太陽光是生活中最常見的光源，也是最清潔的能源，在很多科研場景中都需要考慮太陽光的影響，但是太陽光會隨著時間、天氣等因素的變化而發生變化，因此如何模擬出穩定可控的太陽光在光伏、航空航天和汽車等眾多領域有十分重要的研究價值
太陽光模擬器標準
按照IEC 60904-9，JIS 8904-9和ASTM E927-10用于光伏測試的太陽能模擬器需要滿足光譜匹配度，輻射空間均勻性和時間不穩定性的要求 。
總輻照度
太陽光模擬器須要在測試平面上達到1000W/m2的總輻照度，并且能夠根據需要對輻照度的大小進行調節。
光譜匹配
太陽光模擬器的光譜輻照度分布須要與 am1.5g 標準太陽光光譜輻照度分布匹配， 下表給出了 am1.5g 標準太陽光光譜輻照度分布。
波長間隔 [nm] | AM1.5D | AM1.5G | AM0 |
300–400 | 沒有規格 | 沒有規格 | 8.0% |
400–500 | 16.9% | 18.4% | 16.4% |
500–600 | 19.7% | 19.9% | 16.3% |
600–700 | 18.5% | 18.4% | 13.9% |
700–800 | 15.2% | 14.9% | 11.2% |
800–900 | 12.9% | 12.5% | 9.0% |
900–1100 | 16.8% | 15.9% | 13.1% |
1100–1400 | 沒有規格 | 沒有規格 | 12.2% |
均勻度
在測試平面上，太陽光模擬器出射光照射在指定測試區域內的輻照度應達到一定的均勻度。不均勻度的定義如上圖所示。
輻照穩定度
在測試期間內，太陽光模擬器的輻照度應該具有一定的穩定度。輻照不穩定度的定義如上圖所示。
每個維度都分為三個等級之一：A、B 或 C。每個等級所需的規格在下表中定義。在所有三個維度上都滿足 A 級規范的太陽模擬器被稱為 A 級太陽模擬器，或者有時稱為 AAA 級
特性 | 等級 A | 等級 B | 等級 C |
光譜匹配度 | 0.75-1.25 | 0.6-1.4 | 0.4-2.0 |
輻照不均勻度 | ≤±2% | ≤±5% | ≤±10% |
輻照不穩定度 | ≤±2% | ≤±5% | ≤±10% |
太陽模擬光譜通過多個波長間隔的積分輻照度進一步指定。AM 1.5G 的標準地球光譜以及地外光譜AM 0的總輻照度百分比如下表 所示。
波長(λ)范圍/μm | 各波段總輻照度的百分比 |
0.4-0.5 | 18.5 |
0.5-0.6 | 20.1 |
0.6-0.7 | 18.3 |
0.7-0.8 | 14.8 |
0.8-0.9 | 12.2 |
0.9-1.1 | 16.1 |
這些規范主要用于測試硅基太陽能電池測試，因此定義間隔的光譜范圍主要限于硅的吸收區域。這種定義也能滿足其他光伏技術，包括基于CdTe或CIGS技術的薄膜太陽能電池，
太陽模擬器光源的類型
氙燈
氙燈是一種高強度氣體放電燈，通過瞬間產生的高壓使氣體發生電離，形成放電通道，產生電弧光，然后在較低的工作電壓下保持穩定的弧光放電。氙燈光譜圖如下圖1-3 所示，紅線是氙燈發光的光譜，黃線是標準太陽光光譜，可以看出，氙燈發光的光譜與標準太陽光十分近似，只是在部分波長有很高的尖峰。
利用氙燈作為太陽光模擬器的光源存在的主要優點如下：一是光譜匹配度高，氙燈的色溫在 6000K 左右，與太陽光十分近似，從上圖 1-3 中可以看出，氙燈光譜與am1.5g 標準太陽光光譜十分近似，光譜匹配度很高；二是氙燈的光響應速度快，氙燈是通過瞬間產生的 20kV 高壓脈沖將氙氣電離形成發光的電弧，不需要預熱就能達到穩定的光輸出；三是氙燈的發光亮度十分高，具有很高的發光效率，十分適合制作大面積的太陽光模擬器。利用氙燈制作太陽光模擬器也有一些缺陷：一是氙燈需要高達 20kV 的電壓來啟動，具有一定的危險性，不適合實驗教學場合使用；二是穩定性較差，氙燈需要20kV 的高壓來啟動，啟動器在長時間容易發生故障，而且燈泡容易失效，故障率相對較高；三是光學結構復雜，氙燈的光譜中有許多遠遠偏離的尖峰，需要設計復雜的濾光結構將這些尖峰過濾掉。
