在我们这个现代时代，几乎每个行业都有标准， 为确保其相关产品安全并适合执行预期任务设定基准。太阳模拟 - 再现太阳光 - 没有什么不同，具有指定太阳模拟器要求的标准，并制定了确定太阳模拟器是 AAA 级、ABA 级、CBC 级等的规则。

正如人类对材料科学和人类健康的理解导致了安全食品生产标准的定期更新一样，我们对阳光及其与各种材料的相互作用的理解导致了良好太阳模拟所需标准的更新。

本文的目的是描述2020 年更新的 IEC 60904-9 标准“太阳模拟器特性分类”中引入的重大变化背后的意义和动机。虽然许多太阳模拟标准定期更新，但 IEC 60904-9:2020 有一些关键变化，对太阳模拟器的用户和制造商都有重大影响。

以下是本文将更详细讨论的关键更改：

（1）到目前为止，太阳模拟器的最高等级是 AAA 级。IEC 60904-9 在光谱匹配、空间非均匀性和时间不稳定性的所有三个指标中都引入了 A+ 分类。

（2）新标准还扩展了太阳模拟器要求的 A+ 类所需的波长范围。以前，400 nm 到 1100 nm 足以再现 1 个太阳。现在，需要根据300 nm 至 1200 nm 的要求对太阳模拟器进行评估， 才能在新标准下获得 A+ 级分类。

（3）最后，该标准引入了两个全新的指标：频谱覆盖率和频谱偏差。虽然太阳能模拟器分类还不需要这些指标，但预计它们将成为太阳能模拟器应用中的标准部分，尤其是 LED 太阳能模拟器。

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为什么太阳模拟器标准会发生变化？

新型太阳能电池材料和架构

太阳能模拟器的关键应用之一是测试太阳能电池 ——也就是光伏器件。事实上，当 ASTM 分委员会 EE44.09 于 1978 年成立时，他们认识到提高对光伏效率测量的信心的关键方法是将太阳能模拟器的指标标准化，因此他们编写了“用于陆地光伏测试的太阳能模拟器规范”（其中是ASTM E927 标准）。这是定义如何测量和分类太阳模拟器的第一个标准。

这个美国标准最终被世界其他地方的标准所遵循，例如国际电工委员会 (IEC) 1995 年的 60904-9，这是光伏测试更广泛要求的一部分。所有这些背景的重点是强调，从它们的创建开始，太阳模拟器就与光伏设备的开发和测试密切相关。

光伏产业在过去 50 年中取得了巨大的增长 ——仅从 2006 年到 2014 年，它就增长了 40 倍——预计其增长还将继续。在这段时间里，人类对光伏材料及其物理学的理解呈指数级增长，从而产生了更高效的材料和太阳能电池架构。

了解太阳能模拟器与光伏研究的密切联系后，随着我们对光伏能力的新认识和扩展，对如何更好地测试它们提出了新的要求也就不足为奇了。光伏技术的进步是更新 IEC 60904-9 要求的部分原因。

推动这些变化的光伏发展

任何光伏设备的目标都是将阳光转化为电能。 设备可以做到这一点的效率越高，它就越好。研究人员一直在寻找更高的效率。

通常可以通过吸收更多的太阳光谱范围来提高效率。大多数太阳能电池中使用的主要材料硅 (Si) 通常只吸收 400 nm 到 1100 nm 的光，这也是太阳模拟器标准只为 AM1.5G 指定该范围内的光的原因之一。

然而，现在越来越多的研究对串联、多结和其他复合材料进行了研究，例如钙钛矿-硅太阳能电池，这些材料的范围从标准的 400 nm 扩展到了 1100 nm。研究人员现在能够捕获更多的太阳光谱，这意味着效率的提高，因此能量捕获将在满足人类当前和未来的能源需求方面发挥重要作用。

然而，挑战在于研究人员必须使用太阳模拟器来量化他们的设备在实验室条件下的改进性能。如果他们的太阳能电池现在能够有效地捕获 1200 nm 的红外光，他们将无法使用仅分类为 400 nm 到 1100 nm 的太阳模拟器可靠地展示和测量这些增益。

