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基于AM0 太陽模擬器3 波段光譜獨立可調的設計

2023-11-03 07:58:04馮云峰張鶴仙黃國保馮曉瑩
太陽能 2023年10期
關鍵詞:砷化鎵氙燈太陽電池

馮云峰,張鶴仙,黃國保,劉 皎,馮曉瑩

(陜西眾森電能科技有限公司,西安 710018)

0 引言

太陽能作為一種新興清潔的可再生能源,其應用范圍日益擴大,其中,光伏發(fā)電可以有效地降低國家能源成本及實現可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標,得到世界各國政府的高度重視,市場前景廣闊。隨著中國航天事業(yè)穩(wěn)健快速發(fā)展,光伏發(fā)電應用范圍也越來越寬泛。太陽電池技術中,三結砷化鎵太陽電池由于具備高能量密度、高光電轉換效率及低損耗的特點得到廣泛關注,被認為是未來最有前途的高效太陽能應用之一,目前已有多個國家開展相關研究,中國亦有相關產業(yè)。

隨著空間太陽電池技術的發(fā)展,三結砷化鎵太陽電池已經逐漸取代了晶硅太陽電池,其能隙與太陽光譜的匹配較適合。與晶硅太陽電池相比,三結砷化鎵太陽電池具有高光電轉換效率、高可靠性、耐高溫、抗輻照能力強等優(yōu)點,產品已廣泛應用于遙感、氣象和科學試驗等衛(wèi)星,這類衛(wèi)星在軌道運行狀態(tài)良好,適用于空間各軌道飛行器。

目前,太陽電池電源是航天器主要的電源,其可靠性和穩(wěn)定性對任務的成功非常關鍵,特別是對于需要長時間在太空中運行的任務,例如衛(wèi)星和空間站,對太陽電池可靠性要求更加嚴格。太陽電池的研制、航天器電池陣列的設計、太陽電池光電轉換效率等核心電性能參數的準確評估對于航天器的安全運行至關重要。但傳統(tǒng)太陽電池按照AM1.5G 的標準太陽光譜,與空間三結太陽電池工作標準AM0 光譜存在差異,因此傳統(tǒng)太陽電池測試使用的太陽模擬器無法滿足空間三結砷化鎵太陽電池的測試要求。

空間三結砷化鎵太陽電池測試使用的太陽模擬器應符合空間太陽電池工作標準,確保太陽模擬器光譜與AM0 光譜一致或接近,從而提高對于空間太陽電池的測試準確度。為更符合AM0光譜,滿足空間三結砷化鎵太陽電池的測試需求,本文設計出一種滿足350~760 nm、760~950 nm、950~1800 nm 3 波段光譜獨立可調的太陽模擬器光源系統(tǒng),以氙燈和鹵素燈作為混合光源,可使調整后的光譜特征與AM0 光譜非常接近,并對其進行測試及校準調。

1 AM0 太陽模擬器設計標準

根據GB/T 6494—2017《航天用太陽電池電性能測試方法》,多結砷化鎵太陽電池測試用太陽模擬器光譜失配誤差評價范圍為光譜區(qū)間350~1800 nm,要求太陽模擬器總輻照度至少在0.8~1.2 個太陽常數范圍內連續(xù)可調,太陽模擬器分別從3 個核心性能指標進行測試評級,包括光譜失配誤差、輻照度不均勻度、輻照度不穩(wěn)定度,等級劃分標準具體如表1 所示。

表1 太陽模擬器的等級劃分Table 1 Grading of solar simulators

2 實現原理

通常1.9eV/1.42eV/1.0eV 帶隙組合的三結太陽電池能實現更好的電流匹配,用于三結太陽電池常見的各結材料有GaInP(禁帶寬度為1.90 eV,吸收光譜波段為400~650 nm)、GaAs(禁帶寬度為1.42 eV,吸收光譜波段為600~870 nm)、GaInAs(通過調節(jié)銦和鎵元素比值,具有可調禁帶寬度0.35~1.42 eV,吸收光譜覆蓋近紅外-紅外)、Ge(禁帶寬度為0.67 eV,吸收光譜波段為880~1850 nm)。組成的常見三結太陽電池有GaInP/GaAs/Ge、GaInP/GaAs/InGaAs等[1]。

對空間三結砷化鎵太陽電池的電性能測試同樣采用傳統(tǒng)太陽電池測試方法,使用太陽模擬器測試前,先用1 個光譜響應與被測對象一致的標準太陽電池來校準太陽模擬器的輻照度。由于空間三結砷化鎵太陽電池的光譜響應是由對應的3個串聯(lián)子電池的光譜響應組成,所以,對于空間三結砷化鎵太陽電池,使用各子電池標準電池單獨校準可使系統(tǒng)測試更加準確[2]。

2.1 光譜可調原理與光源系統(tǒng)

