A级太阳模拟器的光谱校正

３．１理论结果
经计算，高压脉冲氙灯光谱经过该膜系后，相对
光谱强度如图３。由图３可知，结果较理想，氙灯光
谱基本在ＡＭｌ．５附近。
１
ｌ
ｌ
．１ ＡＭｌ．５
脉冲氙灯
∥ ‰ 秽 一
ｌ Ｏ
越骥靛罂 Ｏ
Ｏ Ｏ
Ｏ
图３校正后的氙灯光谱与ＡＭｌ．５光谱图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ印ｄｍｕ鹏ｏｆ ｔｈｅ ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ Ｘｅ ｌａｍｐ ａｎｄ ＡＭＩ．５
际镀制，用八棱柱管代替圆柱管做基片以降低成本，实测结果表明模拟效果很好，达到Ａ级太阳模拟器标准。
关键词：太阳模拟器；ＡＭｌ．５；膜系设计；基片
中图分类号：ＴＫ５１
文献标识码：Ａ
Ｏ引 言
为了统一衡量地面太阳电池的性能，美国和欧 洲提出了地面用太阳电池测试的阳光辐照度标准 ＡＭｌ．５。由于户外环境多变，为了准确测量地面太 阳电池，就需要人工模拟ＡＭｌ．５标准太阳光谱辐照 度。目前太阳模拟器中的光源大多采用高压脉冲氙 灯，但此光源的光谱与ＡＭｌ．５标准太阳光谱差距很 大，主要表现为：脉冲光源的光谱线谱太强。这对太 阳电池的测试结果有很大影响。本文利用薄膜光学 理论设计滤光膜对光源光谱进行校正。、
利用Ｍａｃｌｅｏｄ软件，采用综合法中的Ｎｅｅｄｌｅ法、 Ｎｅｅｄｌｅ－Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ法，然后根据优化结果及目标，手动 调整再优化，反复优化计算。最终采用如下膜系：
（６８．９０Ｌ ４９．８６Ｈ）＾３（１７７．００Ｌ １３２．００Ｈ）＾４
Ｌ＝Ｓｉ０２ Ｈ＝Ｚ如 ２．２．４基片设计
光源为长３５０ｍｍ、直径１０ｍｍ的管状氙灯。理想 的滤光片应采用长３５０ｍｍ、外直径５０ｍｍ、厚３ｍｍ的 石英玻璃管，然后套在灯管上。考虑到基片大，在镀 膜机上不好镀膜，且还需定做夹具、对镀膜机进行改 装，这样不但成本高而且石英玻璃管上的膜厚均匀 性不好。因此，我们采用正八棱柱管代替圆柱管，正 八棱柱管是由８个截面形状为梯形、长３５０ｍｍ的薄 片拼接而成。这会导致从光源发出的光线大部分不 能垂直入射到滤光片上，而使得入射角从００．２２．５０ 连续变化，使膜系的透过率曲线向左有小的偏移。 如图２，随入射角增大，透过率曲线左移，但经过计 算，这对光谱校正结果影响不大。
１膜系设计理论与方法
１．１基本理论ｎ１ 考虑一般膜层系统，假定该膜层系统的入射介
质与出射介质都是无吸收的，于是这个膜层系统的 干涉矩阵可表示为：
（纠，虱矗；，弘警７眦＋。）㈩
其中位相厚度为：
否，＝等沁以ｃ鸺舀，＝孥（巩一业，）４ｃｏｓ舀， （２）
于是一般膜层系统的反射率为：
‘尺＝（ｑｏＢ＋Ｃ／（黼）。 （３）
收稿日期：２００７－０７－．０６ 通讯作者：彭小静（１９８２一），男．硕士研究生，主要从事太阳能领域相关研究。ｚａｎｆ＠ｓｊｔｕ．ｅｄｕ．∞
万方数据
ｌｌ期
彭小静等：Ａ级太阳模拟器的光谱校正
１３２５
２．２膜系设计 ２．２．１设计目标分析
由图１可知，波长在３００～８００ｎｍ的氙灯光谱接 近连续谱，在８００～１１００ｎｍ之间有多个强烈的线谱。 要使脉冲氙灯光谱很好地模拟ＡＭＩ．５标准太阳光 谱，理想膜系的透过率（目标透过率）曲线就会在３００ —８００ｎｍ较平滑，而在８００～１Ｉｏｏｎｍ出现许多尖峰。 理论设计膜系的透过率与目标透过率完全吻合几乎 是不可能的。不过太阳模拟器Ａ级标准（表１）并不 要求氙灯光谱与ＡＭＩ．５标准太阳光谱完全吻合，只 是要求各波段辐射能量比例达到一定范围。由表Ｉ 可知，氙灯波长在５００～７００ｒｉｍ相对光谱能量比 ＡＭＩ．５相对光谱能量低，而波长在９００—１１００ｎｍ又 太高，与Ａ级标准要求相差甚远。因此，只需设计合 适的膜系调整这几个波段的能量分布以满足Ａ级标 准要求。 ２．２．２膜层材料选择
第２９卷第１１期 ２００８年１１ Ｊ】
Ｖ０１．２９．Ｎｏ．１ｌ Ｎｏｖ．．２００８
Ａ级太阳模拟器的光谱校正
彭小静，徐林，郭 泽
（上海交通大学物理系太阳能研究所，上海２００２４０）
摘要：提出一种太阳模拟器光谱校正滤光膜的设计方法：通常的太阳模拟器利用高压脉冲氙灯模拟太阳光，但脉冲氙
灯的线谱较强。该文用Ｍａｃｌｅｏｄ薄膜设计软件对所需膜系进行理论设计与分析，给出理想膜系的理论滤光结果，并进行实
１４４９．
［５］林永昌．Ｎｅｅｄｌｅ－Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ法膜系自动设计［Ｊ］．光学仪
