基于多光谱LED组合的A+级太阳能模拟器优化设计与实验验证

太阳能模拟器用于室内模拟太阳光，LED 因高效、长寿命在其设计中受关注。国际电工委员会的IEC 60904 - 9:2020标准更新，引入新光谱范围、A + 类光谱要求等准则，Luminbox全光谱LED太阳模拟器，致力于满足大面积均匀光照的严格要求，以A+AA+综合性能，实现光谱精准、辐照均匀与运行稳定的三重突破，通过权威认证，为科研与工业测试提供高可靠、标准化的全光谱光照解决方案。

太阳模拟器的核心作用

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太阳模拟器的主要功能是复现太阳光谱，是一种能够在室内条件下对太阳能电池特性进行可控测量的设备。传统的太阳模拟器通常使用氙灯或卤素灯作为光源，但这些光源存在能耗高、寿命短、光谱匹配度有限等问题。

相比之下，LED光源具有显著优势：

高效节能：LED的功率转换效率远高于传统光源。

长寿命：LED的使用寿命可达数万小时，远胜氙灯。

精准调控：通过组合不同波长的LED，可以更灵活地匹配太阳光谱。

模型与计算方法：

多光谱优化探寻最优解

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本文旨在通过一系列模拟，依据标准中最新定义的准则，对基于LED 的以及 LED 与卤素灯混合的太阳模拟器进行优化。

研究人员在研究中考虑了15 种光源光谱。为确定满足A + 类光谱要求的最少光源组合，他们先通过数值优化找到初步的光源子集，之后再添加光源以降低光谱失配。在这一过程中，Matlab 优化工具箱里的 fmincon 求解器发挥了重要作用，它能帮助研究人员找到满足约束条件的非线性多变量函数的最小值。

光源模型表

A+太阳能模拟器的最小光源集

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研究发现仅用四种LED 光源就能实现 A + 类光谱，如 L4.1 和 L4.2 配置。L4.1 配置保留了与之前研究中相同的光谱覆盖，但光谱偏差有所增加；L4.2 配置由于采用了 1050nm 的 LED，光谱覆盖更高且偏差更低，这得益于其与标准 AM1.5G 光谱中大气传输窗口的匹配。

AM1.5G 参考光谱与经调整的太阳能模拟器光谱图

降低光谱失配因子

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尽管L4.1 和 L4.2 配置满足 A + 类光谱要求，但它们的光谱失配因子符号相反。通过混合这两种配置的光源形成 L5 配置，并添加 365nm 的 UV LED 得到 L6 配置，能显著降低光谱失配因子，同时提高光谱覆盖、降低光谱偏差。

L4.1、L4.2 及混合配置 L5 的光谱图

展示不同配置太阳能模拟器光谱，以及L5、L6 配置下光谱失配因子与 365nm UV LED 辐照度关系图

提高光谱覆盖

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卤素灯的宽光谱特性为提高1100-1200nm 的光谱覆盖提供了有效途径。例如 H5 配置，仅用五种不同类型的光源就实现了较高的光谱覆盖；H6 配置在此基础上添加 405nm LED，进一步提升了光谱覆盖，且光谱失配因子也处于较低水平。

H8 配置太阳能模拟器光谱及光谱失配因子与 k 关系图

不同照明光谱下模拟的j-v 曲线

电流 - 电压特性模拟

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通过模拟不同光谱照射下硅光电池的电流 - 电压特性发现，仅 LED 的模拟器短路电流密度比标准 AM1.5G 光谱高 12%，而混合了卤素灯的模拟器短路电流值更接近标准值，开路电压差异则较小。这表明混合模拟器在模拟真实太阳光方面具有一定优势。

L6 模拟器原始和 a-Si 优化光谱，以及光谱失配因子与 740nm LED 辐照度关系图

H5 模拟器原始和 a-Si 优化光谱，以及光谱失配因子与 740nm LED 辐照度关系

设计的可制造性

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研究人员以之前的太阳能模拟器为基础进行实验，验证优化设计的可制造性。实验发现，添加365nm 和 1050nm 的 LED 后，能在一定程度上实现优化目标。虽然集成卤素灯存在技术挑战，但实验证明在现有模拟器的尺寸范围内，有望实现混合太阳能模拟器的光谱优化，不过 1050nm LED 的功率或布局还需进一步优化。

混合太阳能模拟器实验设计图

研究结论：开启新的研究方向

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研究表明，利用新定义的光谱范围和LED 的特性，仅用四种不同类型的光源就能构建 A+类太阳能模拟器。通过精心设计 LED 组合，可大幅降低光谱失配因子。调整 740nm LED 的辐照度对不同类型光电池的光谱失配影响不同，可用于同时优化针对多种光电池的太阳能模拟器，但可能需要在光谱等级上做出一定妥协。此外，使用卤素灯能有效提高光谱覆盖，混合模拟器在性能上表现更优。实验还验证了部分优化设计的可制造性，为后续研究和实际应用奠定了基础。

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全光谱大面积LED太阳模拟器

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全光谱大面积LED太阳模拟器以A+AA+综合性能，实现光谱精准、辐照均匀与运行稳定的三重突破，通过权威认证，为科研与工业测试提供高可靠、标准化的全光谱光照解决方案，推动精密光学实验迈向更高精度与可重复性。

1.A+级光谱匹配：300-1200 nm全覆盖，误差≤1%（IEC标准）。

2.高均匀辐照：45cm×45cm区域不均匀度仅1.8%（A级）。

3.超稳运行：20分钟波动≤0.5%（A+级）。

4.权威认证：国家计量院校准，国际标准合规。

5.工业级设计：适配光伏、材料、光催化等多场景。

LED太阳模拟器的诞生，标志着光伏测试技术从“经验驱动”全面转向“数据驱动”。Luminbox全光谱大面积LED太阳模拟器的模块化设计、光谱可编程特性与长时稳定性，不仅为实验室研究提供了可追溯、可复现的光照基准，更突破了传统光源在工业级大规模测试中的效率瓶颈。

原文参考：《Rational selection of light sources for LED-based solar simulators》

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