因此，随着研究人员扩大他们可以从太阳捕获的光的范围，太阳模拟器必须能够产生相同范围的光谱。

对 IEC60904 的此次更新确保了太阳模拟器测量准确并反映了真实世界的条件，同时仍具有可以可靠且一致地打开的受控系统的优势（与进行户外测试的替代方案不同）。

大功率LED的发展

当 1979 年为太阳模拟器编写 ASTM E927 标准草案时，唯一能够接近太阳光再现的灯是气体放电灯——特别是氙弧灯和金属卤化物灯泡。这些灯泡通常具有广泛的光谱发射，因为它们会产生类似于我们太阳的黑体发射器的等离子体。一些灯泡来自通电原子的更强发射线仍然存在，需要过滤掉，但总的来说，这些灯泡具有宽带发射。

因此，如果您使用气体放电灯来匹配宽光谱箱（例如 100 nm 到 200 nm 宽）的整体强度，那么您很可能不仅匹配强度，而且匹配太阳能的整体形状频谱也是如此。因此，太阳模拟器的标准只需要以这样一种方式编写，即指定几个大区间的相对强度：400 nm 到 500 nm 的光谱区间为 18.2%，500 nm 到 500 nm 的光谱区间为 19.7% 600 纳米，以此类推。

然而，大功率 LED 的发展允许创建基于 LED 的太阳模拟器，其具有与气体放电灯完全不同的特性和操作。LED 通常是窄带的。例如，一个好的经验法则是 LED 的带宽是其峰值位置的 10-20%（以 nm 为单位）——因此 400 nm LED 将具有 40 nm 带宽，而 1000 nm LED 将具有 100 nm 带宽，等等。虽然其中一些 LED 比其他 LED 更宽，但很少有单个 LED 甚至接近气体放电灯所覆盖的 1000 纳米波长宽度。

这意味着必须将许多 LED 组合起来才能生产出太阳模拟器。 借助这种构建太阳模拟器的新方法，可以找到新的方法来满足标准的文字，而不必满足精神。这很重要，因为 AAA 级太阳模拟器可能具有如此扭曲的光谱，以至于它们产生的任何测试结果都与实际阳光下的设备或材料的行为不完全对应。对于外行来说，A 类光谱匹配意味着一定的保真度和可信赖性，实际上可能不存在。具有符合 A 类光谱匹配定义的扭曲光谱的太阳模拟器可能会导致关于设备特性的错误结论，这不利于良好的研究和进展。

让我们以 400 nm – 500 nm 光谱范围为例。如果您需要我的光谱强度的 18.2% 处于此范围内以满足 A 类光谱匹配要求，则对于该 18.2% 必须位于该范围内的位置没有限制。您可以购买一个非常强的蓝色 LED，它产生大约 400 nm 到 440 nm 的光。只要您的 LED 足够亮以产生 AM1.5G 光谱强度的 18.2%，您就可以满足 A 类光谱匹配的标准，而不会产生440 nm 到 500 nm 的任何光。气体放电灯根本不可能出现这种巨大的光谱孔。如果强度在垃圾箱的一部分下降，则在整个垃圾箱中下降bin，这意味着该灯将不再符合高质量太阳能模拟器的标准。

既然 LED 能够产生类似的强度，那么看起来像散开的“手指”的光谱仍有可能被认为是 A 类（甚至 A+）光谱匹配（请参阅下面的这种假设光谱的示例仍符合 A+ 类要求）。

因此，为了帮助用户了解 LED 太阳能模拟器的性能，并鼓励生产符合真实太阳光再现精神的太阳能模拟器，IEC 增加了一些额外的指标，可用于评估和交流太阳能的性能模拟器——特别是 LED 太阳能模拟器。

这两个新指标是频谱覆盖率和频谱偏差，我们将在下面讨论。

A+ 级标准是什么意思？

新 IEC 60904-9 标准的最大变化之一是引入了A+ 级分类，这提高了太阳模拟器可实现的最高质量分类的标准。正如过去几十年光伏技术取得了许多进步一样，太阳模拟器在产生光谱以模拟太阳光谱方面也有了很大的进步。新的 A+ 级标准反映了整个太阳模拟器技术的改进。

