/上海市计量测试技术研究院

0 引言

太阳模拟器是利用人工光源在实验室内模拟实现真实太阳光的光谱分布、辐照度等特性的实验设备。在光伏领域里，再配以电子负载,数据采集和计算等设备，可以用来在室内测试光伏器件(包括太阳电池片，太阳电池组件等)的性能，如Pmax，Imax，Vmax，Isc，Voc，FF，Eff，Rs，Rsh以 及I-V曲 线等[1]。工业化的太阳模拟器通常分为两大类：稳态太阳模拟器和瞬态（脉冲）太阳模拟器。根据IEC 60904-9-2007《光伏器件－第9部分太阳模拟器性能要求》的要求[2]，太阳模拟器测试的项目主要有三项，分别是光谱分布匹配、辐照不均匀性和辐照不稳定性。其中光谱分布匹配特性可以通过相对成熟的设备对太阳模拟器进行测试和评级。对于辐照不均匀性，目前也已经形成了比较成熟的测量方法。而对于太阳模拟器辐照不稳定性的测试方法，还有进一步讨论的空间。

1 太阳模拟器的结构和原理

常规的太阳模拟器，主要由以下几个部分组成[3]。

1.1 光学系统

太阳模拟器的光学系统主要由光源、聚光系统、光学积分器、准直系统、太阳光谱辐照度分布匹配滤光片等组成。稳态模拟器通常采用滤光氙灯、双色滤光钨灯-ELH灯或改进的汞灯等作为光源，这类模拟器适用于单体电池和小尺寸组件的测试。而瞬态（脉冲）模拟器，由一个或者两个长弧氙灯组成，这类模拟器在大面积范围内的辐照均匀度好，适合大尺寸组件的测试。

1.2 电源和控制系统

太阳模拟器对电源，特别是为光源部分供电的电源有着严格的要求，只有符合条件的电源，才能够保证太阳模拟器光源的工作状态。通常在光室中还会配备封闭传感器、风扇、探测器等器件用于监控和维持光室的温度，以保证光源部分正常运转。通过太阳模拟器内部各种传感和控制模块，用来对模拟器的工作状态进行监控。整个系统通常都可以采用接触控制、逻辑输入控制，也可以通过按钮开关进行直接控制。

稳态太阳模拟器价格比较昂贵，需要消耗较大的功率，并且容易产生热量造成温升。对于太阳电池标准测试条件（1 000 W/m2，25 ℃，AM1.5光谱分布）来说，虽然需要增加制冷装置进行温控，但其光源更接近于真实太阳，数据可实时采集。瞬态太阳模拟器可以按脉冲数量分为单次脉冲和多次频闪，也可以按脉冲波形分为衰减式（decaying）和稳定式（plateau）[4]。无论是稳态太阳模拟器还是瞬态太阳模拟器，其不稳定性都是一个非常关键的技术指标，因而对该项特性的计量测试手段及其自身的不稳定性验证具有非常重要的意义。

2 太阳模拟器不稳定性测试方法

辐照稳定度是3A级标准的第三项性能参数指标，它要求模拟器的输出光束长时间保持稳定的照度以确保太阳能电池效率测定的准确性。IEC 60904-9-2007对于辐照不稳定度，还细分为长期不稳定度（LTI）和短期不稳定度（STI），分别对应整个IV测试过程中辐照度的变化和取点过程中辐照度的变化。

根据太阳光模拟器等级规范：GB/T6495.9-2007、IEC60904-9：2007的标准规定，太阳模拟器按照不稳定性分为三个等级，如表1所示。

表1 太阳光模拟器的不稳定性等级要求

辐照不稳定度的计算

式中：Emax— 为整个测量过程中辐照度的最大值;

Emin— 为整个测量过程中辐照度的最小值。

在太阳模拟器不稳定性测量过程中，通过采样获得模拟器在相同条件下的辐照数据变化，代入该公式计算，即得到其不稳定性数据指标。

对于稳态模拟器和瞬态模拟器，在建立测量装置时也需要考虑两者的区别。对于瞬态模拟器来说，还要考虑单次和多次闪光瞬态模拟器的不同。如图1所示，在测试不均匀性和不稳定性时由于长时间受到光源照射，电池片的温度会升高而导致短路电流的变化，因此需要外接一套冷却装置用来控制电池片内的温度，使其内部温度恒定在25℃。相反，在测试瞬态太阳模拟器时，需要光触发器捕捉瞬时光信号，在测试不均匀性时也必须有参考电池片A和标准电池片B两片同时记录每一点的电流值，最后以两个值的商作为最后计算的判定依据。

