太陽光模擬器（又稱人造太陽、陽光模擬器）是一類可輸出接近自然太陽光光譜與輻照特性的照明設(shè)備，其核心目的是在實驗室條件下構(gòu)建可控的室內(nèi)測試環(huán)境，用于各類光敏工藝與材料的性能評估。該設(shè)備可測試太陽能電池、航空航天材料、塑料耐候性、光合作用機制、水處理及自由基反應(yīng)等，廣泛支撐光生物學、光氧化、光降解、光伏器件及光催化等領(lǐng)域的研究。紫創(chuàng)測控Luminbox專注太陽光模擬器技術(shù)創(chuàng)新，可提供從可行性研究到具體測試的全場景太陽光環(huán)境模擬解決方案。

太陽光模擬器的分類標準

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光伏測試用太陽光模擬器的性能要求由IEC 60904-9、ASTM E927-19 及 JIS C 8912三大標準規(guī)范，這些標準明確了模擬器輸出光的五大控制維度：光譜匹配（量化光譜含量）、空間均勻性、時間穩(wěn)定性，以及 IEC 60904-9:2020 新增的光譜覆蓋率（SPC）與光譜偏差（SPD）。

太陽光模擬器等級主要依據(jù)前三個維度劃分，每個維度均劃分為A、B、C三級；IEC 60904-9:2020 新增A + 級，僅適用于300-1200nm光譜范圍的太陽光模擬器。ASTM E927-19 中，未達 A、B、C 級的歸為 U 類（未分類）。等級表述需遵循規(guī)范：三維度均達 A 級的為 AAA 級；ASTM 要求明確三字母對應(yīng)指標，IEC 則規(guī)定字母順序固定為 “光譜匹配 - 空間均勻性 - 時間穩(wěn)定性”。

太陽光模擬器的核心性能指標

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1.光譜匹配

地面（AM1.5G） 和外層空間 （AM0） 陽光的參考光譜

通過對比太陽光模擬器與參考光譜（AM1.5G、AM1.5D 地面光譜及 AM0 外太空光譜）在多波長區(qū)間的積分輻照度計算，核心參數(shù)為光譜匹配比（RSM），即模擬器某波長區(qū)間輻照度占比與參考光譜對應(yīng)占比的比值。

2.空間不均勻性

太陽光模擬器的空間不均勻性通過以下等式計算，結(jié)果為百分比：

基于Is太陽能電池（或陣列 / 光檢測器）的歸一化短路電流數(shù)組計算。ASTM E927-19規(guī)定：照明場需至少設(shè) 64 個測量點，單個測試位置面積（ATP）= 照明測試區(qū)域 ÷ 測量點數(shù)，探測器面積需為 0.5-1.0 倍 ATP。

3.時間不穩(wěn)定性

太陽光模擬器的輻照度時間不穩(wěn)定性通過以下等式計算，結(jié)果為百分比：

基于數(shù)據(jù)采集期間的測量值序列（IT）計算?，F(xiàn)有標準未對測量時間間隔及采樣頻率作強制規(guī)定，需結(jié)合測試需求確定。

4.光譜覆蓋范圍（SPC）

SPC 計算如下，是指在給定波長下至少占參考輻照度 10% 的太陽模擬器發(fā)射百分比：

為IEC 60904-9:2020 新增指標，暫不影響等級劃分，但需按標準報告。

5.光譜偏差（SPD）

SPD 的計算方法如下：

IEC 60904-9:2020 更新引入了光譜偏差 （SPD） 指標，是指太陽模擬器的發(fā)射光譜與參考光譜之間的總百分比偏差。

太陽光模擬器的主要類型

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根據(jù)發(fā)射持續(xù)時間，太陽光模擬器可分為穩(wěn)態(tài)與脈沖兩類，也可按光源數(shù)量分為單燈與多燈型。

1.穩(wěn)態(tài)模擬器

穩(wěn)態(tài)模擬器輸出連續(xù)照明，強度范圍從不足1 個太陽（AM1.5G 光譜總積分輻照度 1000.4 W?m?2，280-4000nm 帶寬）至數(shù)個太陽，適用于低強度、長時間的性能測試（如材料耐光老化）。為擴展光譜范圍，其常組合電弧源與鹵素燈，彌補單一光源在紅外區(qū)域的光譜缺失。

2.脈沖模擬器

脈沖模擬器采用閃光燈管作為光源，發(fā)射持續(xù)時間通常為幾毫秒，強度可高達數(shù)千個太陽，核心優(yōu)勢是避免被測設(shè)備（如光伏組件）因長時間輻照積聚熱量，影響測試準確性。但因燈體快速冷熱循環(huán)，其強度與光譜存在瞬態(tài)波動，增加了測試重復性難度；而LED 等固態(tài)光源技術(shù)可有效緩解這一問題，提升脈沖輸出的穩(wěn)定性。