［５］‰器Ｙｏ，ｎ１ｇ９ｃ９ｈ９ａ，ｎ２ｇ１．：Ｃ卜０１８１ｔ．ｉＩ垮ａｕｔｏ蚴ｗｉｔｈ ｌ＇ｌｅｅｄｌｅ ａｎｄ ｔｕｎｎｅｌ— ｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｓｔｎｕ豫ｎｔｓ，１９９９，２１：卜１１．
１００
８０ 冰
蒋６０
落４０
２０
０ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ ９００ ｌｏｏｏ １１００
波长／ｒｉｍ
图２膜系在００、１２。、２２．５０入射角的透过率曲线
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ Ｉｒａｎｓｍｉｔｌａｎｅｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｆｉｌｍｓ
ｉｎ ０，１２，２２．５ｄｅｇ ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ
３结果与分析
魁０．６
懿
Ｏ．３
Ｏ．２
０．１ ０．０
３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ８００ ９００ １０００ １１０（ 波长／ｎｍ
图６氙灯经校正后实测光谱与ＡＭＩ．５标准光谱 ｒｉｇ．６ Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ８ｐ∞ｌｌ＇ｕｍ ｏｆ Ｘｅ ｈｍｐ ａｆｔｅｒ
ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｐｅ曲ｍｍ ｏｆ ＡＭｌ．５
４结 论
本文通过设计薄膜滤光片对脉冲氙灯光谱进行 校正，使其校正后符合标准ＡＭｌ．５太阳光谱的Ａ级 匹配标准。根据实际镀膜可行性，重新设计基片形 状。最终得到实测结果与理论结果吻合很好。该滤 光片解决了目前太阳模拟器中脉冲氙灯光谱与 ＡＭｌ．５标准太阳光谱相差太大的问题。这使太阳模 拟器能更好地测试太阳电池各项性能。
Ｆｉｇ．４＇Ｉｌａｅ ｔｌｍｌｓｍｉｔｔａｎｃｅ‘．ｔｌｌ、ｃｅ ｏｆ
ｄ桃 ｔｈｅ ３％ｒｅｌａｔｉｖｅ
万方数据
太
阳
能学报
表１校正前后氙灯光谱与ＡＭｌ．５光谱能量表 Ｔａｂｌｅ ｌ Ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ Ｘｅ ｌａｍｐ ｂｏｆｏｒ ｏｒ ａｆｔｅｒ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ＡＭＩ：５
２０００，２７：１２－一１５．
ＴＨＥ ＳＰＥＣＴＲＡＬ ＣＡＬⅡＩＲＡＴＩｏＮ ｏＦ ＴＨＥ ＣＬＡＳＳ Ａ ＳｏＬＡＲ Ｓｎ仉Ⅱ．ＡＴｏＲ
（＆／ａｔ Ｅｎｅｒｇｙ ｌｎａ／ｔＴａｅ，ＯｅｐａＰｎｅ，ｎ，ｇ删ｏＸｙｉＰａｈｏｙｊｓｉｉｃｎｓｇ，，霸Ｘ喇ｕ ＪＬｉａｉｏｎｔ， ｏｎｇＧｕｌｏＪ，Ｚ，ｉｅ，ｍｉｔｙ，ＳＩｌ蜊２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
后，再采用通用的数字优化方法，如黄金分割法、正
切法、共轭梯度法、ＢＦＧＳ法、阻尼最ｄｘ－－乘法等，来
进一步寻优。
２设计膜系
２．１原始光谱数据 图１是ＡＭｌ．５标准太阳光谱㈦和实测高压脉冲
氙灯光谱（测量仪器是海洋光学ＨＲ２０００光谱仪）。
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波长／ｎｍ
图１脉冲氙灯光谱和ＡＭＩ．５标准太阳光谱 Ｈｇ．１ １ｋ ｓｐｅｃ咖哪ｏｆｔｈｅ ｐｕｌｓｅ Ｘｅ ｌａｍｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｓ窿Ｉｎｄａ—ｓｏｌａｒ ８ｐｅｃ－ｑｌ＇ｌｎｌｌ ｏｆ ＡＭｌ．５
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｔｅｒ ｆｉｌｍ ｏｆ ｓｏｌａｒ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｗ船ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ：ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｐｕｌｓｅ Ｘｅ ｌａｍｐ ＷＩｌｌＳ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｓｏｌａｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｓ ｕｓｕａｌ ｓｏｌａｒ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ．