太阳模拟器的发展进展

太阳模拟器的发展进展
万松徐林
上海交通大学物理系太阳能研究所
摘要：太阳模拟器是一种在室内模拟太阳光的设备，在光伏行业，它主要用于太阳电池和组件的电性能测试、光老化试验，热板耐久试验等。

本文介绍了太阳模拟器的发展状况以及发展趋势。

首先本文对太阳模拟做了一个简单的概述，讲明我们为什么要使用太阳模拟器。

接着本文介绍了太阳模拟器的几种分类方式，使得对太阳模拟器的了解更加的细化与具体。

结合Photon International的调查结果，本文介绍了太阳模拟器的生产现状。

然后，本文介绍了太阳模拟器的实现原理和技术概要。

最后，本文介绍了太阳模拟器的未来的发展方向。

关键词：太阳模拟器；分类；现状分析；技术概要；趋势预测
1.太阳模拟器的用途与简介
太阳模拟器是一种在室内模拟太阳光的设备，在光伏行业，它主要用于太阳电池和组件的电性能测试、光老化试验，热板耐久试验等。

太阳电池是光谱选择性器件[1]，其光电灵敏度随太阳光谱分布变化而变化，如图1所示。

自然阳光光谱分布不稳定会影响光伏测试结果的可重复性，而且由于自然阳光的总辐照度无法调节，对其光谱分布与标准条件光谱的差异（光谱失配）进行校正时，需要实时监测阳光光谱，但太阳光谱测量的准确度上不高，据文献[2]报道：光谱测试在可见光区间的不确定度为4%，紫外区间和红外区间的不确定度为8%～10%。

所以，光伏测试尤其是太阳电池生产线上的测试，一般都是在太阳能模拟器提供的模拟光下进行的。

图1：不同光伏器件的相对光谱响应。

(a)晶硅和多晶硅光伏组件，(b)薄膜组件
人工模拟太阳光与自然阳光，两者之间的有如下优缺点，如表1-1所示：
表1：模拟太阳光与自然光性能比较
为了使光伏测试结果具有可比性，国际组织IEC规定了光伏器件的地面标准测试条件[3-4]（简称STC），它包含辐照总能量与光谱两层意思。

对于地面用太阳电池来说要满足总辐照度1000W/m2，光谱分布AM1.5；对航天用太阳电池来说要满足总辐照度1367W/m2，光谱分布AM0，如图2所示。

但是这是一种理想条件，现实中不可能直接获得，所以需要一种模拟标准太阳辐射的装置来为光伏器件测试提供光照，这种用灯光来模拟太阳辐射的装置叫做太阳能模拟器，并且IEC根据三个指标对不同的太阳模拟器进行了等级划分，如表二所示。

表2 IEC 标准中太阳模拟器等级分类[4]
图2：AM0与AM1.5光谱
2.太阳模拟器的发展现状
2.1 太阳模拟器的分类
太阳模拟器一种模拟太阳光进行太阳电池室内测试的设备。

太阳模拟器技术可以按照不同标准
进行分类，以下介绍四种常用的分类方法。

其中前三种是人们熟知的方式，他们是基于目标市场及等级分类，第四种方法是基于实现层面的分类。

2.1.1按测试面积分类
根据太阳模拟器的有效光照面积也就是目标市场的不同，一般可分为两大类：单片测试仪和组件测试仪。

单片测试仪常称为电池测试仪（cell tester）或IV测试仪（cell tester），它一般用于电池片工厂后端的功率测试及分选和组件工厂前端的功率测试及分选，测试面积较小，一般为100cm2到400cm2，可以满足常规的125、156太阳电池的测试。

组件测试仪，常称为太阳模拟器(solar simulator)，它一般用于组件工厂后端的出厂测试，测试面积较大，一般在1000mm*2000mm左右，它可以满足当前72片156晶硅一下的任何一种常规组件的出厂测试。