金屬鹵化物弧光燈
鹵鎢燈，又稱鹵素燈、石英燈等，是對白熾燈的一種改進，鹵鎢燈在玻璃外殼中充有碘或者溴等鹵族元素氣體。鹵鎢燈的工作原理為：與白熾燈類似，鹵鎢燈也是通過燈絲發熱而發光，不同的是鹵鎢燈的燈絲在發熱時，部分鎢原子受熱蒸發，移動到玻璃外殼附近后，由于外殼溫度較低鎢原子又降溫和鹵素原子結合在一起，形成鹵化鎢，鹵化鎢在高溫時并不穩定，在隨著熱流回到燈絲附近后，鹵化鎢遇熱分解，又重新分離為鎢原子和鹵素蒸汽，這樣鎢原子又重新回到了燈絲上，彌補被蒸發的部分。這種鎢原子循環往復運動使得鹵鎢燈的壽命比白熾燈更長，而且由于工作溫度更高，發光的亮度、色溫以及發光效率都高于白熾燈。
利用鹵鎢燈作為太陽光模擬器光源，在可見光至近紅外范圍內具有連續穩定的發光光譜，發光強度也比較高，但也存在以下問題：一是與太陽光光譜匹配度低，如圖1-2 所示，是鹵素燈的光譜圖，可以看出鹵鎢燈發出的光線大部分是紅外光，紅外波段能量遠大于太陽光，缺少藍紫光，可見光波段能量占比也很少；二是亮度調節范圍較窄，鹵鎢燈可以調光，但是調光范圍十分有限，因為鹵鎢燈是通過發熱來發光，必須保證燈絲足夠高的溫度，因為溫度過低時，不僅僅會使得色溫更低，還可能終止鹵鎢循環，影響燈泡正常工作；三是慮光系統設計復雜，需設計慮光系統，過濾掉能量過多的紅外輻射光線；四是穩定性差，鹵鎢循環過程中，一些鹵化鎢會附著在燈泡內壁導致鹵鎢燈泡發黑，影響鹵鎢燈的光輸出；五是使用壽命短，鹵鎢燈的失效原因和白熾燈類似，主要是燈絲蒸發后逐漸變細，時間長后可能會熔斷，雖然鹵鎢燈的壽命相較白熾燈有所提高，但是相較 LED 等其他光源，壽命仍然偏低；六是發光效率低，與白熾燈類似大部分電能轉化為了熱能，只有少部分能量轉化為了光能，發光效率遠低于氙燈和LED 燈；七是預熱時間長，鹵鎢燈是通過燈絲發熱來發光，在燈絲溫度低時發光色溫也低，必須等待燈絲溫度足夠高時，才有足夠高的色溫。
LED
LED 全稱是發光二極管，是一種能夠發光的半導體器件，LED 的主要發光部件是由 PN 結組成的，PN 結由電子（帶負電）多的 N 型半導體和空穴（帶正電）多的 P 型半導體結合而成，當向 PN 結施加正向電壓時，電子就會移動并在結合部再次結合，在結合的過程中產生大量的能量，而這些能量以光的形式釋放出來。LED 的發光是自發輻射的過程，其發光的波長僅僅與 PN 的材料有關，而與電流的大小無關。對于白光LED，通常是由藍光 LED 激發黃色熒光粉從而形成白光。
利用 LED 作為太陽光模擬器的光源具有如下優點：一是光譜范圍廣，目前市場上已有多種波長的 LED 成熟產品，通過不同波長的 LED 組合，可覆蓋太陽光的整個光譜范圍；二是安全穩定可控，LED 工作的電壓很低，使用低壓恒流源驅動，相對于氙燈采用高壓脈沖啟動，更加安全穩定可控；三是使用壽命長，LED 光源的壽命約為幾萬小時，遠比鹵鎢燈氙燈等光源壽命長；四是亮度調節范圍廣，LED 的亮度可以通過電流來控制，電流的大小僅僅影響 LED 發光的亮度，不會影響 LED 發光的波長，因此LED 太陽光模擬器的總輻照度調節范圍很大。利用 LED 光源制作太陽光模擬器也有一些缺點：單個 LED 的發光光譜范圍十分有限，為了與太陽光光譜匹配，需要用很多 LED 進行組合，因此需要對各種 LED 進行獨立的驅動，最終組合成太陽光，因此采用 LED 光源制作的太陽光模擬器的驅動電源會比較復雜。另外，多種不同 LED 光線之間的混光，以及 LED 的散熱等問題也是需要考慮到的缺陷。
隨著 LED 產業的發展成熟，驅動、散熱、混光、控制等問題逐步得到解決，LED 太陽光模擬器已經逐漸成為太陽光模擬器未來發展的方向。我國是光伏產業大國，也是 LED 制造大國，研制 LED 太陽光模擬器，不僅有助于降低太陽能電池生產測試的成本，而且有助于產業間和合作共贏。采用穩定可靠的 LED 太陽光模擬器作為測試時的標準光源，對于提升產品品質也有重要意義。同時，LED 光源的高安全性，也使得其更適合實驗教學。