ｂｕｔ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ Ｘｅ ｌａｍｐ ｗｅｒｅ ｖｅｒｙ ｓｔｒｏｎｇ．Ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｌａｙｅｒｓ ｗｈａｔ ｎｅｅｄｅｄ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｏｎ ｔｈｅｏｒｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ Ｍａｅｌｅｏｄ．Ｔｈｅ ｔｈｅｏ— ｒｅｔｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｉｄｅａｌ ｆｉｌｍ Ｗ１１８ ｏｆｆｅｒｅｄ．Ｔｈｅ ｆｉｌｍ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｐｌａｔｅｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌｌｙ．Ｔｈｅ ｓｕｂｓｔｍｔｅ ｏｆ ｃｏｌｕｍｎ ｐｉｐｅ ＷｌｔＳ ｉｎ— ｓｔｅａｄ ｏｆ ｌｉｎｇ－ｅｉｇｈｔ ｐｉｐｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｇｏｏｄ ａｎｄ ａｃｃｏｒｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｌａｓｓ Ａ ｓｏｌａｒ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ ｓｔａｎｄａｒｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒ ｓｉｍｕｌａｔｏｒ；ＡＩＶｌｌ．５；ｆｉｌｍ ｌａｙｅｒ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｕｂｓｔｒａｔｅ
理论校正前后各波段光谱能量数据如表ｌ。由 表１可知，校正后各波段氙灯ＩＡＭＩ．５的比值符合Ａ 级标准要求，大部分比值在Ｉ附近，结果非常好。
３．２理论误差分析
图４是膜层厚度在相对误差为±３％内产生５ 组随机偏差的膜系透过率曲线。膜层厚度相对误差
为±３％，对结果影响不大，可接受。
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波长／ｎｍ 图４相对误差为３％的透过率曲线
透射率为：
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竺翌！盈！！
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１一（珈Ｂ＋Ｃ）（ｒ／ｏＢ＋Ｃ）。
１．２优化设计方法 通常膜系优化设计采用综合法［３１优化任意初始
膜系的层数，直到基本满足给定指标。适合于综合
法的膜系优化方法有Ｎｅｅｄｌｅ法ＨＪ、Ｎｅｅｄｌｅ．Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ 法‘５｜、基于整体退火遗传算法哺］、基因算法等。然
图６是高压脉冲氙灯经过滤光管校正后实测光
谱与ＡＭｌ．５标准太阳光谱。对应各波段能量比值
由表２给出。
由图６可知，氙灯在长波的强烈线谱大大减弱
了，并且光谱基本在ＡＭｌ．５标准太阳光谱附近，校
正结果较好。从表２数据可知光谱能量分布已达到
Ａ级标准，与理论结果基本吻合，但有小的偏差。相
１．Ｏ ｏ．９ ０．８ ０．７
７．８１４６ ６．９８９７
０．７７０８ １．１１８０
１０００～１１００
９．４３８７
８．１０４３
１．１６４７
对理论结果来看，波长在５００～６００ｎｍ问的光谱能量 比重过高，在８００～９００ｒｉｍ间的光谱能量比苇稍低， 主要原因是膜系镀制过程中带来的各种误差包括折 射率偏差、膜层厚度偏差等，此外还有可能足滤光管 的装配与灯管不共轴而带来的入射角超出预期范围 引起的误差，这为后期进一步改进滤光片设计起到 了指导作用。
［２］电池标准汇编．太阳电池卷［Ｍ］．中国标准出版社，
２００Ｂ．
