CN102853278A

CN102853278A - 太阳光模拟装置用光源模组及该模拟测试装置

Info

Publication number: CN102853278A
Application number: CN2011101766279A
Authority: CN
Inventors: 王遵义
Original assignee: Dynascan Technology Corp
Current assignee: Dynascan Technology Corp
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: CN102853278B

Abstract

一种太阳光模拟装置用光源模组，包含多个具多种不同中心波长的发光二极体；及一组匀光器，包括一个具有至少六个表面，其中有至少一个形成有多个对应上述发光二极体的透明孔的入光面、及一个反射率大于穿透率的出光面的透光材质匀光腔体，且除出光面的所有表面，均形成有完全反射层；至少一组设置于入光面外侧的角度发散片，供发散来自发光二极体的光束，使其以一偏折的折射角穿经上述透明孔进入匀光腔体；及设置于出光面外侧的角度收敛片。藉由角度发散片，使进入匀光腔体的光束可以平均在多次反射混光后出光，达成良好匀光效果。

Description

太阳光模拟装置用光源模组及该模拟测试装置

【技术领域】

本发明是关于一种太阳光模拟装置用光源模组，及应用该模组的太阳光模拟测试装置。

【背景技术】

目前常见洁净能源中，利用太阳能电池发电已是极重要的一环。而太阳能电池的发电效率则是目前量测太阳能电池品质最重要的指标；因此，测试太阳能电池发电效率的装置必须非常准确；而该测试装置中最重要的部件就是模拟太阳光的光源。由于太阳光的光谱及照度会随地理位置、季节、云层分布、及空气品质等因素而变动，为求简化及标准化测试环境，因此在测试时是以美国IEC或JIS所提的AM-1.5G的标准来制作模拟光源。

在该标准中，规定模拟光源的光谱分布偏差量、照射均一性、照射安定性等三个主要指标；并且按照偏差量，将光源分类为A、B、C三个等级，目前太阳能电池工业界所接受的标准为Class A级，此等级的光谱偏差量必须小于±25％，照射不均匀度必须小于±2％，照射不安定性必须小于±2％。由于在AM-1.5G下的太阳光强度约为1000W/m²，且几乎是平行光，作为太阳光模拟器的光源，除必须达到Class A级的上述三个要求外，其光强度及平行光的聚光角度(Collimation Angle)亦为重要指标。一般要求其输出光强度必须在1000W/m²以上，聚光角在±3度以内。

因为Xe(氙气灯)灯泡发光的光谱较接近太阳光，且光输出能量也够大，以往太阳光模拟装置皆以Xe灯泡为光源，但衡量实际的光谱分布，要达到Class A级的要求，仍需要利用复杂的滤光片(Optical filter)。

近年来，各式太阳能电池不断推陈出新，用来测试的太阳光模拟装置需要具有更准确光谱的光源，因此有些业者推出利用Xe灯泡及卤素金属灯泡混合的复合型太阳光模拟装置，但其价格也极为昂贵。另外，由于太阳能电池模组(SolarModule)的检验，往往待测物面积庞大，光源也需要分布至非常大面积才能顺利检验；利用光束向四面发散的Xe灯泡作为光源，为得到够均匀的照度、并且分布至大范围，灯泡与待测物间的测试距离需要拉开至非常大，造成测试设备庞大且测试不便；而Xe灯泡本身的发光强度在分散至较大面积后，也难以达到足够强度，造成使用上的局限。

另方面，由于近年来LED的功率持续增大，且各不同波段的LED也纷纷出现，因此利用LED做为太阳光模拟器的光源已逐渐可行而被重视。目前已有的实验室用LED太阳光模拟装置，是如图1所示，利用多组不同波段的LED 100例如6×6的LED矩阵组成一个模块10，再利用例如4个模块10组成一个面积较大的装置，这36个LED 100的中心波长分别从实际太阳光谱的380nm～1200nm范围之中被选出，且每一者光功率大小亦被控制在所需的标准太阳光强度之内。