太阳模拟器的不稳定性测试，其原理是需用标准电池片测试组件在整个I-V曲线形成的时间内光照辐照度的变化。对于稳态模拟器来说，由于光源稳定时间长，不用考虑如何捕捉信号，只需记录规定时间内每一点辐照值的变化即可。而对于单次和多次闪光的瞬态模拟器来说，前者需要捕捉数十毫秒的光信号并对单次脉冲信号进行分析（图2）；后者由于是由多次闪光累积形成的I-V测试曲线，每次脉冲的时间甚至低于100 μs以下（图3）。因此都要求足够快的采样频率才能实现，需要采用快速采集卡采集信号。

图1 测试方法示意图

图2 单次闪光太阳模拟器采样示意图

图3 多次闪光太阳模拟器采样示意图

分别对国内外不同生产厂家生产的单次闪光太阳模拟器进行了测试，其中图4、5、6是对三个不同厂商生产的单次闪光模拟器长期不稳定度（LTI）进行测试的波形，可见不同品牌的太阳模拟器的闪光脉冲波形会有很大的差异。测试中关键是要准确捕捉整个波形在起落时间内的变化，然后取出平坦区域，在该区域中再分析光信号的变化。

图4 太阳模拟器测试曲线（厂商一）

图7、8是一台单次闪光模拟器的短期不稳定度（STI）进行测试的波形，两幅图所示的波形为多次频闪式脉冲太阳模拟器产生的。由图中也可以看出，每个闪光脉冲高低不平，即闪光的辐照度不稳定度较差。与单次闪光模拟器不同，多次闪光模拟器的不稳定性需考虑多个脉冲之间的信号变化。

图5 太阳模拟器测试曲线（厂商二）

图6 太阳模拟器测试曲线（厂商三）

图7 多次频闪式太阳模拟器测试曲线

图8 多次频闪式太阳模拟器的单个脉冲曲线

3 太阳模拟器不稳定性测试装置的验证

太阳模拟器不稳定性测试装置建立后，可以用不同方法对装置进行验证。首先，可以通过采用高稳定度标准光源（如溴钨灯等）对装置中标准太阳能电池的稳定性进行验证。在规定的时间内按照设定的时间间隔，对标准太阳能电池输出光电流经采样电阻I-V转换后用数字电压表进行测量。由不稳定度(%)= (Max-Min)/(Max+Min)×100%，计算得到标准太阳电池的不稳定度[5]。

此外，还可以采用时间和光强已知的脉冲LED光源来进行校准，通过将测试结果与LED已知曲线进行对比，校准该装置对瞬态（脉冲）太阳模拟器的测试结果。同时，还可以利用稳态太阳模拟器（或者发光强度标准灯）和斩波器来考察仪器的时间分辨力。在光度测量装置上，采用稳态太阳模拟器（或发光强度标准灯）和斩波器，根据需要调节斩波器的输出频率，通过斩波器频率和测试装置的测量结果来校准时间分辨力[6]。

4 结语

上述介绍了太阳模拟器不稳定性的测试方法和测试装置的验证方法，由于测试结果的优劣不仅取决于模拟器的质量，也与测试的标准器和环境因素有着很大的关系，因此在测试前必须保证光谱仪、标准电池片和电测仪表等设备经过上一级标准检定或校准，从而保证测量结果的准确性和可溯源性。另一方面，测试现场的室内温度和环境光也会对数值结果产生一定的影响，因此在实际测试过程中，应尽量使环境温度维持在25℃并减小模拟器以外其他光源体产生的光线对测试的影响。一般情况下，稳态模拟器的辐照度不稳定性优于瞬态模拟器，长脉冲模拟器的辐照度不稳定性优于多闪或短脉冲类型的模拟器。在实际测试中，可以根据测试的需要以及资金投入，选择合适类型的太阳模拟器。

[1]罗小平，蒋建辉，刘唐书，等.浅谈太阳模拟器选择的技术要点[J].中小企业管理与科技(上旬刊)，2011（07）：329-330.

[2]International Electrotechnical Commission.IEC 60904-9-2007 Edition 2.0[S].Geneva，2007.

[3]杜景龙.碟式斯特林太阳热发电系统太阳模拟器的设计与实验研究[D].北京：中国科学院研究生院，2011.

[4]熊利民.计量在太阳光伏产业上的应用[J].上海计量测试，2010（02）：2-5.

[5]孙皓.太阳电池及相关测试设备的计量方法研究[D].北京：中国计量科学研究院，2010.

[6]全国光学计量技术委员会.JJF 1330-2011[S].北京：中国计量出版社，2010.