日光模擬器AM0模擬太陽光條件下太空光伏電池的光電性能測量

AM0模擬太陽光條件下太空光伏電池的光電性能測量

三結砷化鎵（GaInP/InGaAs/Ge）光伏電池具備300~1800nm寬光譜響應、超30% 光電轉換效率及優異抗輻照性，是航天器在軌運行的核心電源。其光電性能需在AM0標準條件下標定，以匹配太空環境的太陽輻照特性。地面太陽光模擬器法可控性強、受環境影響小，成為航天光伏電池性能測量的主流技術。

本文基于紫創測控Co-fly穩態太陽光模擬器，系統闡述航天光伏電池的光電性能測量方法。

測量原理

（ａ）太陽光模擬器原理示意圖（ｂ）太陽模擬器的光譜與標準ＡＭ0光譜的對比

首先通過標準光伏電池將太陽光模擬器的輻照度校準至AM0 標準值（1367W/m²），光譜匹配AM0 標準光譜。測量時將被測電池溫度精確控制在(25±1)℃，通過程序調節偏置電壓，掃描記錄電池在模擬太陽光輻照下的電流- 電壓（I-V）特性數據，進而提取短路電流（Isc）、開路電壓（Voc）、發電功率（Pmax）等關鍵參數。

測量核心裝置

實驗采用AAA穩態太陽光模擬器，其光譜與AM0 標準光譜的匹配度在全波段范圍內均優于95%（光譜失配度 < 5%），同時具備優異的輻照度均勻度和長期穩定性。配套設備包括半導體控溫臺（溫度控制精度±1℃）、多通道數據采集系統及量子效率測量裝置，可實現I-V 曲線掃描、光譜響應度測試等功能。

標準器標定與量值溯源

1.       標準器選擇

選用與被測電池結構一致的同型標準光伏電池作為量值傳遞載體，其頂、中、底三子結分別單獨引出接線端子，確保各子結光譜響應度可獨立標定，避免子結間相互干擾。

2.       標定方法與溯源路徑

基于 ＤＳＲ法的標準光伏電池校準裝置及其量值溯源示意圖

采用差分光譜響應度（DSR）法標定標準電池的AM0 特性，通過積分標準電池光譜響應度 S (λ) 與 AM0 標準光譜輻照度 E (λ)，計算短路電流標定值：ISTC=A⋅∫S(λ)⋅E(λ)sulardλ（A 為電池面積）。量值溯源路徑為：同型標準光伏電池→標準探測器→陷阱探測器→低溫輻射計（光學計量標準），最終實現關鍵參數獨立溯源至國際單位制（SI）。

光譜失配誤差控制

多結電池的光譜失配是影響測量精度的關鍵因素。依據IEC 60904-7 標準，計算光譜失配因子（MMF），通過迭代調節太陽光模擬器光譜和輻照度，確保各子結滿足| MMF-1|<1%。實驗中因太陽光模擬器與AM0 光譜匹配度高，且底電池電流遠大于頂、中電池，僅需重點校正頂、中電池的失配誤差，最終頂電池失配偏差為0，中電池為0.06%，可直接采用標準電池標定值校準光源。

測量結果與分析

基于太陽模擬器法測量的三結砷化鎵光伏電池的光電性能。（ａ）四個樣品的實物照片；（ｂ）光電性能

1.       關鍵性能參數

對4 個三結砷化鎵光伏電池樣品的測量結果顯示：短路電流在195.6~198.2mA 之間，開路電壓均超過2.5V，發電功率為415.3~429.7mW，填充因子（FF）維持在83%~85%之間，體現了航天級電池的優異性能。測量不確定度分析表明，短路電流、開路電壓、發電功率的擴展不確定度（k=2）分別為2.5%、1.0% 和 2.7%。

2.       溫度系數測量

為支撐電池在軌性能評估，通過15~55℃范圍內的變溫測試，獲得關鍵參數的溫度系數：短路電流為0.0732mA?℃?¹，開路電壓為- 5.71mV?℃?¹，發電功率為- 0.988mW?℃?¹。

綜上，本文建立的模擬太陽光下航天光伏電池測量方法，通過太陽光模擬器、DSR 標定技術及嚴格的光譜失配控制，實現了三結砷化鎵光伏電池關鍵光電參數的精準測量，量值可獨立溯源至SI。測量結果顯示，該方法在短路電流、開路電壓和發電功率等核心參數上的精度滿足航天任務要求。