CN104251465A - 太阳光模拟器及光谱调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳光模拟器，包括光源、光均匀化组件及N个滤光片，其中N是大于1的正整数。光源用以产生第一光线。光均匀化组件设置于第一光线的行进路线上，用以将第一光线均匀化。N个滤光片设置于第一光线的行进路线上，且N个滤光片中的M个滤光片位于光源与光均匀化组件之间，其中M是小于或等于N的正整数。第一光线通过每一M个滤光片的至少部分面积与光均匀化组件而产生第二光线。允许第一光线通过的每一M个滤光片的至少部分面积可被改变，以调整第二光线的光谱与太阳光的光谱的比例。只要改变允许光线通过的滤光片的至少部分面积，即可快速地将光源发出的光线的光谱调整成近似太阳光的光谱，从而减少检测太阳能电池/模块的时程。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳光模拟器及光谱调整方法，特别是涉及一种可有效缩短光源与照射平面的距离，且将光源发出的光线的光谱调整成近似太阳光的光谱的太阳光模拟器及光谱调整方法。
背景技术
随着能源需求的大幅提升，节能的太阳能电池应用逐渐受到人们的重视，也因此造就了许多种类的太阳能电池技术蓬勃发展，这之中包括了硅晶太阳能电池（silicon based solar cell）、硅薄膜太阳能电池（silicon thin film solarcell）、染料敏化太阳能电池（dye sensitized solar cell）、铜铟镓硒太阳能电池（CuInGaSe solar cell）、聚光型三-五族太阳能电池（concentrator III-Vcompound solar cell）等。要评估这些太阳能电池的特性好坏便需依赖现有的量测技术，来提供可信赖的太阳能电池转换效率值。
目前主要利用太阳光模拟器（solar simulator）来提供近似太阳光的光谱的光源，以量测太阳能电池的特性。由于太阳能电池的电力输出与太阳光的光谱有着密不可分的关系，因此太阳光模拟器的优劣即会大大影响太阳能电池的量测结果。此外，依照太阳能电池应用性的不同，可采用太阳光的光谱AM1.5G或AM1.5D作为量测标准。在现有技术中，已有许多关于太阳光模拟器的技术被发展出来，例如美国专利公告第6,590,149号，其揭示光源与照射平面的距离是米等级（请参阅’149号专利说明书第3栏第57至67行）。由于光源与照射平面的距离太大，光源发出的光线在通过滤光片后容易发散而使得照度降低，进而影响太阳能电池的量测结果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了弥补现有技术的不足，提供一种太阳光模拟器及光谱调整方法，其可有效缩短光源与照射平面的距离，且将光源发出的光线的光谱调整成近似太阳光的光谱，以解决上述问题。
本发明的太阳光模拟器采用以下技术方案：
所述太阳光模拟器包括光源、光均匀化组件以及N个滤光片，其中N是大于1的正整数。所述光源用以产生第一光线。所述光均匀化组件设置于所述第一光线的行进路线上，用以将所述第一光线均匀化。所述N个滤光片设置于所述第一光线的行进路线上，且所述N个滤光片中的M个滤光片位于所述光源与所述光均匀化组件之间，其中M是小于或等于N的正整数。所述第一光线通过每一所述M个滤光片的至少部分面积与所述光均匀化组件而产生第二光线。允许所述第一光线通过的每一所述M个滤光片的至少部分面积可被改变，以调整所述第二光线的光谱与太阳光的光谱的比例。
所述M个滤光片可相对所述光均匀化组件沿垂直所述第一光线的所述行进路线的方向移动，以改变允许所述第一光线通过的每一所述M个滤光片的至少部分面积。
所述M个滤光片并排。
所述M个滤光片上下错开。
所述M个滤光片可移动地设置于所述光均匀化组件的第一侧，其它N-M个滤光片设置于所述光均匀化组件的第二侧，所述第一侧与所述第二侧相对。
