在現代能源研究與產業應用領域，太陽光模擬器是評估太陽光電池性能的關鍵設備。傳統的氙閃燈或短弧燈作為光源，存在壽命短、重新加載時間長和校準程序繁瑣等問題，如今，隨著高功率LED 技術的不斷進步，一款新型的可調諧 LED 太陽光模擬器應運而生，其研發成果為該領域帶來了新的希望與發展方向。Luminbox太陽光模擬器采用先進光學技術，能夠精準模擬自然太陽光譜，確保實驗環境與真實太陽光照條件高度一致。

研發背景與目的

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傳統太陽光模擬器通常采用氙閃燈或短弧燈來模擬AM1.5G光譜，然而這類設備存在顯著弊端：光源壽命較短，更換成本高且會對生產效率產生影響；閃光發生器加載時間長，造成測試通量低下；校準程序復雜且耗時，難以保障測量精度。

有鑒于此，研究人員致力于讓模擬器覆蓋硅基太陽電池所需的紫外（UV）至近紅外（NIR）全光譜范圍，通過提升測量精度、降低維護成本，為電池研發與生產提供高效的測試方案。

LED 光源設計

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目標光譜與靈活性

模擬器的目標光譜范圍設定為350 - 1100nm。在模擬全光譜時，會優化每個LED 的正向電流，使其滿足相關規范要求。而且，LED 光源的靈活性可讓用戶根據具體應用需求，靈活匹配光譜。

LED選擇：多波段組合：紫外（365-400nm）、藍（450nm）、綠（530nm）、紅（630-660nm）、近紅外（800-1000nm）等。下圖展示了太陽光模擬器期望達到的光譜效果，體現了對不同波長光的調控目標，以及與標準光譜的匹配關系。

太陽光模擬器的目標光譜圖

可見光區域

采用高功率LED 覆蓋可見光區域雖相對容易，但通過紅、綠、藍三色組合生成白光時，易在 560nm 附近形成光譜間隙。該模擬器通過避免使用白光LED 方案，有效填補了綠色（525nm）至黃色（590nm）光譜區間的空白，在保持全光譜區域可調性的同時，無需額外補償模塊。

紫外線區域

LED 光譜分布具有一定寬度，在紫外線區域可利用這一特點填補不同LED 基本波長之間的間隙。通過疊加多個近似高斯分布的函數，使光譜總和達到預期標準。雖然UV 區域高功率 LED 數量較少，但所需正向電流低于最大允許電流，延長了 LED 使用壽命。下圖中窄線展示了三個不同波長LED 的輻照度隨波長的變化，展示了在紫外線區域實現光譜匹配的方法和原理。

紫外區域的模擬細節圖

近紅外區域

研究人員組裝了包含6 種不同 LED 的測試頭進行測量，結果與模擬數據一致。通過單獨調節正向電流，可填補光譜間隙，并滿足相關標準對光譜強度的要求。與傳統氙燈光譜相比，LED 光譜強度變化更平滑，能減少因光譜峰值不穩定帶來的測量不確定性。下圖展示了在近紅外區域的測量結果和理論曲線，通過對6 個不同 LED 的測試和測量，驗證了模擬數據的準確性，表明可以通過調節正向電流來匹配太陽能光譜強度要求。

紅外區域的測量圖

光學設計

當前IR - LED測試頭中的高功率光源均勻性不足。未來將通過構建密集LED 陣列，并改進鏡通道作為均化元件，解決這一問題。

結論與展望

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目前，可調諧LED 太陽光模擬器已具備良好的時間穩定性，但在均勻性方面距離理想標準仍有較大提升空間。光譜匹配方面，模擬顯示可與目標光譜緊密匹配，近紅外區域的首次測量也證實了模擬光譜的可行性。隨著先進冷卻技術的應用，有望實現全強度、全光譜照明，為相關領域提供具有獨特優勢的新型光源。

Luminbox太陽光模擬器

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Luminbox太陽光模擬器采用先進光束準直技術與高均勻光斑設計，精準復現AM1.5G太陽光譜，輻照輸出穩定，為實驗室提供高效可靠的光照測試解決方案。

AAA級性能：光譜匹配度符合IEC60904-9標準AAA級，可達實驗室校準精度；

長效穩定：優化光源設計大幅降低維護頻率，減少校準與停機時間，提升實驗效率；

應用場景：可選配光學濾鏡，靈活模擬室內外日光環境，滿足多元測試需求。

未來，隨著高功率LED 技術的應用，有望實現全強度、全光譜照明，Luminbox太陽光模擬器致力于為科研與工業測試提供高精度、穩定可靠的光源解決方案，也將在光伏產業、航天技術等領域發揮更為重要的作用，為人類對太陽能的利用和探索提供更有力的支持。

原文出處:《Development of tunable close match LED solar simulator with extended spectral range to UV and IR》

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