另外还有少部分的串测仪（String Tester），它是细长型的，一般为200mm*2000mm，主要用于组件层压之前的电压、电流匹配性测试。

目前匹配性测试已经逐渐的被EL测试仪所替代。

此分类下各类模拟器的特点如表3所示。

表3：太阳模拟器的面积分类
2.1.2按IEC等级分类
不论是购买电池测试仪还是组件测试仪，在购买之初最关心的就是模拟器的等级，根据上节中IEC标准的规定，可以将太阳模拟器按IEC等级划分。

和短板理论类似，IEC标准规定，在IEC等级的三个指标中，等级最差的那个作为太阳模拟器的最终等级。

在行业发展的初期，大部分的模拟器没有达到A级标准，随着行业的发展，人们对性能测试中测量准确性要求的提高，大部分与性能有关的测试已经全部在A级条件下进行。

因此，绝大多数的公司的产品达到了A级的要求。

此分类下各类模拟器的适应测试项目如表4所示。

表4：按IEC等级分类
2.1.3按光源脉冲时间分类
表5：按太阳模拟器光源的脉冲特性分类
根据太阳模拟器光源的脉冲特性和产生光的方式可以将太阳模拟器分为稳态模拟器、单脉冲模拟器、多次闪光模拟器。

稳态模拟器使用一个稳态光源作为太阳模拟器的光源，在做IV曲线时，它无需快速的测量与信号采集，主要用于研究所及研发、认证实验室。

通过多次它们各自的特性如表5所示。

单脉冲模拟器是通过一个持续时间为毫秒量级的亚稳态光脉冲完成IV曲线的，因此它对测试的速度要求很高，但这样有一个好处就是它无需专门的冷却装置，并且测试的速度很快。

多次闪光模拟器通过多次的闪光测量完成一个IV曲线上信号的采集，由于每次闪光的光强可能不同，因此测试的重复性不是很高。

对于大规模的工业生产来说，各电池组件生产线上使用最多的还是单脉冲太阳模拟器。

此分类下各类模拟器的特点如表5所示。

2.1.4按光源种类分
光源是太阳模拟器中最重要的部件，它直接影响到太阳模拟器的光谱，输出功率，以及使用的耐久性，因此我们可以根据太阳模拟器光源的不同对其进行分类[5]。

如表6所示。

表6：按太阳模拟器的光源分类
2.2 太阳模拟器的生产现状
根据行业信息网站Enf上面的厂商信息统计[9]，截至2011年5月1日，目前生产电池测试仪厂家有72家（其中国内26家），晶硅组件用太阳模拟器，83家(其中国内36家)。

薄膜组件用太阳模拟器有15（其中国内5家）。

表7：太阳模拟器产品分类，电池（电池）测试仪共83款，组件（组件）测试仪共86款
注：1，组合一列对应的（组合光源）模拟器中，组合灯其中一种必有氙灯，令配有卤素灯或者钨灯；2，T/HID
表示，对应于电池一栏的为钨灯Tungsten，对应于组件一栏的为HID灯；3，脉冲一列对应的单次和多次闪光灯的光源均为氙灯Xenon。

Photon International是太阳能领域的顶尖资讯类杂志，它的survey和test是其中最为优秀的模块。

该杂志每年在其6月刊和10月刊上定期发表的过去一年的太阳模拟器生产状况的调查报告[10-11]。

其中：6月份是太阳模拟器（solar Simulator）的调查，10月份是电池测试仪（IV cell tester and sorters）的调查。

该杂志2010年的调查报告中给出了25家公司86款太阳模拟器和29家公司83款电池测试仪的详细资料。

根据这份资料，我们对这些产品进行了分类，如表7所示。

从表7中可以得到一下信息：
a: 从IEC等级中看A级太阳模拟器占了主要的地位，这和当前行业对测试准确性的高要求相匹配，并且相对来说，用于电池测试中达到IEC A级要求的太阳模拟器比例要大于组件测试的，这是因为小的面积上更容易达到A级参数的要求，另外一方面就是相对于电池测试仪，低等级的太阳模拟器会有热斑测试，老练测试等市场。

b: 从脉冲时间看，对于电池测试仪连续光模拟器的数量多于脉冲模拟器的数量，而组件测试仪的结果恰恰相反。

这有两个方面的因素：一方面由于稳态组件测试仪的能耗大，所以对于散热的要求极为严格，一般都是需要水冷光源，另外还需要大面积的滤光片同样要带有冷却系统，这就导致稳态模拟器的技术要求高，造价贵；另一方面就是，对于组件测试仪来说，脉冲测试仪在完全能满足的常规的晶硅电池的性能（IV）测试。