对于测量太阳模拟器的所有三个原始标准指标——光谱匹配、空间不均匀性和时间不稳定性——A+级是A级的两倍。

从标准中复制 的汇总表包括在下面。实际意义是 A+ 类产生更准确的光谱，具有更平坦的照明场，并表现出更少的噪声变化。

A+级需要报告什么？

A+ 级分类还有一个额外的警告，它反映了满足光伏研究人员不断扩大的需求的需要（如上所述）。为了使太阳模拟器在3 项指标中的任何一项中获得 A+ 类称号，太阳模拟器必须在 300 nm 至 1200 nm 的扩展范围内进行评估（并相应地评估其光谱匹配）。这个新的波长范围与原来的 400 nm 到 1100 nm 标准有不同的 bin 划分，下表给出了比较（?从标准合并）。您会注意到新的 bin 划分是这样完成的，即每个光谱 bin 中总辐照度的百分比大致相同——即每个 bin 覆盖的总光谱辐照度大致相同。

在某些方面，这种新的分类早就应该进行，以便将合格的太阳模拟器与特殊的太阳模拟器区分开来——这种区别在该领域的最新进展和发展之前是不可能的。这种新的分类将不可避免地导致光伏研究人员进行更准确、更有意义的测试，进而对世界可再生能源产生积极影响。

A+ 类名称是 IEC 60904-9 的主要变化，具有严格的要求。其余更改提供了可选的报告指标，但仍会对太阳模拟器的通用语产生影响。

CLASS A+ 名称是 IEC 60904-9:2020 的主要变化，具有严格的要求。

什么是光谱覆盖？

IEC 60904-9 引入的两个新指标中的第一个是频谱覆盖率（在标准中缩写为 SPC）。这个量是太阳模拟器输出覆盖的 300 nm 和 1200 nm 之间的光谱百分比。

频谱区域或带宽被视为“覆盖”意味着什么？如果光谱辐照度大于 同一波长的 AM1.5G 参考辐照度的 10%，则IEC 60904-9 认为该带宽被太阳模拟器“覆盖” 。因此，该标准排除了某些 LED 发射的宽泛但通常较弱的尾部边缘，而是侧重于可以测量有意义辐照度的关键区域。

让我们再次考虑 400 nm – 500 nm 光谱范围的示例。同样，A 类光谱匹配对目标 18.2% 辐照度必须位于该范围内的位置没有任何限制，因此我们假设采用非常强的蓝色 LED，它仅在光谱范围的一小部分内产生光。根据标准，我们在这个区域仍然有 A 类光谱匹配。但是，光谱覆盖范围为我们提供了更多信息。

由于我们的示例 LED 仅在全部 100 nm 中的 40 nm 中产生高于 10% 截止限制的光，因此我们可以说它在该区域具有 40% 的光谱覆盖率。通过在整个频谱上应用相同的原理，频谱覆盖参数提供了 A 类频谱匹配度量未捕获的附加信息。

在数学上，计算光谱覆盖百分比的方法是将太阳模拟器产生的辐照度超过 AM1.5G 参考光谱 10% 的区域相加，然后除以从 300 m 到 1200 nm 的总辐照度。

为什么需要光谱覆盖？

如上所述，当大功率 LED 改进到可用于太阳模拟时，制造符合 A 级太阳模拟器标准的太阳模拟器成为可能，但不符合精神。也就是说，有可能通过对覆盖箱内任何地方的小光谱范围的 LED 供电来实现整个光谱箱的光谱匹配。

在上面给出的示例中，我们可以覆盖 400 nm 到 500 nm 的范围，其中一个非常强的蓝色 LED 从 405 nm 到 445 nm 发射，而在 445 nm 到 500 nm 的范围内没有光。这种情况很难被认为是在做太阳模拟，这就是光谱覆盖参数的用武之地。