由于太阳光模拟装置要求的聚光角(CollimationAngle)非常小，因此各LED100都必须选择小发光角的砲弹型(Lamp type)LED，其光场半功率角为±5度以内。也因为该砲弹型LED的光场半功率角非常小，因此在该模块10内，各个不同波段的LED的混光效果不好，因此其波长分布均匀度非常差，与Class A级太阳光模拟装置所要求的98％均匀度相差甚远，因此到目前为止，尚未有可以达到Class A级的LED太阳光模拟装置出现。

【发明内容】

本发明目的之一在于提供一种可提供大面积均匀光束而达到Class A级的太阳光模拟装置用光源模组。

本发明的另一目的在于提供一种采用多个LED元件，而可提供接近标准太阳光的光谱的太阳光模拟装置用光源模组。

本发明的再一目的在于提供一种可由多个模组结合，使照射面积持续扩张的太阳光模拟装置用光源模组。

本发明的又一目的在于提供一种采用LED元件，而可降低成本的太阳光模拟装置用光源模组。

本发明的又一目的在于提供一种符合Class A级标准的太阳光模拟装置。

依照本发明揭示的一种太阳光模拟装置用光源模组，包括：多个分别具有一个中心波长的发光二极体，且上述各发光二极体的中心波长分布于至少三个彼此相异的波长；及一组匀光器，包括：一个具有至少六个表面，其中有至少一个形成有复数个对应上述发光二极体的透明孔的入光面、及一个穿透率小于50％且反射率大于50％的出光面的匀光腔体，该腔体内部为透光材质，且除该出光面外，其余所有上述表面，均形成有供把来自腔体内部的光束朝向腔体内部反射的反射层；至少一片设置于该至少一个入光面外侧、供发散来自上述发光二极体的光束，使上述光束以一大于其入射角的折射角穿经上述透明孔进入该匀光腔体的角度发散片；及一片设置于该出光面外侧、供收敛来自该匀光腔体内的匀光光束，使该匀光光束以一小于其入射角的折射角远离该匀光腔体的角度收敛片。

采用上述光源模组所制成的太阳光模拟测试装置，是供量测待测太阳能电池的光电性能，该模拟测试装置包括：至少一个光源模组，包括；多个具有多个中心波长的发光二极体；及一组匀光器，包括：一个具有至少六个表面，其中有至少一个形成有多个对应上述发光二极体的透明孔的入光面、及一个穿透率小于50％且反射率大于50％的出光面的匀光腔体，该腔体内部为透光材质，且除该出光面外，其余所有上述表面，均形成有供把来自腔体内部的光束朝向腔体内部反射的反射层；至少一组设置于该至少一个入光面外侧、供发散来自上述发光二极体的光束，使上述光束以一大于其入射角的折射角穿经上述透明孔进入该匀光腔体的角度发散片；及一组设置于该出光面外侧、供收敛来自该匀光腔体内的匀光光束，使该匀光光束以一小于其入射角的折射角远离该匀光腔体的角度收敛片；及一组供量测待测太阳能电池受该光源模组照射后的输出电讯号的测试模组。

由于本案所揭示的太阳光模拟装置用光源模组，是透过一个『光共振腔』让进入共振腔中的光束在腔体内不断来回反射，除较少比例可由出光面逸出，大部分光束都会在反覆反射过程中均匀混合，并且利用一组角度发散片及一组角度收敛片，让进入光共振腔中的光束，偏折角度变大，使得尚未脱离出光面的光束，在每一次反射回到入光面时，行经的水平距离变大，亦即混光范围变大，出光均匀度从而提高；反之，在光束脱离出光面时，经过一片互补的角度收敛片作用，偏折角反向折回，使得出光的光束实质上重新回到接近准直方向。

