TW201500678A - 太陽光模擬器及光譜調整方法 - Google Patents

Abstract

一種太陽光模擬器，包含一光源、一光均勻化元件以及N個濾光片，其中N為一大於1之正整數。光源用以產生一第一光線。光均勻化元件設置於第一光線之一行進路線上，用以將第一光線均勻化。N個濾光片設置於第一光線之行進路線上，且N個濾光片中的M個濾光片位於光源與光均勻化元件之間，其中M為一小於或等於N之正整數。第一光線通過每一M個濾光片的至少部分面積與光均勻化元件而產生一第二光線。允許第一光線通過的每一M個濾光片的至少部分面積可被改變，以調整第二光線之光譜與一太陽光之光譜的比例。

Description

太陽光模擬器及光譜調整方法

本發明關於一種太陽光模擬器及光譜調整方法，尤指一種可有效縮短光源與照射平面之距離，且將光源發出之光線之光譜調整成近似太陽光之光譜之太陽光模擬器及光譜調整方法。

隨著能源需求的大幅提升，節能的太陽能電池應用逐漸受到人們的重視，也因此造就了許多種類的太陽能電池技術蓬勃發展，這之中包含了矽晶太陽能電池(silicon based solar cell)、矽薄膜太陽能電池(silicon thin film solar cell)、染料敏化太陽能電池(dye sensitized solar cell)、銅銦鎵硒太陽能電池(CuInGaSe solar cell)、聚光型三-五族太陽能電池(concentrator III-V compound solar cell)等。要評估這些太陽能電池的特性好壞便需仰賴公信的量測技術，來提供可信賴的太陽能電池轉換效率值。

目前主要利用太陽光模擬器(solar simulator)來提供近似太陽光之光譜的光源，以量測太陽能電池的特性。由於太陽能電池的電力輸出與太陽光之光譜有著密不可分的關係，因此太陽光模擬器的優劣即會大大影響太陽能電池的量測結果。此外，依照太陽能電池應用性之不同，可採用太陽光之光譜為AM1.5G或AM1.5D作為量測標準。於先前技術中，已有許多關於太陽光模擬器之技術被發展出來，例如美國專利公告第6,590,149號，其揭示光源與照射平面之距離為公尺等級(請參閱’149號專利說明書第3欄第57至67行)。由於光源與照射平面之距離太大，光源發出之光線在通過濾光片後容易發散而使得照度降低，進而影響太陽能電池之量測結果。

本發明提供一種太陽光模擬器及光譜調整方法，其可有效縮短光源與照射平面之距離，且將光源發出之光線之光譜調整成近似太陽光之光譜，以解決上述之問題。

根據一實施例，本發明之太陽光模擬器包含一光源、一光均勻化元件以及N個濾光片，其中N為一大於1之正整數。光源用以產生一第一光線。光均勻化元件設置於第一光線之一行進路線上，用以將第一光線均勻化。N個濾光片設置於第一光線之行進路線上，且N個濾光片中的M個濾光片位於光源與光均勻化元件之間，其中M為一小於或等於N之正整數。第一光線通過每一M個濾光片的至少部分面積與光均勻化元件而產生一第二光線。允許第一光線通過的每一M個濾光片的至少部分面積可被改變，以調整第二光線之光譜與一太陽光之光譜的比例。

於此實施例中，太陽光模擬器可另包含一照射平面，其中光源至照射平面之距離小於1公尺。較佳地，光源至照射平面之距離小於0.5公尺。

於此實施例中，太陽光模擬器可另包含一反射罩，設置於光源與照射平面之間，且光均勻化元件與N個濾光片設置於反射罩中。

根據另一實施例，本發明之光譜調整方法包含下列步驟：以一光源產生一第一光線，其中一光均勻化元件以及N個濾光片設置於第一光線之一行進路線上，N個濾光片中的M個濾光片位於光源與光均勻化元件之間，N為一大於1之正整數，且M為一小於或等於N之正整數；第一光線通過每一M個濾光片的至少部分面積與光均勻化元件而產生一第二光線；以及改變允許第一光線通過的每一M個濾光片的至少部分面積，以調整第二光線之光譜與一太陽光之光譜的比例。

