太陽(yáng)能模擬器用于室內(nèi)模擬太陽(yáng)光，LED 因高效、長(zhǎng)壽命在其設(shè)計(jì)中受關(guān)注。國(guó)際電工委員會(huì)的IEC 60904 - 9:2020標(biāo)準(zhǔn)更新，引入新光譜范圍、A + 類光譜要求等準(zhǔn)則，Luminbox全光譜LED太陽(yáng)模擬器，致力于滿足大面積均勻光照的嚴(yán)格要求，以A+AA+綜合性能，實(shí)現(xiàn)光譜精準(zhǔn)、輻照均勻與運(yùn)行穩(wěn)定的三重突破，通過(guò)權(quán)威認(rèn)證，為科研與工業(yè)測(cè)試提供高可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的全光譜光照解決方案。

太陽(yáng)模擬器的核心作用

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太陽(yáng)模擬器的主要功能是復(fù)現(xiàn)太陽(yáng)光譜，是一種能夠在室內(nèi)條件下對(duì)太陽(yáng)能電池特性進(jìn)行可控測(cè)量的設(shè)備。傳統(tǒng)的太陽(yáng)模擬器通常使用氙燈或鹵素?zé)?/strong>作為光源，但這些光源存在能耗高、壽命短、光譜匹配度有限等問(wèn)題。

相比之下，LED光源具有顯著優(yōu)勢(shì)：

高效節(jié)能：LED的功率轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光源。

長(zhǎng)壽命：LED的使用壽命可達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)，遠(yuǎn)勝氙燈。

精準(zhǔn)調(diào)控：通過(guò)組合不同波長(zhǎng)的LED，可以更靈活地匹配太陽(yáng)光譜。

模型與計(jì)算方法：

多光譜優(yōu)化探尋最優(yōu)解

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本文旨在通過(guò)一系列模擬，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中最新定義的準(zhǔn)則，對(duì)基于LED 的以及 LED 與鹵素?zé)艋旌系奶?yáng)模擬器進(jìn)行優(yōu)化。

研究人員在研究中考慮了15 種光源光譜。為確定滿足A + 類光譜要求的最少光源組合，他們先通過(guò)數(shù)值優(yōu)化找到初步的光源子集，之后再添加光源以降低光譜失配。在這一過(guò)程中，Matlab 優(yōu)化工具箱里的 fmincon 求解器發(fā)揮了重要作用，它能幫助研究人員找到滿足約束條件的非線性多變量函數(shù)的最小值。

光源模型表

A+太陽(yáng)能模擬器的最小光源集

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研究發(fā)現(xiàn)僅用四種LED 光源就能實(shí)現(xiàn) A + 類光譜，如 L4.1 和 L4.2 配置。L4.1 配置保留了與之前研究中相同的光譜覆蓋，但光譜偏差有所增加；L4.2 配置由于采用了 1050nm 的 LED，光譜覆蓋更高且偏差更低，這得益于其與標(biāo)準(zhǔn) AM1.5G 光譜中大氣傳輸窗口的匹配。

AM1.5G 參考光譜與經(jīng)調(diào)整的太陽(yáng)能模擬器光譜圖

降低光譜失配因子

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盡管L4.1 和 L4.2 配置滿足 A + 類光譜要求，但它們的光譜失配因子符號(hào)相反。通過(guò)混合這兩種配置的光源形成 L5 配置，并添加 365nm 的 UV LED 得到 L6 配置，能顯著降低光譜失配因子，同時(shí)提高光譜覆蓋、降低光譜偏差。

L4.1、L4.2 及混合配置 L5 的光譜圖

展示不同配置太陽(yáng)能模擬器光譜，以及L5、L6 配置下光譜失配因子與 365nm UV LED 輻照度關(guān)系圖

提高光譜覆蓋

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鹵素?zé)舻膶捁庾V特性為提高1100-1200nm 的光譜覆蓋提供了有效途徑。例如 H5 配置，僅用五種不同類型的光源就實(shí)現(xiàn)了較高的光譜覆蓋；H6 配置在此基礎(chǔ)上添加 405nm LED，進(jìn)一步提升了光譜覆蓋，且光譜失配因子也處于較低水平。