此外，藉由多个LED发光，使得总出光接近标准太阳光的光谱；并且因为本案所揭示光源模组业已模组化，可以结合多个模组共同使用，藉以轻易将太阳光模拟装置的照射面积加大，因应不同尺寸太阳能电池的测试需求，从而达成所有上述目的。

【附图说明】

图1是公知太阳光模拟装置的LED光源立体示意图；

图2是本案较佳实施例的立体示意图，说明四组发光二极体模块与匀光器的对应关系；

图3是图2实施例匀光器的示意图，说明入光面及各面结构；

图4是图2实施例作为角度发散片的微稜镜柱片立体示意图；

图5至图7是图4微稜镜柱片的光束偏折示意图；

图8是图4微稜镜柱片叠置的另一示意图；

图9是光束在匀光器中反射行进示意图，说明「完全反射」途径；

图10是运用图2实施例的光源模组的太阳光模拟装置示意图；及

图11是本案第二较佳实施例的角度发散片结构立体示意图。

【主要元件符号说明】

10、10’.....模块 100、100’.....LED

2.....匀光器 20.....匀光腔体

22.....入光面 222.....金属膜

220.....透明孔 3.....聚光透镜阵列

30.....聚光镜 242.....反射层

24.....出光面 26.....环绕反射面

224、244、226.....微稜镜柱片 90.....测试模组

1’.....光源模组

【具体实施方式】

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合说明书附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚地呈现。

本案的较佳实施例，如图2所示，以类似上述的四组发光二极体模块10’作为光源，在本例中，是采用36种彼此具有相异中心波长的LED 100’各一颗，共同构成一组发光二极体模块10’，并由四片模块10’共平面地配置在朝向同一方向发光，在图式下方，更设置有一组匀光器2，本例中是以四个例如图3所示的透明塑胶平行六面体『光共振腔』(optical cavity)作为匀光腔体20，每一个匀光腔体20对应一片上述模块10’。

为便于说明，匀光腔体20朝向模块10’的表面称为入光面22，在入光面22上镀有一层高反射金属膜222，且在金属膜222处形成有多个直径约1～2mm、并分别对应上述LED 100’的透明孔220，使得入光面22除透明孔220外，都具有实质上趋近于100％的高反射率，当然，此处金属膜亦可采用多层膜等高反射结构作为取代。

为提高进入匀光腔体20的光强度，在模块10’与入光面22间，设置有一组聚光透镜阵列3，聚光透镜阵列3在对应各LED 100’所发出光束位置，分别形成有一个聚光镜30，使得本例中各聚光镜30与各LED 100’恰为一对一对应，并且恰可把各LED 100’所发光束聚焦至各对应透明孔220处，以顺利入射至匀光腔体20中。

本例的匀光腔体20在相对于入光面22的底面，形成有一个反射率约为90％，穿透率约10％的部分反射、部分穿透(Partial Transmission)反射层242，使来自匀光腔体20中的光束可以些许射出，故称为出光面24。而在入光面22与出光面24以外的四个周壁上分别形成有反射率接近100％的反射层，故称为环绕反射面26，同样地，其结构可为玻璃片上镀多层膜或镀金属膜，以达到高效率反射；当然，以上所述的玻璃材质也可以改为高透光的塑胶类材质，例如压克力、聚碳酸醋(PC)等材料。

因此，由入光面22进入匀光腔体20的光束，除少数由出光面24透射而出以外，都被迫如图2中的箭头所示，在腔体内来回反射，各不同中心波长的LED100’所发光束从而混合。因此，『光共振腔』内，各空间点上的波段能量分布非常均匀，而照度大小也非常均匀。