所述光均匀化组件包括积分柱。
所述光均匀化组件还包括扩散片，设置于所述M个滤光片与所述积分柱之间。
本发明的光谱调整方法采用以下技术方案：
所述光谱调整方法包括以光源产生第一光线，其中光均匀化组件以及N个滤光片设置于所述第一光线的行进路线上，所述N个滤光片中的M个滤光片位于所述光源与所述光均匀化组件之间，N是大于1的正整数，M是小于或等于N的正整数；所述第一光线通过每一所述M个滤光片的至少部分面积与所述光均匀化组件而产生第二光线；以及改变允许所述第一光线通过的每一所述M个滤光片的至少部分面积，以调整所述第二光线的光谱与太阳光的光谱的比例。
所述光谱调整方法还包括相对所述光均匀化组件沿垂直所述第一光线的所述行进路线的方向移动所述M个滤光片，以改变允许所述第一光线通过的每一所述M个滤光片的至少部分面积。
所述M个滤光片并排。
所述M个滤光片上下错开。
所述M个滤光片可移动地设置于所述光均匀化组件的第一侧，其它N-M个滤光片设置于所述光均匀化组件的第二侧，所述第一侧与所述第二侧相对。
所述光均匀化组件包括积分柱。
所述光均匀化组件还包括扩散片，设置于所述M个滤光片与所述积分柱之间。
因此，根据上述技术方案，本发明的太阳光模拟器及光谱调整方法至少具有下列优点及有益效果：本发明使太阳光模拟器的光源发出的光线通过位于光源与光均匀化组件之间的滤光片的至少部分面积，并且借由改变允许光线通过的滤光片的至少部分面积，以调整光源发出的光线的光谱与太阳光的光谱的比例，从而将光源发出的光线的光谱调整成近似太阳光的光谱。换句话说，只要改变允许光线通过的滤光片的至少部分面积，即可快速地将光源发出的光线的光谱调整成近似太阳光的光谱，从而减少检测太阳能电池/模块的时程。此外，本发明利用光均匀化组件将光源发出的光线均匀化，且可于光源与照射平面之间设置反射罩，以使光源至照射平面的距离小于1米（优选地，可小于0.5米），使得光源发出的光线在通过滤光片与光均匀化组件后不会发散而使得照度提高，从而确保太阳能电池/模块的量测结果。
附图说明
图1是本发明一实施例的太阳光模拟器的示意图。
图2是本发明另一实施例的太阳光模拟器的示意图。
图3是本发明另一实施例的太阳光模拟器的示意图。
图4是本发明另一实施例的太阳光模拟器的示意图。
图5是本发明另一实施例的太阳光模拟器的示意图。
图6是本发明一实施例的光谱调整方法的流程图。
其中，附图标记说明如下：
1、2、3、4、太阳光模拟器 10 光源
5
12 光均匀化组件 14a、14b、14c 滤光片
16 照射平面 18 反射罩
120 积分柱 122 扩散片
A1、A2 箭头 D 距离
L1 第一光线 L2 第二光线
P 行进路线 S1 第一侧
S2 第二侧
具体实施方式
请参考图1，图1是本发明一实施例的太阳光模拟器1的示意图。如图1所示，太阳光模拟器1包括光源10、光均匀化组件12、N个滤光片14a、14b以及照射平面16，其中N是大于1的正整数。在此实施例中，照射平面16可以是太阳能电池/模块。换句话说，本发明的太阳光模拟器1即是用以提供近似太阳光的光谱的光源，以量测太阳能电池/模块的特性。在此实施例中，光源10可以是气体放电灯、氙灯（Xenon lamp）、发光二极管（light emittingdiode, LED）灯、卤素灯、人工光源等。在此实施例中，可依照实际需求来选择可滤除短波长或长波长的光线的滤光片14a、14b。
光源10用以产生第一光线L1。光均匀化组件12设置于第一光线L1的行进路线P上，用以将第一光线L1均匀化。滤光片14a、14b也设置于第一光线L1的行进路线P上，且滤光片14a、14b中的M个滤光片位于光源10与光均匀化组件12之间，其中M是小于或等于N的正整数。在此实施例中，N=2，且M=N=2。此外，滤光片14a、14b并排且可移动地设置于光均匀化组件12的第一侧S1。在此实施例中，光均匀化组件12可包括积分柱120以及扩散片122，其中扩散片122设置于滤光片14a、14b与积分柱120之间。借由积分柱120与扩散片122的组合，光均匀化组件12可将光源10产生的第一光线L1扩散且混合均匀。需说明的是，光均匀化组件12也可以是单一的积分柱120，而不包括扩散片122，视实际应用而定。