对于这个例子，即使太阳模拟器通过产生从 400 nm 到 500 nm 的正确辐照度来实现 A 级（甚至 A+）光谱匹配，它的光谱覆盖范围也会很差。

为了进一步强调额外的信息，以及在不满足真实再现太阳光谱的意图的情况下可以操纵没有光谱覆盖的 A/A+ 类标准的方式，值得看一个例子。

在最极端的情况下，可以为每个光谱区域选择单个 LED，并且可以增加其输出，直到该 bin 中的总辐照度与目标匹配。

下面是实现A+ 类 光谱匹配的假设 LED 太阳模拟器的光谱输出。

从视觉上看，它看起来不太接近太阳光谱，是吗？然而，根据标准中的严格定义，可以准确地说这种假设设备具有 A+ 类光谱匹配并按原样出售。

这是光谱覆盖为我们提供更多信息的地方。上图虽然实现了A+类光谱匹配，但其从300 nm到1200 nm的光谱覆盖率仅为65%。我们看到，光谱覆盖范围为用户和制造商提供了另一种衡量太阳模拟器是否以高精度或低精度再现太阳光的指标。 更高的光谱覆盖范围 更好。

光谱偏差以同样的方式为我们提供了额外的信息。

光谱覆盖范围为用户和制造商提供了另一个衡量太阳模拟器是否以高精度或低精度再现太阳光的指标。更高的光谱覆盖范围更好。

什么是光谱偏差？

光谱偏差或 SPD 可以定性地理解为表示太阳模拟器高于或低于指定光谱的总程度。

这在数学上定义为光谱上所有误差的总和，即给定波长的辐照度与 AM1.5G 的目标参考光谱之间的距离。

计算光谱偏差的方法是将所有波长的辐照度绝对差相加，乘以光带宽，再除以光谱的总积分，由IEC 60904-9:2020 标准的公式 3.13 (4) 给出。

这是一种计算频谱线的波峰和波谷与 AM1.5G 参考标准的接近程度的数学方法。较低的光谱偏差更好，因为这意味着总误差较低。

如果我们回顾上面假设的 A+ 类 LED 太阳模拟器的示例，我们可以看到峰和谷在标准参考光谱之上和之下相当远。毫不奇怪，它的光谱偏差为 102%。（重要说明——在光谱偏差的定义下，误差可能远高于 100%，尽管只有少数商业太阳模拟器接近这些高光谱偏差水平）

因此，2020 年 IEC 60904-9 标准为我们提供了更多衡量太阳模拟器的指标。

并非所有 A 类光谱都是相同的，光谱覆盖和光谱偏差的新语言提供了比较太阳模拟器的适当标准。

假设的 LED 太阳能模拟器确实具有 A+ 类光谱匹配，但现在我们还可以报告它具有 65% 的光谱覆盖率和 102% 的光谱偏差——两者都很差。任何考虑在工作中使用这种太阳模拟器的人现在都可以一目了然地看到太阳模拟器整体质量的代表性数字。

对于一些有限的应用，如此高的光谱偏差和低光谱覆盖范围可能对研究人员的最终结果无关紧要。例如，研究人员可能能够通过对物理场进行建模或将其转化为对邻近区域的等效影响来纠正光谱失配。在其他情况下，研究人员的材料可能仅在有限的波长范围内具有光活性，因此高光谱覆盖范围不会为实验增加任何价值。物理过程也可能对光谱特性没有很强的敏感性。

然而，这些情况更多地是例外而不是规则，并且高光谱不匹配给 使用此类设备 的研究人员得出的任何结果或结论带来了更高的证明和分析负担。

在众所周知的设备量子效率的特定条件下，用户可能会使用劣质的太阳模拟器，我们将在以后的文章中讨论这些情况和技术。但是，在大多数情况下，需要更高质量的太阳模拟器。

通过更有意义的太阳能模拟器质量指标，用户更有能力寻找和找到符合他们要求的设备。这最终会减少额外的工作、计算和证明，以证明研究人员的结果代表了他们的材料或设备在真实阳光下的表现。

较低的光谱偏差更好，因为这意味着总误差较低。

使用光谱覆盖和光谱偏差分析现有太阳模拟器

在我们看来，假设的 LED 太阳能模拟器是一个极端的例子，说明标准在再现阳光时如何被滥用。更现实的评估是考虑市场上现有的太阳模拟器并报告其光谱覆盖范围和光谱偏差。