LED 100’所发的光束经过各聚光镜30后，利用透镜的F值(F number)设计，其光发散角可设计在3～5度内，在本例中是以几近彼此平行的行进方向由图式上方向下行进。由于各LED 100’所发光束仅具有极小的发散角，为提高混光效果，在入光面22上方更设置有一片如图4所示的微稜镜柱片(Micro-prismsheet)224作为角度发散片；此微稜镜柱片是由稜镜柱所构成，本例中，其稜镜间距(pitch)P约为50μm，稜镜角为90度。光束经过微稜镜柱片224后，行进的方向会被稜镜偏转θ角，再由入光面22上所保留透明孔220进入『光共振腔』之中。并且在出光面处，同样设置有一片与角度发散片呈镜像对称的微稜镜柱片244作为角度收敛片。

光线在经过微稜镜柱片224的行进方向若如图5所示是经微稜镜柱片224右侧斜面进入，则光束将顺时针偏折-θ角，并如图2所示，碰到『光共振腔』的左侧环绕反射面26反射，再行进到出光面24，此时90％反射回『光共振腔』，另外10％经出光面24透射向下，由于出光面24下方有方向反置的微稜镜柱片244，由于其稜镜柱方向反置，因此当一光束以角度θ进入后，经过该稜镜偏转，其出光角将转为0度角，恰可把射出光束的偏角θ再回复为0度输出。

同理，如图6经微稜镜柱片224左侧斜面进入的光束，将逆时针偏折+θ角；并同样参考图2所示，在出光面24处使10％的光能穿透出光面24向下，再经微稜镜柱片244回复零度角射出。而由于本例中的『光共振腔』为一个平行六面体的共振腔，因此各光束在『光共振腔』内，虽然经过多次反射，但经过反置作为角度收敛片的微稜镜柱片244后，其出射光的角度皆能还原为接近0度角；藉此，射出光源模组的光束聚光角均接近零度而彼此平行，故可达成光源所发光束的角度要求。

当稜镜角为90度时，其偏向角θ约30度，当稜镜角为60度时，其偏向角θ约为40度，由于稜镜的间距非常小，仅约50μm，因此入射光束如果直径为1mm＝1000μm，其出射光将如图7所示，出现左右各θ角的两道光束。由于该稜镜柱在出入纸面的y轴向为均匀柱状，因此入射光只有在图式左右方向的x轴向产生偏向角。如果需要y轴方向偏转角度，则如图8所示，需要外加一片y轴方向的微稜镜柱片226。该两片互相垂直重叠，以达到x.、y轴皆有偏向的功能。因此一道入射光束，经过该两片微稜镜柱片后，将在x轴方向产生顺时针与逆时针两道偏向光束，y轴方向则产生偏出纸面与偏入纸面的两道偏折，故将偏折方向排列组合，共产生四道不同方向的光束。

利用微稜镜柱片将LED入射光束的入射角0度偏转为θ角的主要目的，在于增加光束在『光共振腔』内的混光效果。其原理如图9所示，当一光束由点P₁以入射角θ开始在『光共振腔』内行进，分别在点P₂、P₃、P₄、P₅经多次反射，因为入射角为θ，当『光共振腔』的高度为h，则光束由P₁至P₅过程中，在图式水平面方向行经距离为2h·tanθ，而光径的总距离L＝2h secθ。如果入射角θ＝0，则该光束将只有在入光面与出光面间不断反射往返，该光束呈上下一直线分布，能涵盖的分布范围极小；相对地，当入射角θ为30度，光束在水平方向将跨越(2√3)h/3，亦即，该光束所涵盖的照射面位置分布范围将非常大。

当入射角θ较大的光束，由P₁行进到P₅后，再次于光共振腔内反射，其行径路线已经被改变，也将经过不同位置，如果该光束可以经过多次的反覆反射，其轨迹无疑可以涵盖整个光共振腔，亦即，整个出光面都可以得到其贡献出光；由此，各不同中心波长的光束分布将更均匀。加以，由于光束发散有其立体角，而该光束的点径(spot size)大小将随其行径愈长而愈增大，其点径大小与行经距离L的关系为其中L为光束的行径距离，Δβ为光束发散角。因此光束在『光共振腔』内的分布，将因总行径距离愈大而愈均匀。