在此实施例中，光源10产生的第一光线L1会沿行进路线P通过每一个滤光片14a、14b的至少部分面积与光均匀化组件12而产生第二光线L2，且允许第一光线L1通过的每一个滤光片14a、14b的至少部分面积可被改变，以调整第二光线L2的光谱与太阳光的光谱的比例。在此实施例中，滤光片14a、14b可相对光均匀化组件12沿垂直第一光线L1的行进路线P的方向移动（如图1的箭头A1、A2的方向所示），以改变允许第一光线L1通过的每一个滤光片14a、14b的至少部分面积。此外，每一个滤光片14a、14b的面积可大于或等于光均匀化组件12在第一光线L1的行进路线P上的剖面积，视实际应用而定。举例而言，当滤光片14a、14b相对光均匀化组件12沿箭头A1的方向移动时，允许第一光线L1通过的滤光片14a的面积即会增加，且允许第一光线L1通过的滤光片14b的面积即会减少；当滤光片14a、14b相对光均匀化组件12沿箭头A2的方向移动时，允许第一光线L1通过的滤光片14a的面积即会减少，且允许第一光线L1通过的滤光片14b的面积即会增加。
请参考下表1，表1显示允许第一光线L1通过的每一个滤光片14a、14b的至少部分面积在不同的百分比下，在波长范围是350～670纳米以及670～880纳米量测得到的第二光线L2的光谱与太阳光的光谱的比例。
表1
因此，借由改变允许第一光线L1通过的滤光片14a、14b的至少部分面积，即可调整第二光线L2的光谱与太阳光的光谱的比例，从而将第二光线L2的光谱调整成近似太阳光的光谱。换句话说，只要改变允许第一光线L1通过的滤光片14a、14b的至少部分面积，即可快速地将第二光线L2的光谱调整成近似太阳光的光谱，从而减少检测太阳能电池/模块的时程。此外，本发明利用光均匀化组件12将光源10发出的第一光线L1均匀化，可使光源10至照射平面16的距离D小于1米（优选地，可小于0.5米），使得光源10发出的第一光线L1在通过滤光片14a、14b与光均匀化组件12后不会发散而使得照度提高，从而确保太阳能电池/模块之量测结果。再者，本发明可使第一光线L1完全通过光均匀化组件12，以加强照度均匀性。
请参考图2，图2是本发明另一实施例的太阳光模拟器2的示意图。太阳光模拟器2与上述的太阳光模拟器1的主要不同之处在于，太阳光模拟器2的N个滤光片14a、14b中的M个滤光片14a可移动地设置于光均匀化组件12的第一侧S1，且其它N-M个滤光片14b设置于光均匀化组件12的第二侧S2，其中第一侧S1与第二侧S2相对。在此实施例中，N=2，且M=1。换句话说，在太阳光模拟器2中，只有位于光源10与光均匀化组件12之间的滤光片14a可相对光均匀化组件12沿垂直第一光线L1的行进路线P的方向移动（如图2的箭头A1、A2的方向所示），以改变允许第一光线L1通过的滤光片14a的至少部分面积。未通过滤光片14a的第一光线L1即直接通过光均匀化组件12。此外，滤光片14b可固定于光均匀化组件12的第二侧S2，或是可移动地设置于光均匀化组件12的第二侧S2，以增加光谱调整的灵活性。
请参考下表2，表2显示允许第一光线L1通过的滤光片14a的至少部分面积在不同的百分比下，在波长范围是350～670纳米以及670～880纳米量测得到的第二光线L2的光谱与太阳光的光谱的比例。
表2
因此，借由改变允许第一光线L1通过的滤光片14a的至少部分面积，即可调整第二光线L2的光谱与太阳光的光谱的比例，从而将第二光线L2的光谱调整成近似太阳光的光谱。换句话说，只要改变允许第一光线L1通过的滤光片14a的至少部分面积，即可快速地将第二光线L2的光谱调整成近似太阳光的光谱，从而减少检测太阳能电池/模块的时程。此外，本发明利用光均匀化组件12将光源10发出的第一光线L1均匀化，可使光源10至照射平面16之距离D小于1米（优选地，可小于0.5米），使得光源10发出的第一光线L1在通过滤光片14a与光均匀化组件12后不会发散而使得照度提高，从而确保太阳能电池/模块的量测结果。再者，本发明可使第一光线L1完全通过光均匀化组件12，以加强照度均匀性。