随着100ms长脉冲太阳模拟器的出现，对于薄膜电池、多结高效电池等电容效应大的光伏器件来说，长脉冲模拟器完全可以满足这一类电池的测试需求。

c: 从光源方面看，氙灯由于光谱匹配性好，输出功率大，亮度高等因素，已经成为太阳模拟器的最主要的光源，它可以被广泛用于各类模拟器，特别是单脉冲模拟器和多次闪光模拟器。

其他的各种光源仅用作稳态太阳模拟器的光源，并且，这些光源的模拟器是个别厂家推出的产品，具有特殊性。

电池生产商在做太阳模拟器选型时可按Mantosh[12]介绍的方式选择最适合自己的太阳模拟器。

2.3 太阳模拟器的技术概要
一个常规的太阳模拟器由光源、储能供电电路、触发电路、电子负载、采集电路以及计算机等模块组成。

图4是一个单脉冲式太阳模拟器的原理示意图。

在整个太阳模拟器中，其中的关键部件可以分成六个模块，它们是：光源，储能供电模块，滤光系统，匀光系统，电子负载，软件系统。

图4：单脉冲式太阳模拟器原理图
2.3.1 光源
光源是太阳模拟器的重要部件，光源的选择对模拟器的设计起到关键的作用，可选的包括，氙灯，卤素灯，无极硫灯，HID灯，LED灯等。

不同的光源对驱动电源，滤光光路，均匀性光路有不同的要求。

在选择和设计光源时要尽量的考虑光源出射光谱与太阳光谱的匹配性，尽量减少滤光环节。

其中对于最常用的氙灯来说，分长弧氙灯，短弧氙灯两种类型。

对于稳态太阳模拟器来说，需要对氙灯光源进行风冷或者水冷。

2.3.2 电源模块
2.3.2.1 稳态模拟器电源
稳态模拟器电源的设计相对较为简单，主要是恒流和恒压以及调光控制，目前已经有很多公司生产独立的稳态电源，可以作为模块使用。

需要注意的是，太阳模拟器的供电电源是大功率器件，光源的点燃瞬间一般需要大的启动电压，而气体被击穿后瞬间产生大电流，这是会在空间中产生极强的电磁波，因此需要做好EMC方面的防护，以免烧坏其他器件。

另外当使用多灯照明时，需要考虑相互之间输出的功率匹配，因此一般会有一个输出反馈控制的回路。

2.3.2.2 脉冲模拟器电源
脉冲模拟器电源的设计较稳态模拟器要复杂的多，这其中的关键是毫秒量级亚稳态脉冲的获得。

对于常规晶硅电池，这个亚稳态脉冲一般要求要10ms左右，对于薄膜、聚光、多结高效电池等电容效应较大的电池这种亚稳态脉冲要达到100ms左右。

上海赫爽采用LC充放电网络来获得亚稳态脉冲，LC网络通过电容和电感级连的方式连接而成，最高可达到100ms，可以满足从晶硅到薄膜、多结电池的全系列测试。

2.3.3光谱匹配
达到IEC标准中辐照不均匀度和光谱失配度要求，是太阳模拟器设计中的两个难点。

图6给出了AM1.5的太阳辐射光谱和未滤光的脉冲氙灯以及卤钨灯的光谱比较。

(a) (b)
图6：(a)未滤光氙灯光谱与AM1.5,(b)光谱未滤光钨灯光谱，黑体辐射光谱与AM1.5光谱
图7：滤光片优化后透过率曲线图8：带有棱柱滤光筒的氙灯实物照
显然，对于氙灯而言，在近红外区光谱失配较严重。