太陽模擬器的構(gòu)成

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太陽光模擬器的基本組件

1.光源（燈）和電源

2.光學器件和濾光片，以改變光束并獲得所需的特性

3.控制元件

太陽光模擬器的光源類型

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1.氬弧燈

氬弧燈是1972 年用于早期太陽模擬研究的光源，色溫度 6500K，與太陽黑體溫度匹配度高，光譜范圍覆蓋275-1525nm。其發(fā)光原理為高壓氬氣在電極間放電，需通過石英管內(nèi)壁的水渦流冷卻電弧邊緣。但該燈存在壽命短（通常數(shù)百小時）、運行可靠性差的缺陷，目前已較少用于主流設(shè)備。

2.碳弧燈

碳弧燈光譜特性接近AM0，曾用于NASA 首臺太空模擬器，適用于外太空材料的光環(huán)境測試，且紫外線發(fā)射強度較高。但其整體輻照強度弱于氙弧燈，同時存在壽命短、運行過程中強度波動大及高強度藍光（與太陽光譜不匹配）的問題，限制了其應(yīng)用范圍。

3.發(fā)光二極管（LED）

LED 太陽模擬器的模擬光譜輸出

2000 年起，LED 逐漸成為光伏模擬器的主流光源，其通過電子 - 空穴對復合發(fā)光，具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低的優(yōu)勢。由于單顆LED 帶寬較窄（10-100nm），需組合多類型 LED 以覆蓋太陽光譜，因此光譜匹配度直接取決于LED 的數(shù)量與波長選擇。

4.金屬鹵化物弧光燈

金屬鹵化物弧光燈屬高強度放電（HID）燈，通過電弧激發(fā)高壓汞與金屬鹵化物蒸汽發(fā)光，原用于影視照明（需高時間穩(wěn)定性與日光色匹配），后因相同特性拓展至太陽模擬。其優(yōu)勢為單燈成本較低，故常用于大面積太陽光模擬器（如光伏組件批量測試）；缺點是功耗高、電子驅(qū)動器成本高、壽命較短（約1000-2000 小時）。

5.石英鎢鹵素燈

石英鎢鹵素燈屬白熾燈，通過鹵素（溴或碘）環(huán)繞加熱鎢絲發(fā)光，光譜與黑體輻射匹配度高，但色溫較低（最高3400K），導致紫外線發(fā)射少而紅外發(fā)射多。其優(yōu)勢是強度高、成本極低，適用于光譜敏感性低的場景（如聚光太陽能集熱器測試）。

6.超連續(xù)激光

超連續(xù)激光是一類高功率寬帶光源，光譜覆蓋可見光至紅外區(qū)域，具有強度高、光束易聚焦的特點。但核心局限是照明區(qū)域極小（通常為毫米級），其高強度允許在太陽能聚光器應(yīng)用中測試光伏組件。

7.氙弧燈

氙弧燈太陽模擬器示例示意圖

氙弧燈是目前穩(wěn)態(tài)與脈沖太陽光模擬器中常用的光源，屬于高強度放電（HID）燈，通過高壓氙氣電離放電發(fā)光。其優(yōu)點包括：未經(jīng)過濾的光譜與太陽光匹配度高，強度高且功率變化時光譜平衡無明顯偏移，降低了對電源穩(wěn)定性的要求；單燈可產(chǎn)生準直高強度光束，適用于聚光測試場景。缺點是：光譜存在較多尖銳原子躍遷峰，紅外發(fā)射較強，需通過玻璃濾光片修正。

本文圍繞太陽光模擬器從分類標準、核心性能指標、設(shè)備類型、基本構(gòu)成及主流光源類型，系統(tǒng)梳理了其技術(shù)要點與應(yīng)用邏輯，為不同應(yīng)用場景下的設(shè)備選型提供了全面參考。隨著光源技術(shù)的持續(xù)迭代，太陽光模擬器在光譜精準度、運行穩(wěn)定性與場景適配性上將進一步升級。未來，太陽光模擬器將繼續(xù)為光伏器件研發(fā)、材料耐候性評估、光生物學研究等領(lǐng)域提供更可靠的室內(nèi)模擬光環(huán)境，助力相關(guān)科研與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

Luminbox3A AAA 級太陽光模擬器

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紫創(chuàng)測控Luminbox 3A AAA 太陽光模擬器采用先進光束準直技術(shù)與高均勻光斑設(shè)計，精準復現(xiàn)AM1.5G太陽光譜，輻照輸出穩(wěn)定，為實驗室提供高效可靠的光照測試解決方案。

AAA級性能：光譜匹配度符合IEC60904-9標準 AAA級，可達實驗室校準精度；

長效穩(wěn)定：優(yōu)化光源設(shè)計大幅降低維護頻率，減少校準與停機時間，提升實驗效率；

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

作為光源校準領(lǐng)域的創(chuàng)新者，紫創(chuàng)測控Luminbox 3A AAA 級太陽光模擬器采用光束準直技術(shù)，已應(yīng)用于光伏實驗室、航空航天等高端場景。未來，紫創(chuàng)測控Luminbox 將構(gòu)建多物理場協(xié)同校準平臺，通過機器學習優(yōu)化流程，縮短校準周期，確保光譜匹配度等核心指標維持在IEC 60904-9 標準的AAA級水平。

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