氙燈是已知人造光源里最接近太陽光譜的光源。氙燈光譜在紫外與可見光波段與太陽光譜十分接近,但在波段820~1010 nm 之間有許多峰狀譜,輻照度較AM0 光譜高出很多,因此,需要對該段特征譜進行修正,降低此波段過高的輻照度,確保其光譜符合AM0 光譜的標準,使其滿足空間三結砷化鎵太陽電池測試的需要。參考AM1.5G太陽模擬器進行光譜匹配通常使用干涉濾光片對氙燈光譜進行修正,對于AM0 光譜匹配同樣適用。

由于氙燈主要能量分布集中在波段300~1100 nm,在波段1200~1400 nm 相對能量很低,而AM0 光譜范圍為波段350~1800 nm,若通過提升氙燈電流的方式來調整濾光片,降低可見光波長區(qū)間透過率,雖可滿足整體各光譜波段的相對能量比例滿足A 級光譜要求,但此方案能效相對較低,且光譜范圍較小,僅依靠氙燈很難實現滿足AM0 光譜標準的3 波段光譜自由調節(jié)光源系統(tǒng)。

加入鹵素燈,就可利用鹵素燈補償近紅外部分(波段1000~1800 nm)的能量。將鹵素燈集成吸收型截止濾光片,截止低于1000 nm 波長的光譜范圍,確保鹵素燈輸出到輻照面的能量僅包含近紅外部分的能量。此方案既可避免氙燈能耗過大,又可確保太陽模擬器光譜的相對可調性。

因此,本設計采用氙燈與鹵素燈混合光源,氙燈采用負反饋系統(tǒng),可確保氙燈光能量輸出在調整光譜能量后仍保持在特定輻照度條件下;鹵素燈通過恒壓控制系統(tǒng)實現特定輻照度與光譜特征輸出。

2.2 氙燈光譜調節(jié)與控制系統(tǒng)

氙燈光譜覆蓋350~760 nm、760~950 nm這兩個波段,氙燈的光譜調節(jié)與控制系統(tǒng)采用負反饋系統(tǒng),該系統(tǒng)電路采用晶硅太陽電池作為采集反饋器件,晶硅太陽電池的光譜響應范圍為波段300~1200 nm,可以滿足氙燈光譜波段的測量需求,負反饋系統(tǒng)要求反饋的電壓信號與基準電壓一致。

因此,當插入濾光片修正氙燈輸出光譜能量比例,降低800~900 nm 波段能量后,由相對能量比例可知,經負反饋系統(tǒng)控制后,為使反饋電壓信號一致,會調高氙燈輸出,可見光部分(波段300~800 nm)的相對能量比例會提升,經此動態(tài)平衡調整控制,最終可以獲得符合AM0 光譜失配誤差標準的前兩個波段。

2.3 鹵素燈光譜調節(jié)與控制系統(tǒng)

白熾燈燈管內部安裝有金屬鎢燈絲,內部被抽成真空或充入少量惰性氣體,而鹵素燈就是充有鹵素氣體的鎢絲白熾燈,在高溫下,升華的鎢絲與鹵素進行化學作用,冷卻后的鎢會重新凝固在鎢絲上,形成平衡的循環(huán),避免鎢絲過早斷裂,因此鹵素燈具有更長的使用壽命。通電后,通過加熱鎢絲,鎢絲呈熾熱狀態(tài)并輻射發(fā)光,燈絲溫度越高,輻射的可見光比例就越高,即鹵素燈的轉換率就越高。鹵素燈需達到熱平衡,輻照度才相對恒定,因此測試時應提前打開鹵素燈。

為確保鹵素燈僅輸出波長1000 nm 之后的近紅外能量,將鹵素燈集成吸收型截止濾光片。對于氙燈負反饋系統(tǒng)而言,其光譜響應區(qū)間波段為300~1200 nm,其中鹵素燈能量占比小于10%,對該控制系統(tǒng)幾乎無影響,因此第3 波段(950~1800 nm)仍可相對獨立控制。

鹵素燈控制系統(tǒng)通過可編程開關電源(輸出DC 250V12A)供電實現,本設計采用恒壓輸出模式,控制系統(tǒng)如圖1 所示。使用模擬量(0~10 V)輸出模塊控制開關電源輸出功率,模擬量輸出模塊通過網絡通信與上位機通信,可通過上位機設定模擬量輸出幅值,控制開關電源輸出功率來實現鹵素燈輸出控制,以達到可以調節(jié)鹵素燈輸出光強的目的。

圖1 鹵素燈控制系統(tǒng)圖Fig.1 Control system diagram of halogen lamp

3 測試結果及光譜校準調整

3.1 混合光源光譜測試

按照上述原理搭建光源系統(tǒng),配置基礎濾光片對氙燈和鹵素燈輸出光譜進行調整。使用光譜儀放置在測試輻照面內,通過上位機軟件進行測試;開始測試后,鹵素燈先工作,根據鹵素燈工作的狀態(tài)設定氙燈觸發(fā)的延時時間,當鹵素燈達到熱平衡后氙燈觸發(fā);光譜儀測得混合光源的光譜,光譜測試數據通過光譜儀軟件顯示,并根據GB/T 6494—2017 對測試結果進行評級。本文設計光源系統(tǒng)的光譜測試結果與光譜圖分別如表2、圖2 所示,測試結果均為A 級,證明本文所設計光源系統(tǒng)與AM0 光譜能夠很好的匹配。