这就需要设计专门的滤光片使模拟器光源经过滤光片后的光谱和AM1.5光谱之间的失配度在IEC相应等级的要求以内。

目前有些公司已经针对氙灯光源的这一特性设计了专门的滤光片，并投入市场，但是这种滤光片的价格很高，且面积较小[13]。

因此对于大面积太阳模拟器，仍需要特殊的定制化设计。

卤钨灯灯光源的光谱较太阳光谱差别较大，更需要特殊的滤光设计。

上海赫爽采用长弧氙灯作为太阳模拟器的光源，设计了达到A级光谱的八边棱柱筒的滤光结构，如图7-9，以及表8所示。

[14]
图9：滤光后的光谱与AM1.5光谱的比较图
表8：滤光前后太阳能模拟器光谱等级对比
2.3.4 均匀性匹配
按IEC等级，太阳模拟器要在其标定的辐照面内满足一定的均匀性要求。

对于小面积的太阳模拟器这一点比较容易达到，但是对于大面积的太阳模拟器均匀性设计一直是业界的一个难题，特别是对于大面积稳态太阳模拟器，需要使用复杂的光学结构。

太阳模拟器常用的匀光结构有两种：一种是镜面反射、透射为主的匀光结构，它一般采用灯阵、反射镜，透镜阵列等光学器件进行组合[15-16]；另一种是漫反射为主的匀光结构，主要通过封闭的漫反射环境来实现匀光。

台湾Allreal公司于2007年发布了业界第一台大面积稳态AAA级太阳模拟器Apollo系列，该系列模拟器采用了水冷氙灯，通过滤光片、光学透镜设计和多灯组合的方式达到A级的苛刻要求，其2200×2600mm的太阳模拟器报价高达150万美元，成为PI杂志调查中最贵的太阳模拟器[11]。

Apollo 太阳模拟器灯阵的组合方式如图10所示。

图10：Apollo太阳模拟器灯阵的组合方式[17]
2.3.4电子负载及数据采集
当前太阳模拟器并不仅仅是一个模拟太阳光的光源，它还包括了一整套的测试系统，特别是用于工业生产的太阳模拟器，一般头提供用于电池/组件性能测试的模块，以使生产商便捷的对电池/组件的性能进行测试。

太阳电池是一种非线性元件，在电池/组件的性能进行测试时，一般通过测试一整条IV曲线来判断太阳电池的性能。

当前业界主要使用电子负载代替真实负载进行IV曲线的测试。

对于脉冲式太阳模拟器，它仅有数十毫秒甚至几毫秒的亚稳态恒定光强，要在如此短的时间内完成整条IV曲线的测试，这要求使用快速电子负载。

当前太阳电池电流电压特性曲线的测试普遍采用四线制的接法，它可以消除接触电阻的影响。

为了得到精确的IV曲线，在电流采样时普遍采用多点采用，不同厂家的模拟器采样点数从几百点到上万点，当采样点数很大时，这就要求有更高位的A/D转换模块，业界目前普遍采用10位到16位的AD转换器件。

2.3.6 软件系统
软件系统是人机交换的窗口，一个良好的系统一定要有一个良好的软件和其相匹配。

对于太阳模拟器的测试模块必然也要有一个软件系统，它主要起到两个作用：一是系统控制；二是A/D采集信息的处理和分析。

系统控制方面，软件系统要做到控制的便捷化、自动化，以减少人对仪器的直接操作。

数据的分析与处理方面，首先是通过数据拟合出一条IV曲线，并通过这些数据给出太阳电池的相关参数，比如开路电压、短路电流、最大功率等信息，并且通过合适的算法给出串联电阻，并联电阻等信息。