於此實施例中，光譜調整方法另包含下列步驟：使光源至一照射平面之距離小於1公尺。較佳地，可使光源至照射平面之距離小於0.5公尺。

於此實施例中，光譜調整方法另包含下列步驟：於光源與照射平 面之間設置一反射罩，且將光均勻化元件與N個濾光片設置於反射罩中。

綜上所述，本發明係使太陽光模擬器之光源發出之光線通過位於光源與光均勻化元件之間的濾光片的至少部分面積，並且藉由改變允許光線通過的濾光片的至少部分面積，以調整光源發出之光線之光譜與太陽光之光譜的比例，進而將光源發出之光線之光譜調整成近似太陽光之光譜。換言之，只要改變允許光線通過的濾光片的至少部分面積，即可快速地將光源發出之光線之光譜調整成近似太陽光之光譜，進而減少檢測太陽能電池/模組的時程。此外，本發明利用光均勻化元件將光源發出之光線均勻化，且可於光源與照射平面之間設置反射罩，以使光源至照射平面之距離小於1公尺(較佳地，可小於0.5公尺)，使得光源發出之光線在通過濾光片與光均勻化元件後不會發散而使得照度提高，進而確保太陽能電池/模組之量測結果。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

1、2、3、4、5‧‧‧太陽光模擬器

10‧‧‧光源

12‧‧‧光均勻化元件

14a、14b、14c‧‧‧濾光片

16‧‧‧照射平面

18‧‧‧反射罩

120‧‧‧積分柱

122‧‧‧擴散片

A1、A2‧‧‧箭頭

D‧‧‧距離

L1‧‧‧第一光線

L2‧‧‧第二光線

P‧‧‧行進路線

S1‧‧‧第一側

S2‧‧‧第二側

第1圖為根據本發明一實施例之太陽光模擬器的示意圖。

第2圖為根據本發明另一實施例之太陽光模擬器的示意圖。

第3圖為根據本發明另一實施例之太陽光模擬器的示意圖。

第4圖為根據本發明另一實施例之太陽光模擬器的示意圖。

第5圖為根據本發明另一實施例之太陽光模擬器的示意圖。

第6圖為根據本發明一實施例之光譜調整方法的流程圖。

請參閱第1圖，第1圖為根據本發明一實施例之太陽光模擬器1的示意圖。如第1圖所示，太陽光模擬器1包含一光源10、一光均勻化元件12、N個濾光片14a、14b以及一照射平面16，其中N為一大於1之正整數。於此實施例中，照射平面16可為一太陽能電池/模組。換言之，本發明之太 陽光模擬器1即是用以提供近似太陽光之光譜的光源，以量測太陽能電池/模組的特性。於此實施例中，光源10可為氣體放電燈、氙燈(Xenon lamp)、發光二極體(light emitting diode,LED)燈、鹵素燈、人工光源等。於此實施例中，可依照實際需求來選擇可濾除短波長或長波長之光線的濾光片14a、14b。

光源10用以產生一第一光線L1。光均勻化元件12設置於第一光線L1之一行進路線P上，用以將第一光線L1均勻化。濾光片14a、14b亦設置於第一光線L1之行進路線P上，且濾光片14a、14b中的M個濾光片位於光源10與光均勻化元件12之間，其中M為一小於或等於N之正整數。於此實施例中，N=2，且M=N=2。此外，濾光片14a、14b並排且可移動地設置於光均勻化元件12之一第一側S1。於此實施例中，光均勻化元件12可包含一積分柱120以及一擴散片122，其中擴散片122設置於濾光片14a、14b與積分柱120之間。藉由積分柱120與擴散片122的組合，光均勻化元件12可將光源10產生之第一光線L1擴散且混合均勻。需說明的是，光均勻化元件12亦可為單一的積分柱120，而不包含擴散片122，視實際應用而定。

