LED 太陽光模擬－照亮暗面
LED 太陽光模擬－照亮暗面
重點解析：LED 太陽光模擬器、雙面光伏研發與多接面光伏
光伏技術的未來，當兩面都能接收到光線時，將展現更大的發展潛力。要設計能夠準確測試正面與背面（雙面）照明情境的太陽光模擬器，需要考量多項因素。LED 太陽光模擬器已成功應用於多種配置，以推動研發並提升太陽能轉換效率。
穩定性與光譜匹配是關鍵，而對於串聯鈣鈦礦（tandem perovskite）、異質接面（heterojunction）及多接面（multijunction）等現代先進光伏元件而言，均勻度尤其重要。
此外，對最新光伏材料的研究，也需要更廣泛的光譜範圍。像 Innovations in Optics（IOI）的 Class A+A+A+ LumiSun™ 系列所提供的獨立波長控制功能，也能增加量測彈性，並可精細調整光譜，以符合不同研究人員的需求。
現代光伏－捕捉更多光子
如今的光伏技術已不再局限於單一厚層矽接面。串聯與多接面太陽能電池能更有效地捕捉太陽光譜中的不同部分。
這些新一代太陽能電池在電流匹配、光譜敏感度、橫向載子流以及局部熱效應方面具有非常嚴格的要求。
典型 IEC Class A 的空間不均勻度 <2%，可能已無法提供研究等級所需的充分準確度。事實上，Class A+（<1% 不均勻度）搭配低光譜偏差，正逐漸成為先進光伏研究的必要條件。
相較於具有空間結構與漂移問題的弧光燈，搭配精密光學元件的 LED 陣列能夠透過獨立控制的通道、可調整的功率分布及光譜混合，實現經過設計的均勻度。
此外，若每一個波長都能獨立達到 Class A+ 的不均勻度，也將具有額外的優勢。
為便於說明，Class A+A+A+ 太陽光模擬器（例如 LumiSun™ 系列）與 Class AAA 太陽光模擬器，依據 IEC 60904-9 Edition 3.0 2020-09，其光譜匹配、輻照度不均勻度及時間不穩定性的定義如下：¹
表1：依據 IEC 60904-9 Edition 3.0 2020-09，Class A+A+A+ 與 Class AAA 太陽光模擬器的定義。
此外，除了 Class 分類之外，**光譜覆蓋率與光譜偏差**也是重要的評估指標，IEC 對其定義如下：²
為了在測試與研究中取得高準確度，使用者應選擇具備 Class A+A+A+、高 SPC、低 SPD 的太陽光模擬器，並具有各波長獨立控制功能，以實現客製化光譜。
雙面光伏系統的測試
研究人員經常將**雙面受光能力（雙面集光）與串聯或多接面太陽能電池（多個能隙層）**結合，以最大化整體性能。
例如，寬能隙鈣鈦礦頂層電池吸收可見光，而具有較窄能隙的雙面矽、CIGS 或 CdTe 底部接面則吸收近紅外光以及來自背面的反射光。
因此，了解元件在廣泛照明條件下的性能非常重要。
LED 太陽光模擬器在光譜輸出方面具有高度彈性，因此能夠在多種背面反射率情境下進行測試。
圖 1 顯示典型的雙面光伏系統概念。
由於具有更多表面積可以吸收太陽光，雙面多接面太陽能板的效率可以超過 30%。
其相較於單面太陽能電池的優勢程度，也取決於環境條件，尤其是安裝地點的反射率（反照率，albedo）。
當穿過或繞過太陽能板的光線照射到玻璃、石材或雪等高反射率表面時，雙面太陽能板能發揮最佳效能。
根據地面反射率與系統幾何條件，背面反射光相較於單面太陽能電池，能額外帶來約 5–30% 的相對能量增益。
圖 1：雙面太陽能板配置
對這些反射特性進行分析，是判斷整體效率提升幅度的關鍵。
適用於雙面光伏配置的最佳 LED 太陽光模擬器，應具備大量可獨立控制的波長，並涵蓋廣泛的光譜範圍，包括近紅外光，以準確呈現地面的反照率。
圖 2 顯示常見環境表面的光譜反射率，其中雪的反射率最高，而混凝土最低。
圖 2：雪、草、葉片、土壤與混凝土的光譜反射率。較高反照率的表面可增強背面照明，並提高雙面系統的總發電量。
以雙面多接面光伏為例，可以考慮將 **CdTe 與錫基鈣鈦礦（Sn-based perovskites，0.9–1.1 eV）**搭配使用，使響應範圍延伸至 1250 nm。
至少具備 35 種可獨立調整波長的 LED 太陽光模擬器，例如 IOI LumiSun™ 系列，可以有效涵蓋 360–1250 nm 的完整範圍。
圖 3 將兩種太陽光模擬器與 AM1.5G 參考光譜進行比較，同時呈現各種地面表面的反射率。
LED 數量較少的太陽光模擬器（<10 顆 LED）可能符合 Class AAA 規格，但其光譜偏差較高且近紅外光覆蓋範圍有限。
相較之下，具有 35 種波長、Class A+A+A+ 的 LED 太陽光模擬器，具有較低的光譜偏差與更廣泛的光譜覆蓋範圍，因此能夠在背面照明條件下，針對延伸至 1250 nm 的雙面多接面太陽能電池性能進行高準確度的特性分析。
圖 3：具備 35 種波長的 LED 太陽光模擬器，可針對背面照明條件下、延伸至 1250 nm 的雙面多接面太陽能電池性能進行高準確度評估。
使用具有低光譜偏差與 Class A+A+A+ 性能的太陽光模擬器，可以高精度分析背面材料的反射率。
此外，雖然背面照明器所產生的熱負載低於正面照明器，但維持穩定且恆定的溫度仍然非常重要，以確保時間穩定性與可靠的量測結果。
結論
LED 太陽光模擬器對推動雙面與多接面光伏技術至關重要——這些系統能夠從各個方向接收光線，以提高效率。
具備高均勻度、低光譜偏差的太陽光模擬器，可以精細調整各個獨立波長，並利用從 UV 至 NIR 的完整光譜範圍，以更高的準確度與控制能力研究太陽能電池性能。
在 IOI，我們不與黑暗面對抗——我們以精準的方式照亮它。
願 LED 之光，在您的太陽能研究中持續強勁。
*宏惠光電為Innovations in Optics代理商
文章來源 : https://www.innovationsinoptics.com/blog/led-solar-light-on-the-dark-side/