对于这些示例，我们在 400 nm 至 1100 nm 范围内应用了光谱覆盖范围和光谱偏差的定义。我们这样做的原因是市场上很少有太阳模拟器实际上是为实现 300 nm 至 1200 nm 范围而构建的，因此在该范围内评估它们似乎不合适或不公平。然而，尽管光谱范围发生了变化，但我们相信我们在本文中讨论的相同原则仍然适用—— 在 400 nm 至 1100 nm 范围内可能具有 A 类光谱匹配，但光谱覆盖范围很差，并且光谱偏差。

让我们看看现有的一些太阳模拟器在 400 nm 到 1100 nm 范围内的比较。

Optics 6000B-100 型 LED 太阳模拟器的创新实现了 79% 的光谱覆盖率和 50% 的光谱偏差。

请注意，由于在 900 nm – 1100 nm 范围内没有辐射，因此它们不应声称达到 A 类光谱匹配（即使使用较旧的标准），即使它们的预期应用是用于响应度不超出范围的设备900 纳米。

这种太阳模拟器较低的光谱覆盖范围是由于 900 nm 和 1100 nm 之间的大间隙，以及蓝色照明真正开始接近 450 nm 而不是 400 nm。光谱偏差很高，因为高功率 LED 用于贡献大部分辐照度，除了简单未覆盖的区域外，在 700 nm 和 780 nm 附近留下大间隙。

Newport 的 Verasol-2 实现了 A 类光谱匹配，光谱覆盖率为 92%，光谱偏差为 47%。

较低的光谱覆盖范围是由于 1000 nm 和 1100 nm 之间的差距造成的，并且光谱偏差很高，因为 ~ 950 nm LED 峰值被用于提供 900 nm 到 1100 nm 光谱带中的大部分辐照度。

Greatcell Solar 的 Hyperion III LED 太阳模拟器实现了 A 类光谱匹配，光谱覆盖率为 94%，光谱偏差为 22%。

较低的光谱覆盖率是 1000 nm 和 1100 nm 之间间隙的结果，光谱偏差主要来自 1000 nm 以上的未覆盖光谱以及 800 nm 左右的间隙。值得注意的是，尽管没有覆盖到 1200 nm 的光谱，但 Greatcell Solar 声称是 A+ 级。

在最近的 IEC 60904-9 2020 更新之前，A+ 类还不存在，许多太阳模拟器制造商试图创建自己的 A+ 类定义。

然而，他们的太阳模拟器没有达到 A+ 级光谱匹配，任何声称是 A+ 级的声明都应仔细审查，直到 IEC 60904-9:2020 在整个行业中得到更广泛的采用。

Newport/Oriel Sol3A 实现了 A 类光谱匹配，光谱覆盖率为 100%，光谱偏差为 30%。

Newport/Oriel 在这个太阳能模拟器中使用氙弧灯，这不太容易出现我们讨论过的关于太阳能模拟器中 LED 使用的一些问题。

然而，氙灯固有的发射线非常强且难以过滤，那么此类太阳模拟器如何达到新的 IEC 60904-9 标准？

Newport/Oriel 的 Sol3A A 类光谱匹配太阳模拟器实现了 100% 的光谱覆盖率，因为所有点的所有光谱辐照度都满足 10% 的阈值，尽管我们可以直观地看到在 750 nm 中存在一些勉强高于该阈值的间隙至 875 nm 区域。这些间隙通过 30% 的光谱偏差来量化。

Endeas Quicksun 550CE 达到 A+ 级光谱匹配，光谱覆盖率为 100%，光谱偏差为 33%。

Endeas Quicksun 550CE 模块测试站包含基于 A+A+A+ 级氙灯的太阳模拟器，在光谱覆盖范围和光谱偏差方面与 Newport 的 Sol3A 几乎相同，因为它们都基于相同的基础技术具有相同的限制。与 Newport 相比，峰的锐度很容易归因于光谱仪的灵敏度或分辨率。