於此實施例中，光源10產生之第一光線L1會沿行進路線P通過每一個濾光片14a、14b的至少部分面積與光均勻化元件12而產生一第二光線L2，且允許第一光線L1通過的每一個濾光片14a、14b的至少部分面積可被改變，以調整第二光線L2之光譜與一太陽光之光譜的比例。於此實施例中，濾光片14a、14b可相對光均勻化元件12沿垂直第一光線L1之行進路線P的方向移動(如第1圖之箭頭A1、A2的方向所示)，以改變允許第一光線L1通過的每一個濾光片14a、14b的至少部分面積。此外，每一個濾光片14a、14b的面積可大於或等於光均勻化元件12在第一光線L1之行進路線P上的剖面積，視實際應用而定。舉例而言，當濾光片14a、14b相對光均勻化元件12沿箭頭A1的方向移動時，允許第一光線L1通過的濾光片14a的面積即會增加，且允許第一光線L1通過的濾光片14b的面積即會減少；當濾光片14a、 14b相對光均勻化元件12沿箭頭A2的方向移動時，允許第一光線L1通過的濾光片14a的面積即會減少，且允許第一光線L1通過的濾光片14b的面積即會增加。

請參閱下表1，表1顯示允許第一光線L1通過的每一個濾光片14a、14b的至少部分面積在不同的百分比下，在波長範圍為350~670奈米以及670~880奈米量測得到的第二光線L2之光譜與太陽光之光譜的比例。

因此，藉由改變允許第一光線L1通過的濾光片14a、14b的至少部分面積，即可調整第二光線L2之光譜與太陽光之光譜的比例，進而將第二光線L2之光譜調整成近似太陽光之光譜。換言之，只要改變允許第一光線 L1通過的濾光片14a、14b的至少部分面積，即可快速地將第二光線L2之光譜調整成近似太陽光之光譜，進而減少檢測太陽能電池/模組的時程。此外，本發明利用光均勻化元件12將光源10發出之第一光線L1均勻化，可使光源10至照射平面16之距離D小於1公尺(較佳地，可小於0.5公尺)，使得光源10發出之第一光線L1在通過濾光片14a、14b與光均勻化元件12後不會發散而使得照度提高，進而確保太陽能電池/模組之量測結果。再者，本發明可使第一光線L1完全通過光均勻化元件12，以加強照度均勻性。

請參閱第2圖，第2圖為根據本發明另一實施例之太陽光模擬器2的示意圖。太陽光模擬器2與上述的太陽光模擬器1的主要不同之處在於，太陽光模擬器2之N個濾光片14a、14b中的M個濾光片14a可移動地設置於光均勻化元件12之第一側S1，且其它N-M個濾光片14b設置於光均勻化元件12之第二側S2，其中第一側S1與第二側S2相對。於此實施例中，N=2，且M=1。換言之，於太陽光模擬器2中，只有位於光源10與光均勻化元件12之間的濾光片14a可相對光均勻化元件12沿垂直第一光線L1之行進路線P的方向移動(如第2圖之箭頭A1、A2的方向所示)，以改變允許第一光線L1通過的濾光片14a的至少部分面積。未通過濾光片14a的第一光線L1即直接通過光均勻化元件12。此外，濾光片14b可固定於光均勻化元件12之第二側S2，或是可移動地設置於光均勻化元件12之第二側S2，以增加光譜調整的靈活性。

請參閱下表2，表2顯示允許第一光線L1通過的濾光片14a的至少部分面積在不同的百分比下，在波長範圍為350~670奈米以及670~880奈米量測得到的第二光線L2之光譜與太陽光之光譜的比例。

因此，藉由改變允許第一光線L1通過的濾光片14a的至少部分面積，即可調整第二光線L2之光譜與太陽光之光譜的比例，進而將第二光線L2之光譜調整成近似太陽光之光譜。換言之，只要改變允許第一光線L1通過的濾光片14a的至少部分面積，即可快速地將第二光線L2之光譜調整成近似太陽光之光譜，進而減少檢測太陽能電池/模組的時程。此外，本發明利用光均勻化元件12將光源10發出之第一光線L1均勻化，可使光源10至照射平面16之距離D小於1公尺(較佳地，可小於0.5公尺)，使得光源10發出之第一光線L1在通過濾光片14a與光均勻化元件12後不會發散而使得照度提高，進而確保太陽能電池/模組之量測結果。再者，本發明可使第一光線L1完全通過光均勻化元件12，以加強照度均勻性。

