低成本AAA级太阳能模拟器的研究

In process of solar cell production, fabrication, and research, solar simulator is one of the necessary parts. Its main function is to provide illumination which is stable and has a similiar spectrum with solar for reproducible solar cell measurement in laboratory. For the purpose, International Electrotechnical Commission (IEC) makes three reqirements for solar simulators, including spectrum, stability and illumination uniformity, and further classify them into level A, B, and C. For solar simulators reaching three A, it generally has a high cost. Based on low cost, this project aims to study spectrum, stability and illumination uniformity of solar cell. Three modules are included in the research, that is light path, light source and stablization control system, and implementation of the project aims to devolop a solar simulator meeting AAA requirement of IEC standard.

在太阳能电池生产、制作与研究的过程中，太阳能模拟器都是必不可少的一环。其主要职能是为太阳能电池在实验室内的可重复测试提供稳定且接近于太阳光谱的光照。为了达到这一目的，国际电工委员会（IEC）在三个方面对太阳能模拟器提出了要求，包括光谱、稳定性以及均匀性，并做为了A、B以及C三个等级的划分。而在以上三个方面均达到A级的太阳模拟器，造价都比较高。在低成本的基础上，本项目旨对实现太阳能模拟器的光谱、稳定性以及均匀性展开研究。研究的内容主要包括光路，光源以及稳定控制系统三个模块，通过本项目的实施旨在实现符合IEC标准要求的AAA级太阳能模拟器。

太阳能模拟器是一种提供近似太阳光照的系统，用于在室内环境中提供均匀、稳定和光谱相似的光 照。课题从设计、实现与测量三个方面入手展开研究。在设计方面，提出了两种光源发生器结构，包括：环型屏积分球结构、椭球-球型联合系统。通过优化与模拟，结果显示两者均能提供良好的均匀光照。由于后者具备更好的热稳定性，在实现环节中选择其作为基本结构。通过喷涂、激光切割等方式搭建了椭球-球型联合系统，并对散热、光照均匀度、混光特性等进行测量。结果显示，分离结构更有利于散热、且可以在出光口89.4%半径范围内，系统辐照不均匀性可控制在2%内，光谱分布的均方根误差在1.4%之内。通过本研究所提出的结构，可以为半导体光伏器件测试、医疗照明等领域提供参考光源。此外，为搭建系统、我们还给出了椭球反射镜在共轭焦平面光斑尺寸大小的估计公式，可以为基于椭球反射镜的系统设计提供依据。为测量出光特性，还基于光展量守衡提出了远场光图的平面测量方法，其可以为光源、微波源等器件的测量提供更为便捷的方法。