请参考图3，图3是本发明另一实施例的太阳光模拟器3的示意图。太阳光模拟器3与上述的太阳光模拟器1的主要不同之处在于，太阳光模拟器3包括三个滤光片14a、14b、14c，其中两个滤光片14a、14b并排且可移动地设置于光均匀化组件12的第一侧S1，且一个滤光片14c设置于光均匀化组件12的第二侧S2，其中滤光片14c可固定于光均匀化组件12的第二侧S2，或是可移动地设置于光均匀化组件12的第二侧S2，以增加光谱调整的灵活性。此外，每一个滤光片14a、14b、14c的面积可大于或等于光均匀化组件12在第一光线L1的行进路线P上的剖面积，视实际应用而定。可移动的滤光片14a、14b的作用原理如上所述，在此不再赘述。换句话说，本发明可利用三个以上的滤光片将第二光线L2的光谱调整成近似太阳光的光谱。需说明的是，图3中与图1中所示相同标号的组件，其作用原理大致相同，在此不再赘述。
请参考图4，图4是本发明另一实施例的太阳光模拟器4的示意图。太阳光模拟器4与上述的太阳光模拟器3的主要不同之处在于，太阳光模拟器4的两个可移动的滤光片14a、14b上下错开。可移动的滤光片14a、14b的作用原理如上所述，在此不再赘述。换句话说，本发明的可移动的滤光片14a、14b可并排或上下错开，以将第二光线L2的光谱调整成近似太阳光的光谱。需说明的是，图4中与图3中所示相同标号的组件，其作用原理大致相同，在此不再赘述。
请参考图5，图5是本发明另一实施例的太阳光模拟器5的示意图。太阳光模拟器5与上述的太阳光模拟器1的主要不同之处在于，太阳光模拟器5还包括反射罩18。反射罩18设置于光源10与照射平面16之间，且光源10与滤光片14a、14b设置于反射罩18中。本发明可利用反射罩18局限由光源10至照射平面16之间的光，使得光源10发出的第一光线L1以及通过滤光片14a、14b与光均匀化组件12所产生的第二光线L2不会发散而使得照度提高，从而确保太阳能电池/模块之量测结果。
请参考图6，图6是本发明一实施例的光谱调整方法的流程图。图6中的光谱调整方法可利用图1至图5中的太阳光模拟器1、2、3、4、5来实现。首先，执行步骤S10，以光源10产生第一光线L1。接着，执行步骤S12，第一光线L1通过滤光片14a或14a、14b的至少部分面积与光均匀化组件12而产生第二光线L2。最后，执行步骤S14，改变允许第一光线L1通过的滤光片14a或14a、14b的至少部分面积，以调整第二光线L2的光谱与太阳光的光谱的比例。需说明的是，详细的作用原理与操作步骤系如上所述，在此不再赘述。
在多接面太阳能电池中，顶层及底层是电性串联连接，而顶层与底层的灵敏度不同。顶层对于短波长灵敏度较强，底层对于长波长灵敏度较强，当光谱的长波长较强，底层产生的电荷较多，由于顶层与底层电性串联连接，顶层与底层的发电量会受到顶层的发电量影响。因此，多接面太阳能电池具有对应光谱发电量产生变化的特性。本发明可借由改变允许光线通过的滤光片的至少部分面积，以调整光谱中的长波长与短波长的强度，从而使多接面太阳能电池的顶层与底层的发电量一致。借此，本发明即可准确地量测多接面太阳能电池，特别是三-五族多接面太阳能电池。