請參閱第3圖，第3圖為根據本發明另一實施例之太陽光模擬器3的示意圖。太陽光模擬器3與上述的太陽光模擬器1的主要不同之處在於，太陽光模擬器3包含三個濾光片14a、14b、14c，其中兩個濾光片14a、14b並排且可移動地設置於光均勻化元件12之第一側S1，且一個濾光片14c設置於光均勻化元件12之第二側S2，其中濾光片14c可固定於光均勻化元件 12之第二側S2，或是可移動地設置於光均勻化元件12之第二側S2，以增加光譜調整的靈活性。此外，每一個濾光片14a、14b、14c的面積可大於或等於光均勻化元件12在第一光線L1之行進路線P上的剖面積，視實際應用而定。可移動的濾光片14a、14b的作用原理如上所述，在此不再贅述。換言之，本發明可利用三個以上的濾光片將第二光線L2之光譜調整成近似太陽光之光譜。需說明的是，第3圖中與第1圖中所示相同標號的元件，其作用原理大致相同，在此不再贅述。

請參閱第4圖，第4圖為根據本發明另一實施例之太陽光模擬器4的示意圖。太陽光模擬器4與上述的太陽光模擬器3的主要不同之處在於，太陽光模擬器4之兩個可移動的濾光片14a、14b上下錯開。可移動的濾光片14a、14b的作用原理如上所述，在此不再贅述。換言之，本發明之可移動的濾光片14a、14b可並排或上下錯開，以將第二光線L2之光譜調整成近似太陽光之光譜。需說明的是，第4圖中與第3圖中所示相同標號的元件，其作用原理大致相同，在此不再贅述。

請參閱第5圖，第5圖為根據本發明另一實施例之太陽光模擬器5的示意圖。太陽光模擬器5與上述的太陽光模擬器1的主要不同之處在於，太陽光模擬器5另包含一反射罩18。反射罩18設置於光源10與照射平面16之間，且光源10與濾光片14a、14b設置於反射罩18中。本發明可利用反射罩18侷限由光源10至照射平面16之間的光，使得光源10發出之第一光線L1以及通過濾光片14a、14b與光均勻化元件12所產生之第二光線L2不會發散而使得照度提高，進而確保太陽能電池/模組之量測結果。

請參閱第6圖，第6圖為根據本發明一實施例之光譜調整方法的流程圖。第6圖中的光譜調整方法可利用第1圖至第5圖中的太陽光模擬器1、2、3、4、5來實現。首先，執行步驟S10，以光源10產生第一光線L1。接著，執行步驟S12，第一光線L1通過濾光片14a或14a、14b的至少部分面積與光均勻化元件12而產生第二光線L2。最後，執行步驟S14，改變允許 第一光線L1通過的濾光片14a或14a、14b的至少部分面積，以調整第二光線L2之光譜與太陽光之光譜的比例。需說明的是，詳細的作用原理與操作步驟係如上所述，在此不再贅述。

在多接面太陽能電池中，頂層及底層為電性串聯連接，而頂層與底層的靈敏度不同。頂層對於短波長靈敏度較強，底層對於長波長靈敏度較強，當光譜的長波長較強，底層產生的電荷較多，由於頂層與底層電性串聯連接，頂層與底層的發電量會受到頂層的發電量影響。因此，多接面太陽能電池具有對應光譜發電量產生變化的特性。本發明可藉由改變允許光線通過的濾光片的至少部分面積，以調整光譜中的長波長與短波長的強度，進而使多接面太陽能電池之頂層與底層的發電量一致。藉此，本發明即可準確地量測多接面太陽能電池，特別是三-五族多接面太陽能電池。