由于LABVIEW软件具有良好的控制功能，并且自带很多优秀的算法模块，因此当前业界普遍采用这一软件搭建测试系统软件。

[18]
3.太阳模拟器的关键技术及发展方向
3.1更高的IEC等级
随着产业的发展，人们对精确测量有了越来越高的要求。

太阳模拟器生产厂商加入了太阳光谱匹配的竞争，这其中的佼佼者是瑞士的Pasan公司，该公司推出了更高等级的太阳模拟器，并定义为AA-AA-AA（或A+A+A+）模拟器，它的所有三个指标都比IEC标准中的A级要求提高了一倍[19]。

在2010年西班牙瓦伦西亚的第五届世界光伏会议上，他们做了提高太阳模拟器光谱匹配等级标准的建议[20]，当前莱茵TUV，Intertek等多家认证厂家选用了这一系列的模拟器。

不管这种提议是否会得到接收，其他的太阳模拟器生产厂商必须考虑到提高自身模拟器的质量以在未来的竞争中取得一席之地。

在这一方面，LED太阳模拟器或许是一条发展之路，同是在24th和25届光伏会议上，Th. Swonke和A. Lo等人展示了LED灯的超高光谱匹配[7]以及在长脉冲测试领域的应用[8]。

3.2 更快更匹配的测试速度
随着自动化生产线的普及，多层层压技术的出现，人们对测试仪吞吐量（throughout）的要求越来越高。

只有这样才能在有限的时间和空间里产出更多的瓦数的电池，降低企业的运营成本。

因此，更快，与自动化生产更匹配的太阳模拟器是未来发展的必然选择。

3.3 脉冲式模拟器成为规模化生产的首选，长脉冲模拟器应运而生
当前而言，太阳模拟器主要应用于电池、组件的性能测试领域，相对于耗电量大，维护率高的稳态模拟器，脉冲式模拟器更具有适应规模化生产的优势。

当前，晶硅电池对应的十毫秒级的模拟器占了主要的市场。

不过，随着薄膜、聚光、高效多结电池的出现，部分太阳模拟器生产厂家已经完成了长脉冲太阳模拟器的研发。

这样脉冲模拟器就可以在整个光伏领域占据主导优势。

3.4 光谱更匹配的光源和更简化的滤光、匀光装置
更高等级要求必然有更高的光源和光路要求。

光源方面，相比于传统的卤素灯，氙灯无疑是当前太阳模拟器的主流光源。

特别地，氙灯是一款优秀的脉冲光源，由于脉冲模拟器对稳态模拟器替代效应的出现，基于脉冲氙灯的太阳模拟器必然有越来越多的市场。

当然，随着无极灯、LED灯等新型光源的出现，可能也会有出现一些厂家尝试使用这些光源走出一条特殊的发展之路。

3.5 低噪的电子负载及电路，采样点的合理设置
必须记住，太阳模拟器不仅仅是模拟太阳光的装置，特别是对脉冲式太阳模拟器，它必须在短时间内完成数据的采集。

对比AD采样来说，更多的采样点，意味着更高的AD位数，也意味着更高的价格，因此必须优化采样点的位置，通过适当的采样得到IV曲线，而不是一味的追求采样点数的提高（由于线路噪声，AD转换噪声等的存在，大的采样点数并不一定带来更高精度的IV曲线）。

分区间及变间距采集应该是未来的发展趋势，这样就可以通过低位的AD模块完成高精度IV曲线的绘制，降低太阳模拟器的成本，让利于电池生产商，为光伏平价上网而努力。

3.6 扩展功能测试
除了IV测试意外，太阳模拟器可以增加更多的附属功能以满足电池生产商更多的分析需求。

可测暗IV特性的三象限测试方法；提取太阳电池的串联电阻的双光强测试或单脉冲多级测试；弱光测试功能；器件条码扫描识别等技术被越来越多的集成到太阳模拟器之中。

4.结尾
本文介绍了太阳模拟器的用途，并详细介绍了太阳模拟器的分类，生产现状，技术概要等内容。

电池生产商可以通过对本文的阅读了解太阳模拟器相关信息以方便自己的选型，模拟器生厂商可以通过本文的阅读思考自身的定位与发展，以在以后的竞争中取得更好的成绩。

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联系方式：snowwillbe@。