H8 配置太陽(yáng)能模擬器光譜及光譜失配因子與 k 關(guān)系圖

不同照明光譜下模擬的j-v 曲線

電流 - 電壓特性模擬

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通過(guò)模擬不同光譜照射下硅光電池的電流 - 電壓特性發(fā)現(xiàn)，僅 LED 的模擬器短路電流密度比標(biāo)準(zhǔn) AM1.5G 光譜高 12%，而混合了鹵素?zé)舻哪M器短路電流值更接近標(biāo)準(zhǔn)值，開(kāi)路電壓差異則較小。這表明混合模擬器在模擬真實(shí)太陽(yáng)光方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

L6 模擬器原始和 a-Si 優(yōu)化光譜，以及光譜失配因子與 740nm LED 輻照度關(guān)系圖

H5 模擬器原始和 a-Si 優(yōu)化光譜，以及光譜失配因子與 740nm LED 輻照度關(guān)系

設(shè)計(jì)的可制造性

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研究人員以之前的太陽(yáng)能模擬器為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)的可制造性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加365nm 和 1050nm 的 LED 后，能在一定程度上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。雖然集成鹵素?zé)舸嬖诩夹g(shù)挑戰(zhàn)，但實(shí)驗(yàn)證明在現(xiàn)有模擬器的尺寸范圍內(nèi)，有望實(shí)現(xiàn)混合太陽(yáng)能模擬器的光譜優(yōu)化，不過(guò) 1050nm LED 的功率或布局還需進(jìn)一步優(yōu)化。

混合太陽(yáng)能模擬器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖

研究結(jié)論：開(kāi)啟新的研究方向

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研究表明，利用新定義的光譜范圍和LED 的特性，僅用四種不同類型的光源就能構(gòu)建 A+類太陽(yáng)能模擬器。通過(guò)精心設(shè)計(jì) LED 組合，可大幅降低光譜失配因子。調(diào)整 740nm LED 的輻照度對(duì)不同類型光電池的光譜失配影響不同，可用于同時(shí)優(yōu)化針對(duì)多種光電池的太陽(yáng)能模擬器，但可能需要在光譜等級(jí)上做出一定妥協(xié)。此外，使用鹵素?zé)?/strong>能有效提高光譜覆蓋，混合模擬器在性能上表現(xiàn)更優(yōu)。實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了部分優(yōu)化設(shè)計(jì)的可制造性，為后續(xù)研究和實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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全光譜大面積LED太陽(yáng)模擬器

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全光譜大面積LED太陽(yáng)模擬器以A+AA+綜合性能，實(shí)現(xiàn)光譜精準(zhǔn)、輻照均勻與運(yùn)行穩(wěn)定的三重突破，通過(guò)權(quán)威認(rèn)證，為科研與工業(yè)測(cè)試提供高可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的全光譜光照解決方案，推動(dòng)精密光學(xué)實(shí)驗(yàn)邁向更高精度與可重復(fù)性。

1.A+級(jí)光譜匹配：300-1200 nm全覆蓋，誤差≤1%（IEC標(biāo)準(zhǔn)）。

2.高均勻輻照：45cm×45cm區(qū)域不均勻度僅1.8%（A級(jí)）。

3.超穩(wěn)運(yùn)行：20分鐘波動(dòng)≤0.5%（A+級(jí)）。

4.權(quán)威認(rèn)證：國(guó)家計(jì)量院校準(zhǔn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)。

5.工業(yè)級(jí)設(shè)計(jì)：適配光伏、材料、光催化等多場(chǎng)景。

LED太陽(yáng)模擬器的誕生，標(biāo)志著光伏測(cè)試技術(shù)從“經(jīng)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)”全面轉(zhuǎn)向“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”。Luminbox全光譜大面積LED太陽(yáng)模擬器的模塊化設(shè)計(jì)、光譜可編程特性與長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性，不僅為實(shí)驗(yàn)室研究提供了可追溯、可復(fù)現(xiàn)的光照基準(zhǔn)，更突破了傳統(tǒng)光源在工業(yè)級(jí)大規(guī)模測(cè)試中的效率瓶頸。

原文參考：《Rational selection of light sources for LED-based solar simulators》

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