太阳光谱介绍.doc

太阳光谱介绍 (描述分类AM0, AM1.5)太阳表面温度接近6000K，因此其放射光谱几乎等同于该温度下的黑体辐射，并且光谱照射是并无方向性的，地球与太阳相距约一亿5千万公里远，而能到达地球表面的光子，几乎只有正向入射至地球表面的光谱所贡献，到达地球大气圈表面的光谱辐射能量定义为太阳常数(solar constant)，其数值大约1.353 kW/m2 ，因此大气圈外的太阳光谱定义为AM0，其中大气质量(air mass)用来估量因为大气层吸收后，所导致影响太阳光谱表现与总体能量值，而这些能量值亦是地球表面应用的太阳电池组件所能运用的。图二说明大气质量的计算方法，大气质量数值常是使用Air Mass =1/cos 来计算的，其中=0所代表的是太阳光线从头顶上方直射下来，而由上述的计算市中可知，地球表面用以衡量太阳光谱的大气质量值是大于等于1，目前被惯以使用的太阳光谱AM1.5，即是太阳光入射角偏离头顶46.8度，当太阳光照射到地球表面时，由于大气层与地表景物的散射与折射的因素，会多增加百分之二十的太阳光入射量，抵达地表上所使用的太阳电池表面，其中这些能量称之为扩散部份(diffusion component)，因此针对地表上的太阳光谱能量有AM1.5G (global)与AM1.5D(direct)之分，其中AM1.5G即是有包含扩散部分的太阳光能量，而AM1.5D则没有。图三所表示的即是大气圈外(AM0)与地表上(AM1.5)太阳光能量光谱。图二、大气质量的计算方法示意图图三、大气圈外(AM0)与地表上(AM1.5)太阳光能量光谱太空用的太阳电池组件电性量测所使用的标准光谱是以AM0，而地面上应用的太阳电池组件电性量测所使用的标准光谱，依其应用性之不同，可采用AM1.5G或是AM1.5D，其中AM1.5G光谱的总照度为963.75W/m2，而AM1.5D光谱的总照度为768.31W/m2，在量测计算应用上方便，常会将此二值做归一化(normalize)至1000 W/m2。太阳光源仿真器太阳电池组件的电性量测，是可分别于户外(outdoor)或是室内(indoor)来进行的，而太阳电池组件会有容易受到温度、照度影响与地利位置等因素的影响，所以在户外进行量测所得到的数据不易有再现性与可比较性，虽不利于太阳电池的研究开发之用，但对于已完成的太阳电池模块的实际发电效率监控却是有莫大的帮助，基于前述理由，目前主要的太阳电池组件量测工作，大多数都于室内来进行测试，组件电性量测过程所需的太阳光线，是利用太阳光仿真器(solar simulator)来提供近似太阳光谱的光源，同时因为太阳电池组件的电力输出，与太阳光频谱有着密不可分的关系。因此太阳光仿真器的优劣，即会大大影响组件的测试结果，因此有美国标准量测规范ASTM E927、IEC 60904-9 与 JIS C8912 等标准来规范太阳光仿真器的等级区分，综合光源的照射强度均匀性(No uniformity of total irradiance)、照射不稳定性(Temporal instability of irradiance)、光谱合致度(spectral match)，将太阳光仿真器等级分为A、B、C三个等级，如表一所示。目前常用的单一光源太阳光仿真器有卤素灯泡(tungstenhalogen lamp, ELH) 与 Xe灯泡(Xenon lamp)为主，卤素灯泡搭配dichroic filter所组成的太阳光仿真器属于C级，主要是因为其在波长0.70.8m范围能量过高，在0.40.5m范围能量却不足，而使用Xe灯与合适AM1.5G filter所组成的太阳光仿真器，其光谱波长短于0.8m范围可达A级，而在0.81.2m波长范围有着强烈的原子放射波段(atomic line)，虽无法达到完全近似太阳光谱，但对于传统的单一接面(single junction)太阳电池组件电性量测来说是足够的。表一、太阳光仿真器分级标准太阳电池光谱响应量测太阳电池组件的光谱响应特性，直接影响着组件能量转换效率表现，而太阳电池光谱响应量测(spectrum response measurement)的物理意义是测试太阳电池所产生光电流对应吸收光谱波段范围，因此对于研究开发太阳电池而言，了解组件对太阳光谱的响应特性是相当重要的，不仅是可用于太阳电池组件的电性量测输出特性的修正，亦是做为多接面太阳电池(multi-junction solar cell)组件设计重要信息，因为多接面的太阳电池是以串联结构设计，目的是着眼于如何有效的运用太阳光谱来得到更多的可用电力输出，所以藉由太阳电池光谱响应特性，可以协助研发人员设计出更高转换效率的组件，图四为用于太阳电池光谱响应研究的量测设备结构示意图。图四、用于太阳电池光谱响应研究的量测设备结构示意图太阳电池量测值修正目前用来评估太阳电池电性输出主要是使用太阳光仿真器(solar simulator method)与标准参考电池法(reference cell method)，但由于利用太阳光仿真器所产生光源的光谱与实际自然太阳光连续光谱仍有些微差距，并且选用的标准参考电池的光谱响应与所用测试的太阳电池的光谱响应也不尽相同，因此藉由上述的测试方法所的组件电性特征值会与真实太阳光下操作的特性输出有异，因此有必要进行修正，修正方法是根据ASTM E973所规范的，主要的修正是要找出频谱不吻合参数(spectral mismatch parameter)。若待测太阳电池组件的频谱响应特性与标准参考电池组件特性相同，或太阳光仿真器光谱与标准参考光谱相同时，这样对太阳电池组件的量测将显得相当简易，但往往事实未如此简单，因为通常待测太阳电池组件的频谱响应与标准参考太阳电池不尽相同，所以需要藉由推算出频谱不吻合参数值，可藉此调整太阳光仿真器光源强度。 目前无论是业界或研究单