日光模拟器AM0模拟太阳光条件下太空光伏电池的光电性能测量

AM0模拟太阳光条件下太空光伏电池的光电性能测量

三结砷化镓（GaInP/InGaAs/Ge）光伏电池具备300~1800nm宽光谱响应、超30% 光电转换效率及优异抗辐照性，是航天器在轨运行的核心电源。其光电性能需在AM0标准条件下标定，以匹配太空环境的太阳辐照特性。地面太阳光模拟器法可控性强、受环境影响小，成为航天光伏电池性能测量的主流技术。

本文基于紫创测控Co-fly稳态太阳光模拟器，系统阐述航天光伏电池的光电性能测量方法。

测量原理

（ａ）太阳光模拟器原理示意图（ｂ）太阳模拟器的光谱与标准ＡＭ0光谱的对比

首先通过标准光伏电池将太阳光模拟器的辐照度校准至AM0 标准值（1367W/m²），光谱匹配AM0 标准光谱。测量时将被测电池温度精确控制在(25±1)℃，通过程序调节偏置电压，扫描记录电池在模拟太阳光辐照下的电流- 电压（I-V）特性数据，进而提取短路电流（Isc）、开路电压（Voc）、发电功率（Pmax）等关键参数。

测量核心装置

实验采用AAA稳态太阳光模拟器，其光谱与AM0 标准光谱的匹配度在全波段范围内均优于95%（光谱失配度 < 5%），同时具备优异的辐照度均匀度和长期稳定性。配套设备包括半导体控温台（温度控制精度±1℃）、多通道数据采集系统及量子效率测量装置，可实现I-V 曲线扫描、光谱响应度测试等功能。

标准器标定与量值溯源

1.       标准器选择

选用与被测电池结构一致的同型标准光伏电池作为量值传递载体，其顶、中、底三子结分别单独引出接线端子，确保各子结光谱响应度可独立标定，避免子结间相互干扰。

2.       标定方法与溯源路径

基于 ＤＳＲ法的标准光伏电池校准装置及其量值溯源示意图

采用差分光谱响应度（DSR）法标定标准电池的AM0 特性，通过积分标准电池光谱响应度 S (λ) 与 AM0 标准光谱辐照度 E (λ)，计算短路电流标定值：ISTC=A⋅∫S(λ)⋅E(λ)sulardλ（A 为电池面积）。量值溯源路径为：同型标准光伏电池→标准探测器→陷阱探测器→低温辐射计（光学计量标准），最终实现关键参数独立溯源至国际单位制（SI）。

光谱失配误差控制

多结电池的光谱失配是影响测量精度的关键因素。依据IEC 60904-7 标准，计算光谱失配因子（MMF），通过迭代调节太阳光模拟器光谱和辐照度，确保各子结满足| MMF-1|<1%。实验中因太阳光模拟器与AM0 光谱匹配度高，且底电池电流远大于顶、中电池，仅需重点校正顶、中电池的失配误差，最终顶电池失配偏差为0，中电池为0.06%，可直接采用标准电池标定值校准光源。

测量结果与分析

基于太阳模拟器法测量的三结砷化镓光伏电池的光电性能。（ａ）四个样品的实物照片；（ｂ）光电性能

1.       关键性能参数

对4 个三结砷化镓光伏电池样品的测量结果显示：短路电流在195.6~198.2mA 之间，开路电压均超过2.5V，发电功率为415.3~429.7mW，填充因子（FF）维持在83%~85%之间，体现了航天级电池的优异性能。测量不确定度分析表明，短路电流、开路电压、发电功率的扩展不确定度（k=2）分别为2.5%、1.0% 和 2.7%。

2.       温度系数测量

为支撑电池在轨性能评估，通过15~55℃范围内的变温测试，获得关键参数的温度系数：短路电流为0.0732mA・℃⁻¹，开路电压为- 5.71mV・℃⁻¹，发电功率为- 0.988mW・℃⁻¹。

综上，本文建立的模拟太阳光下航天光伏电池测量方法，通过太阳光模拟器、DSR 标定技术及严格的光谱失配控制，实现了三结砷化镓光伏电池关键光电参数的精准测量，量值可独立溯源至SI。测量结果显示，该方法在短路电流、开路电压和发电功率等核心参数上的精度满足航天任务要求。