圖2 本文設計光源系統(tǒng)的光譜圖Fig.2 Spectral diagram of light source system dedesigned in this paper

表2 本文設計光源系統(tǒng)的光譜測試結果評級Table 2 Rating of spectral test results of light source system ddesigned in this paper

3.2 光譜修正校準

使用太陽模擬器對太陽電池進行電性能測試前,應先用1 個光譜響應與被測對象一致的標準太陽電池來校準太陽模擬器的輻照度,使測的得標準太陽電池的短路電流值等于其標定值即為完成校準。三結太陽電池同理,空間三結砷化鎵太陽電池的光譜響應是由對應的3 個子電池的光譜響應組成,且空間三結砷化鎵太陽電池為串聯(lián)結構,所以測試時必須用各子電池標準電池單獨校準,使測試被測對象時可以做到相對準確。

調整光譜時,由于氙燈基于硅基太陽電池負反饋系統(tǒng),需要滿足硅基光譜段,因此優(yōu)先調節(jié)氙燈光譜。由于氙燈為負反饋系統(tǒng),此時氙燈的電流會對應調大,確保相對輻照度穩(wěn)定,基于此,某光譜波段相對能量比例下降,另一波段相對能量比例則會提升。

結合光譜匹配測試結果,氙燈光譜修正的實現依靠對第2 波段(760~950 nm)的能量調節(jié)。選擇波段770~860 nm 窄帶截止濾光片衰減第2波段的相對能量比例,降低某一波段的光譜比例,需將該波段對應的窄帶截止濾光片以不同面積比例送入光路中。根據系統(tǒng)光譜特征將窄帶截止濾光片設計為楔形結構,通過插入光源部分的不同面積比例來調控第2 波段相對能量比例。由于氙燈使用PID 電路控制,當第2 波段相對能量變低后,第1 波段(350~760 nm)的相對能量會提升[3]。此時,通過調整窄帶截止濾光片插入面積比例,可同步調整前兩個波段的光譜匹配,以滿足三結太陽電池中第1、第2 塊子電池的光譜測試需求。進行光譜修正時,使兩塊標準子電池的測試值均與其標準值接近,此時光譜即滿足兩塊子電池的光譜測試需求。在滿足A 級光譜匹配標準的條件下,第2 塊子電池所對應第2 波段的相對能量比例調整范圍約在0%~15%之間,相應第1 波段也會提高0%~5%不等。

鹵素燈集成吸收型截止濾光片,只輸出1000 nm 之后近紅外能量,該波段能量占比相對氙燈總能量較少,對氙燈的負反饋系統(tǒng)幾乎無影響,因此第3 波段(950~1800 nm)的能量調節(jié)可做到相對獨立控制,可直接通過控制鹵素燈的電流強弱來實現該波段的相對光譜調節(jié),以進行光譜修正,調整鹵素燈電流匹配使第3 塊子電池的測試值對應到標準值。在滿足A 級光譜匹配標準的條件下,第3 塊子電池所對應第3 譜段的能量比例調整范圍約在0%~20%之間。

3.3 光譜分布調節(jié)測試驗證

測試使用三結子電池標定短路電流(ISC)值分別為頂電池(第1 塊子電池)66.1 mA、中電池(第2 塊子電池)69.8 mA、底電池(第3 塊子電池)112.3 mA。在標準條件1 個AM0 光譜下,使用上述設備進行測試,首先在未進行光譜分布調節(jié)(即楔形濾光片插入量為0)時進行初測,結果為頂電池短路電流為65.71 mA、中電池為71.24 mA、底電池為117.53 mA,相對能量比例第1 波段偏低,第2 波段和第3 波段偏高。

對楔形濾光片進給量與鹵素燈能量進行調整。當楔形濾光片進給量為30%,即削弱第2 波段相對能量比例,且經負反饋調節(jié)后第1 波段相對能量比例動態(tài)升高,第3 波段獨立調節(jié)降低到合適位置,此時測得頂電池的短路電流為66.18 mA、中電池69.88 mA、底電池112.42 mA,與標定值接近,在當前的配置下即可準確地對三結太陽電池進行電性能測試。

由此可以證明:本文設計的3 波段光譜獨立可調的設計能夠給空間三結砷化鎵太陽電池的電性能測試提供一個便捷且準確的測試條件。

4 結論

本文設計了一種AM0 太陽模擬器,對其獨立可調光源的光譜合成設計思路進行了闡述,重點介紹了氙燈與鹵素燈光譜調節(jié)與控制原理。本系統(tǒng)結構簡單,易于設計,且實現成本低廉,可滿足三結砷化鎵太陽電池對3 個不同波段的測試光譜匹配要求,實現了3 段光譜獨立可調,為空間三結砷化鎵太陽電池測試提供了相對理想的測試條件。

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