Wavelabs 的 SINUS-220 LED 太阳模拟器实现了 A 类光谱匹配，光谱覆盖率为 100%，光谱偏差为 18%。

光谱偏差主要来自 1100 nm 附近的未覆盖光谱，以及可见光到近红外光的一些小间隙。请注意，Wavelabs 声称 A++ 类光谱匹配和 A++ 类长期时间不稳定性，这在任何太阳模拟器标准中都没有定义。

让我们看一下覆盖 400 nm 至 1100 nm 范围的基本Pico (PICO-LMN-DIR) 和基本Sunbrick (SBRK-LMN-DIR)，看看它们与其他产品的比较。

G2V 的 Sunbrick 实现了 A 类光谱匹配，光谱覆盖率为 100%，光谱偏差为 17%，这是我们迄今为止研究过的最好的。

Sunbrick 与我们考虑过的其他太阳模拟器一样，具有 A 类光谱匹配。它实现了100%的光谱覆盖率，从光谱上看很明显，光谱偏差比Wavelabs SINUS-220略好：17%。

G2V 的 Pico 实现 A 类光谱匹配，光谱覆盖率为 100%，最低光谱偏差为 13%.

Pico还具有 A 类光谱匹配。它的光谱清楚地表明它也实现了100%的光谱覆盖，同时在我们上面考虑的所有模拟器中具有最低的光谱偏差，为13% 。

TL;DR – 新 IEC 60904-9-2020 标准的快速摘要

（1）引入 A+ 分类，在光谱匹配、空间非均匀性和时间不稳定性的所有三个指标中均是 A 类的两倍

（2）A+ 级要求在扩展的 300 nm – 1200 nm 范围内评估太阳模拟器。

（3）引入了两个新指标：频谱覆盖率和频谱偏差，这是目前可选的报告指标。

（4）光谱覆盖率 (SPC)：光谱覆盖率越高 越好，因为这意味着为目标光谱范围的较大部分产生输出辐照度。

（5）光谱偏差 (SPD)：光谱偏差越低越好，因为这意味着输出辐照度水平是整体的，更接近 AM1.5G 或 AM0 参考光谱的辐照度。

从 400 nm 到 1100 nm 的太阳模拟器比较总结

光谱覆盖率和光谱偏差这两个新指标为比较和评估 A/A+ 级太阳模拟器提供了有价值且必要的工具。

正如我们在本文中所概述的，并非所有 A/A+ 类光谱匹配太阳模拟器都是一样的。这两个新指标将合理的太阳模拟器与优秀的太阳模拟器区分开来，并且可以在下表中总结，比较 400 nm - 1100 nm 范围内的 AAA 级太阳模拟器。

随着太阳能模拟器领域在未来几年的发展，将有可能根据更广泛的 300 nm - 1200 nm 范围内的 A+ 类要求来评估模拟器。

更好的太阳模拟指标

虽然新标准不需要这两个新指标，但它们确实为更好的太阳模拟提供了框架。在新标准中总结的变化中充满了朝着更准确的太阳模拟发展的主题：

（1）将光谱范围扩大到 300 nm 至 1200 nm，以便更好地测试更宽波段的光伏器件

（2）A+级定义反映太阳模拟器技术进步

（3）用于区分准确和不准确的光谱再现（光谱覆盖和光谱偏差）的新指标和语言。

参考

国际电工委员会。（2020 年）。60904-9：太阳模拟器特性分类。

Leary, G. 等人。（2016 年）。基于氙灯和基于 LED 的太阳能模拟器的比较。IEEE 第 43 届光伏专家会议，俄勒冈州波特兰。DOI：10.1109/PVSC.2016.7750227

NSF/ANSI (2019)。NSF/ANSI 51-2019： 食品设备材料。

小组委员会 E44.09 (2019)。ASTM E927-19：用于光伏设备电气性能测试的太阳模拟器标准分类。

阿尔伯塔大学图书馆（2021 年）。什么是标准？工程标准入门。于 2021-06-18 从网络上检索。

这个 A+ 级标准的发布令人兴奋，因为它最终将提高标准并要求世界各地的太阳模拟器有更高的质量，这反过来将导致更好的光敏材料研究、开发和测试。