因此，根据上述技术方案，本发明的太阳光模拟器及光谱调整方法至少具有下列优点及有益效果：本发明使太阳光模拟器的光源发出的光线通过位于光源与光均匀化组件之间的滤光片的至少部分面积，并且借由改变允许光线通过的滤光片的至少部分面积，以调整光源发出的光线的光谱与太阳光的光谱的比例，从而将光源发出的光线的光谱调整成近似太阳光的光谱。换句话说，只要改变允许光线通过的滤光片的至少部分面积，即可快速地将光源发出的光线的光谱调整成近似太阳光的光谱，从而减少检测太阳能电池/模块的时程。此外，本发明利用光均匀化组件将光源发出的光线均匀化，且可于光源与照射平面之间设置反射罩，以使光源至照射平面的距离小于1米（优选地，可小于0.5米），使得光源发出的光线在通过滤光片与光均匀化组件后不会发散而使得照度提高，从而确保太阳能电池/模块的量测结果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种太阳光模拟器，其特征在于，所述太阳光模拟器包括：
光源，用以产生第一光线；
光均匀化组件，设置于所述第一光线的行进路线上，用以将所述第一光线均匀化；以及
N个滤光片，设置于所述第一光线的所述行进路线上，所述N个滤光片中的M个滤光片位于所述光源与所述光均匀化组件之间，N是大于1的正整数，M是小于或等于N的正整数；
其中，所述第一光线通过每一所述M个滤光片的至少部分面积与所述光均匀化组件而产生第二光线，允许所述第一光线通过的每一所述M个滤光片的至少部分面积可被改变，以调整所述第二光线的光谱与太阳光的光谱的比例。
2.如权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于，所述M个滤光片可相对所述光均匀化组件沿垂直所述第一光线的所述行进路线的方向移动，以改变允许所述第一光线通过的每一所述M个滤光片的至少部分面积。
3.如权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于，所述M个滤光片并排。
4.如权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于，所述M个滤光片上下错开。
5.如权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于，所述M个滤光片可移动地设置于所述光均匀化组件的第一侧，其它N-M个滤光片设置于所述光均匀化组件的第二侧，所述第一侧与所述第二侧相对。
6.如权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于，所述光均匀化组件包括积分柱。
7.如权利要求6所述的太阳光模拟器，其特征在于，所述光均匀化组件还包括扩散片，设置于所述M个滤光片与所述积分柱之间。
8.一种光谱调整方法，其特征在于，所述光谱调整方法包括：
以光源产生第一光线，其中光均匀化组件以及N个滤光片设置于所述第一光线的行进路线上，所述N个滤光片中的M个滤光片位于所述光源与所述光均匀化组件之间，N是大于1的正整数，M是小于或等于N的正整数；
所述第一光线通过每一所述M个滤光片的至少部分面积与所述光均匀化组件而产生第二光线；以及
改变允许所述第一光线通过的每一所述M个滤光片的至少部分面积，以调整所述第二光线的光谱与太阳光的光谱的比例。
9.如权利要求8所述的光谱调整方法，其特征在于，所述光谱调整方法还包括：
相对所述光均匀化组件沿垂直所述第一光线的所述行进路线的方向移动所述M个滤光片，以改变允许所述第一光线通过的每一所述M个滤光片的至少部分面积。
10.如权利要求8所述的光谱调整方法，其特征在于，所述M个滤光片并排。
11.如权利要求8所述的光谱调整方法，其特征在于，所述M个滤光片上下错开。
12.如权利要求8所述的光谱调整方法，其特征在于，所述M个滤光片可移动地设置于所述光均匀化组件的第一侧，其它N-M个滤光片设置于所述光均匀化组件的第二侧，所述第一侧与所述第二侧相对。
13.如权利要求8所述的光谱调整方法，其特征在于，所述光均匀化组件包括积分柱。
14.如权利要求13所述的光谱调整方法，其特征在于，所述光均匀化组件还包括扩散片，设置于所述M个滤光片与所述积分柱之间。
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