綜上所述，本發明係使太陽光模擬器之光源發出之光線通過位於光源與光均勻化元件之間的濾光片的至少部分面積，並且藉由改變允許光線通過的濾光片的至少部分面積，以調整光源發出之光線之光譜與太陽光之光譜的比例，進而將光源發出之光線之光譜調整成近似太陽光之光譜。換言之，只要改變允許光線通過的濾光片的至少部分面積，即可快速地將光源發出之光線之光譜調整成近似太陽光之光譜，進而減少檢測太陽能電池/模組的時程。此外，本發明利用光均勻化元件將光源發出之光線均勻化，且可於光源與照射平面之間設置反射罩，以使光源至照射平面之距離小於1公尺(較佳地，可小於0.5公尺)，使得光源發出之光線在通過濾光片與光均勻化元件後不會發散而使得照度提高，進而確保太陽能電池/模組之量測結果。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

1‧‧‧太陽光模擬器

10‧‧‧光源

12‧‧‧光均勻化元件

14a、14b‧‧‧濾光片

16‧‧‧照射平面

120‧‧‧積分柱

122‧‧‧擴散片

A1、A2‧‧‧箭頭

D‧‧‧距離

L1‧‧‧第一光線

L2‧‧‧第二光線

P‧‧‧行進路線

S1‧‧‧第一側

Claims (14)

1. 一種太陽光模擬器，包含：一光源，用以產生一第一光線；一光均勻化元件，設置於該第一光線之一行進路線上，用以將該第一光線均勻化；以及N個濾光片，設置於該第一光線之該行進路線上，該N個濾光片中的M個濾光片位於該光源與該光均勻化元件之間，N為一大於1之正整數，M為一小於或等於N之正整數；其中，該第一光線通過每一該M個濾光片的至少部分面積與該光均勻化元件而產生一第二光線，允許該第一光線通過的每一該M個濾光片的至少部分面積可被改變，以調整該第二光線之光譜與一太陽光之光譜的比例。
2. 如請求項1所述之太陽光模擬器，其中該M個濾光片可相對該光均勻化元件沿垂直該第一光線之該行進路線的方向移動，以改變允許該第一光線通過的每一該M個濾光片的至少部分面積。
3. 如請求項1所述之太陽光模擬器，其中該M個濾光片並排。
4. 如請求項1所述之太陽光模擬器，其中該M個濾光片上下錯開。
5. 如請求項1所述之太陽光模擬器，其中該M個濾光片可移動地設置於該光均勻化元件之一第一側，其它N-M個濾光片設置於該光均勻化元件之一第二側，該第一側與該第二側相對。
6. 如請求項1所述之太陽光模擬器，其中該光均勻化元件包含一積分柱。
7. 如請求項6所述之太陽光模擬器，其中該光均勻化元件另包含一擴散片，設置於該M個濾光片與該積分柱之間。
8. 一種光譜調整方法，包含：以一光源產生一第一光線，其中一光均勻化元件以及N個濾光片設置 於該第一光線之一行進路線上，該N個濾光片中的M個濾光片位於該光源與該光均勻化元件之間，N為一大於1之正整數，M為一小於或等於N之正整數；該第一光線通過每一該M個濾光片的至少部分面積與該光均勻化元件而產生一第二光線；以及改變允許該第一光線通過的每一該M個濾光片的至少部分面積，以調整該第二光線之光譜與一太陽光之光譜的比例。
9. 如請求項8所述之光譜調整方法，另包含：相對該光均勻化元件沿垂直該第一光線之該行進路線的方向移動該M個濾光片，以改變允許該第一光線通過的每一該M個濾光片的至少部分面積。
10. 如請求項8所述之光譜調整方法，其中該M個濾光片並排。
11. 如請求項8所述之光譜調整方法，其中該M個濾光片上下錯開。
12. 如請求項8所述之光譜調整方法，其中該M個濾光片可移動地設置於該光均勻化元件之一第一側，其它N-M個濾光片設置於該光均勻化元件之一第二側，該第一側與該第二側相對。
13. 如請求項8所述之光譜調整方法，其中該光均勻化元件包含一積分柱。
14. 如請求項13所述之光譜調整方法，其中該光均勻化元件另包含一擴散片，設置於該M個濾光片與該積分柱之間。