光谱图Fig.2 Spectral diagram of light source system dedesigned in this paper

表2 本文设计光源系统的光谱测试结果评级Table 2 Rating of spectral test results of light source system ddesigned in this paper

3.2 光谱修正校准

使用太阳模拟器对太阳电池进行电性能测试前，应先用1 个光谱响应与被测对象一致的标准太阳电池来校准太阳模拟器的辐照度，使测的得标准太阳电池的短路电流值等于其标定值即为完成校准。三结太阳电池同理，空间三结砷化镓太阳电池的光谱响应是由对应的3 个子电池的光谱响应组成，且空间三结砷化镓太阳电池为串联结构，所以测试时必须用各子电池标准电池单独校准，使测试被测对象时可以做到相对准确。

调整光谱时，由于氙灯基于硅基太阳电池负反馈系统，需要满足硅基光谱段，因此优先调节氙灯光谱。由于氙灯为负反馈系统，此时氙灯的电流会对应调大，确保相对辐照度稳定，基于此，某光谱波段相对能量比例下降，另一波段相对能量比例则会提升。

结合光谱匹配测试结果，氙灯光谱修正的实现依靠对第2 波段(760～950 nm)的能量调节。选择波段770～860 nm 窄带截止滤光片衰减第2波段的相对能量比例，降低某一波段的光谱比例，需将该波段对应的窄带截止滤光片以不同面积比例送入光路中。根据系统光谱特征将窄带截止滤光片设计为楔形结构，通过插入光源部分的不同面积比例来调控第2 波段相对能量比例。由于氙灯使用PID 电路控制，当第2 波段相对能量变低后，第1 波段(350～760 nm)的相对能量会提升[3]。此时，通过调整窄带截止滤光片插入面积比例，可同步调整前两个波段的光谱匹配，以满足三结太阳电池中第1、第2 块子电池的光谱测试需求。进行光谱修正时，使两块标准子电池的测试值均与其标准值接近，此时光谱即满足两块子电池的光谱测试需求。在满足A 级光谱匹配标准的条件下，第2 块子电池所对应第2 波段的相对能量比例调整范围约在0%～15%之间，相应第1 波段也会提高0%～5%不等。

卤素灯集成吸收型截止滤光片，只输出1000 nm 之后近红外能量，该波段能量占比相对氙灯总能量较少，对氙灯的负反馈系统几乎无影响，因此第3 波段(950～1800 nm)的能量调节可做到相对独立控制，可直接通过控制卤素灯的电流强弱来实现该波段的相对光谱调节，以进行光谱修正，调整卤素灯电流匹配使第3 块子电池的测试值对应到标准值。在满足A 级光谱匹配标准的条件下，第3 块子电池所对应第3 谱段的能量比例调整范围约在0%～20%之间。

3.3 光谱分布调节测试验证

测试使用三结子电池标定短路电流(ISC)值分别为顶电池(第1 块子电池)66.1 mA、中电池(第2 块子电池)69.8 mA、底电池(第3 块子电池)112.3 mA。在标准条件1 个AM0 光谱下，使用上述设备进行测试，首先在未进行光谱分布调节(即楔形滤光片插入量为0)时进行初测，结果为顶电池短路电流为65.71 mA、中电池为71.24 mA、底电池为117.53 mA，相对能量比例第1 波段偏低，第2 波段和第3 波段偏高。

对楔形滤光片进给量与卤素灯能量进行调整。当楔形滤光片进给量为30%，即削弱第2 波段相对能量比例，且经负反馈调节后第1 波段相对能量比例动态升高，第3 波段独立调节降低到合适位置，此时测得顶电池的短路电流为66.18 mA、中电池69.88 mA、底电池112.42 mA，与标定值接近，在当前的配置下即可准确地对三结太阳电池进行电性能测试。

由此可以证明：本文设计的3 波段光谱独立可调的设计能够给空间三结砷化镓太阳电池的电性能测试提供一个便捷且准确的测试条件。

4 结论

本文设计了一种AM0 太阳模拟器，对其独立可调光源的光谱合成设计思路进行了阐述，重点介绍了氙灯与卤素灯光谱调节与控制原理。本系统结构简单，易于设计，且实现成本低廉，可满足三结砷化镓太阳电池对3 个不同波段的测试光谱匹配要求，实现了3 段光谱独立可调，为空间三结砷化镓太阳电池测试提供了相对理想的测试条件。