在現(xiàn)代能源研究與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，太陽(yáng)光模擬器是評(píng)估太陽(yáng)光電池性能的關(guān)鍵設(shè)備。傳統(tǒng)的氙閃燈或短弧燈作為光源，存在壽命短、重新加載時(shí)間長(zhǎng)和校準(zhǔn)程序繁瑣等問(wèn)題，如今，隨著高功率LED 技術(shù)的不斷進(jìn)步，一款新型的可調(diào)諧 LED 太陽(yáng)光模擬器應(yīng)運(yùn)而生，其研發(fā)成果為該領(lǐng)域帶來(lái)了新的希望與發(fā)展方向。Luminbox太陽(yáng)光模擬器采用先進(jìn)光學(xué)技術(shù)，能夠精準(zhǔn)模擬自然太陽(yáng)光譜，確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)太陽(yáng)光照條件高度一致。

研發(fā)背景與目的

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傳統(tǒng)太陽(yáng)光模擬器通常采用氙閃燈或短弧燈來(lái)模擬AM1.5G光譜，然而這類設(shè)備存在顯著弊端：光源壽命較短，更換成本高且會(huì)對(duì)生產(chǎn)效率產(chǎn)生影響；閃光發(fā)生器加載時(shí)間長(zhǎng)，造成測(cè)試通量低下；校準(zhǔn)程序復(fù)雜且耗時(shí)，難以保障測(cè)量精度。

有鑒于此，研究人員致力于讓模擬器覆蓋硅基太陽(yáng)電池所需的紫外（UV）至近紅外（NIR）全光譜范圍，通過(guò)提升測(cè)量精度、降低維護(hù)成本，為電池研發(fā)與生產(chǎn)提供高效的測(cè)試方案。

LED 光源設(shè)計(jì)

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目標(biāo)光譜與靈活性

模擬器的目標(biāo)光譜范圍設(shè)定為350 - 1100nm。在模擬全光譜時(shí)，會(huì)優(yōu)化每個(gè)LED 的正向電流，使其滿足相關(guān)規(guī)范要求。而且，LED 光源的靈活性可讓用戶根據(jù)具體應(yīng)用需求，靈活匹配光譜。

LED選擇：多波段組合：紫外（365-400nm）、藍(lán)（450nm）、綠（530nm）、紅（630-660nm）、近紅外（800-1000nm）等。下圖展示了太陽(yáng)光模擬器期望達(dá)到的光譜效果，體現(xiàn)了對(duì)不同波長(zhǎng)光的調(diào)控目標(biāo)，以及與標(biāo)準(zhǔn)光譜的匹配關(guān)系。

太陽(yáng)光模擬器的目標(biāo)光譜圖

可見(jiàn)光區(qū)域

采用高功率LED 覆蓋可見(jiàn)光區(qū)域雖相對(duì)容易，但通過(guò)紅、綠、藍(lán)三色組合生成白光時(shí)，易在 560nm 附近形成光譜間隙。該模擬器通過(guò)避免使用白光LED 方案，有效填補(bǔ)了綠色（525nm）至黃色（590nm）光譜區(qū)間的空白，在保持全光譜區(qū)域可調(diào)性的同時(shí)，無(wú)需額外補(bǔ)償模塊。

紫外線區(qū)域

LED 光譜分布具有一定寬度，在紫外線區(qū)域可利用這一特點(diǎn)填補(bǔ)不同LED 基本波長(zhǎng)之間的間隙。通過(guò)疊加多個(gè)近似高斯分布的函數(shù)，使光譜總和達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)。雖然UV 區(qū)域高功率 LED 數(shù)量較少，但所需正向電流低于最大允許電流，延長(zhǎng)了 LED 使用壽命。下圖中窄線展示了三個(gè)不同波長(zhǎng)LED 的輻照度隨波長(zhǎng)的變化，展示了在紫外線區(qū)域?qū)崿F(xiàn)光譜匹配的方法和原理。

紫外區(qū)域的模擬細(xì)節(jié)圖

近紅外區(qū)域

研究人員組裝了包含6 種不同 LED 的測(cè)試頭進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)一致。通過(guò)單獨(dú)調(diào)節(jié)正向電流，可填補(bǔ)光譜間隙，并滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光譜強(qiáng)度的要求。與傳統(tǒng)氙燈光譜相比，LED 光譜強(qiáng)度變化更平滑，能減少因光譜峰值不穩(wěn)定帶來(lái)的測(cè)量不確定性。下圖展示了在近紅外區(qū)域的測(cè)量結(jié)果和理論曲線，通過(guò)對(duì)6 個(gè)不同 LED 的測(cè)試和測(cè)量，驗(yàn)證了模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，表明可以通過(guò)調(diào)節(jié)正向電流來(lái)匹配太陽(yáng)能光譜強(qiáng)度要求。

紅外區(qū)域的測(cè)量圖

光學(xué)設(shè)計(jì)

當(dāng)前IR - LED測(cè)試頭中的高功率光源均勻性不足。未來(lái)將通過(guò)構(gòu)建密集LED 陣列，并改進(jìn)鏡通道作為均化元件，解決這一問(wèn)題。

結(jié)論與展望

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目前，可調(diào)諧LED 太陽(yáng)光模擬器已具備良好的時(shí)間穩(wěn)定性，但在均勻性方面距離理想標(biāo)準(zhǔn)仍有較大提升空間。光譜匹配方面，模擬顯示可與目標(biāo)光譜緊密匹配，近紅外區(qū)域的首次測(cè)量也證實(shí)了模擬光譜的可行性。隨著先進(jìn)冷卻技術(shù)的應(yīng)用，有望實(shí)現(xiàn)全強(qiáng)度、全光譜照明，為相關(guān)領(lǐng)域提供具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的新型光源。

Luminbox太陽(yáng)光模擬器

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Luminbox太陽(yáng)光模擬器采用先進(jìn)光束準(zhǔn)直技術(shù)與高均勻光斑設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)AM1.5G太陽(yáng)光譜，輻照輸出穩(wěn)定，為實(shí)驗(yàn)室提供高效可靠的光照測(cè)試解決方案。

AAA級(jí)性能：光譜匹配度符合IEC60904-9標(biāo)準(zhǔn)AAA級(jí)，可達(dá)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)精度；

長(zhǎng)效穩(wěn)定：優(yōu)化光源設(shè)計(jì)大幅降低維護(hù)頻率，減少校準(zhǔn)與停機(jī)時(shí)間，提升實(shí)驗(yàn)效率；

應(yīng)用場(chǎng)景：可選配光學(xué)濾鏡，靈活模擬室內(nèi)外日光環(huán)境，滿足多元測(cè)試需求。

未來(lái)，隨著高功率LED 技術(shù)的應(yīng)用，有望實(shí)現(xiàn)全強(qiáng)度、全光譜照明，Luminbox太陽(yáng)光模擬器致力于為科研與工業(yè)測(cè)試提供高精度、穩(wěn)定可靠的光源解決方案，也將在光伏產(chǎn)業(yè)、航天技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用，為人類對(duì)太陽(yáng)能的利用和探索提供更有力的支持。

原文出處:《Development of tunable close match LED solar simulator with extended spectral range to UV and IR》

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