［２］ｓｏｌａｒ ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｅｒｉｅｓ．Ｖｏｌｕｍｅ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ［１Ｖ１］．Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｐｒｅｓｓ
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［３］“Ｌ，Ｄｏｂｒｏｗｏｌｓｋｉ Ｊ Ａ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｓｐｅｅｃｌｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｏｐｔｉ－ ｅａｌ ｔｈｉｎ－ｆｉｌｍ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌ Ｏｐｔ，１９９２，３１：
［６］叶美盈．基于整体退火遗传算法的膜系设计方法［Ｊ］． 光电工程，２０００，２７：１２一１５．
［６］Ｙｅ ｌ、ｆｌｅｉｙｉｎｇ．Ａ ｃｏａｔｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ａ ｗｈｏｌｅ加－ ｎｅａｌｉｎｇ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｎｉｔｈｍ ｌ Ｊ Ｊ．Ｏｐｔｏ－Ｅｌｅｅｔｒｏｎｉｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，
２９卷
图５是各膜层的敏感度图。由图可以看出膜系 的第１２层对厚度变化最敏感，第７层和１３层次之，其 他膜层均不敏感，在实际镀膜时需特别注意这３层。
４０
３０ 魁
嘎 靛２０
ｌＯ
０ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ｌＯ ｌ ｌ １２ １３ １４ 层数
图５膜层灵敏度图
Ｆｉｇ．５
３．３实测结果
Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｅｍｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｌａｙｅｒｓ
万方数据
１１期
彭小静等：Ａ级太阳模拟器的光谱校正
１３２７
［参考文献］
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ＩｆｌＩ岫Ｐｒｅ鹪，１９９０． Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｎａｔｉｏｎａｌ １）ｅｆｅｎｅｅ
表２实测氙灯经滤光管后光谱能量与ＡＭｌ．５光谱能量
Ｔａｂｌｅ ２
Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ Ｘｅ ｌａｍｐ ａｆｔｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｏｆ ＡＭＩ．５
波长，姗絮篡誉繁？意翼篙是标盒卺值
３００～４００
５．Ｕ８１２
５．８６ｌｌ
０．８６６９
４００—５００
１５．７２７６ １７．４１３２
０．９０３２
５００～６００
２２．８８９０ １８．９９０６
１．２０５３
６００—７００ ７００～８００
１８．８８９４ １７．２５８２
１１．１８２５
１３．７３６２
１．０９４５ ０．８１４１
Ｏ．７５—１．２５
８００～９００ ９００～１０００
８．９７６９ １ １．６４６８
由于要求波长范围很宽，所以选择的材料必须 在波长为３００～１Ｉｏｏｎｍ之间是透明的。考虑到材料 的折射率、机械强度、化学稳定性及膜层与膜层、膜 层与基片问的附着力及实际镀膜的可行性，最终选 择低折射率和高折射率材料分别为：Ｓｉ０２，，Ｉ＝
１．４６９６；Ｚ１０２，ｎ＝２．０３０８；参考波长为４０５ｎｍ。 ２．２．３膜系设计
３７９伊一３７９９．
［４］ 周 健，秫永昌．一种新的膜系设计方法Ｎｅｅｄｌｅ法
［Ｊ］．光学学报，１９９７，１７：１４４５ｍ１４４９．
［４］Ｚｌａｏｕ Ｊｉａｎ，Ｌｉｎ Ｙｏｎｇｃｈａｎｇ．Ａ ｎｅｗ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｄｅｓｉｇｎ－
Ｎｅｅｄｌｅ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｏｐｔｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，１９９７，１７：１４４卜