因此当入射角θ愈大时，总行经距离L愈大，而光束发散的点径大小D也会随的愈大，混光程度也愈佳。例如当『光共振腔』的h＝300mm，θ选择为30度，Δβ＝±3度，则光束由起始点P₁开始，经过一串反射到达P₅位置时，

亦即，当光束在『光共振腔』内往返时，每行经一次出光面而返回入光面时，其光点大小将增加70mm，因此如果经过5次上述往返反射后，原本由入光面如同点光源般进入匀光腔体的光束，其点径大小将迅速扩大至350mm。单一光束的点径已足够涵盖整个『光共振腔』，由此可看出其混光效果。

为便于说明起见，在此定义光束由入光面进入，经出光面反射、再回到入光面反射，称为一次「完全反射」，其中经过两次『光共振腔』的周边全反射，假设其反射系数为α₁，其中一次经过出光面的部分透射出光，假设其出光率为r，反射率为(1-r)，再经过一次入光面反射，假设其平均反射率为α₂，因此该光束经过一次完全反射后的光强度I₁＝I₀·α₁ ²(1-r)α₂，例如当α₁＝98％，r＝10％，α₂＝98％，则I₁＝0.85I₀，如果经过5次『完全反射』后，该光束强度尚有I₅＝0.44I₀。以上例子而言，该光束在『光共振腔』内，可以视为有5次～6次的有效『完全反射』。如果以该光束进入『光共振腔』时，因为经过两片微稜镜柱片后，已有四道不同偏向角的光束来计算，则该LED光束在『光共振腔』内，将可产生20～24次的完全反射的行径，因而可以达到完全充分混光的目的。

当利用多个不同波段的LED矩阵组成一个光源模组，例如大小为三厘米见方的6×6矩阵，其中各个LED皆利用足够小的光束角的砲弹型LED组成。即可进一步采用多组LED矩阵的光源模组1’共同组合成如图10所示的一个更大面积光源，照射至下方的太阳能电池，供测试模组90量测输出的电压与电流，藉以获得待测太阳能电池的光电转换性能。如此，完全可以弹性因应测试的需求，而无庸顾虑待测试物件尺寸增大，测试设备无法配合的困扰。且即使在各光源模组拼接的边界处光线稍有减暗，但相较于匀光器1至2mm的厚度，其与待测物间的距离至少数厘米，因此拼接交界的减暗，在照射至待测物时，将不致造成影响。

当然，如熟悉本技术领域者所能轻易理解，上述角度发散片并非局限于单片柱状结构的微稜镜柱片，如图11所示，亦可采用具有多个锥体部的微稜镜柱片作为角度发散片与角度收敛片，且每一锥体部分别对应一个入光面的透明孔，即可将入射光以放射状对称的偏折角度发散及收敛；当然，亦可采用彼此柱状排列方向垂直的方式，将两片柱状结构的微稜镜柱片叠置，均可符合本案的需求。

经由上述设计，本案所揭示的光源模组可以利用LED，制造出光束均匀且出光角度小的ClassA级太阳光模拟装置用光源模组；并且藉由拼接多个光源模组，即可因应待测物的面积增大，具有良好的使用弹性；且采用多个LED元件，得以组合出接近标准太阳光的光谱；并将整体光源模组的成本大幅降低，由此制造出更具有市场竞争力的太阳光模拟装置，达成所有上述目的。

以上所述仅本发明的较佳实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书范围及发明说明内容所作简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims

1.一种太阳光模拟装置用光源模组，包括：

多个具有多个中心波长的发光二极体；及

一组匀光器，包括：

一个具有至少六个表面，其中有至少一个形成有多个对应上述发光二极体的透明孔的入光面、及一个穿透率小于50%且反射率大于50%的出光面的匀光腔体，该腔体内部为透光材质，且除该出光面外，其余所有上述表面，均形成有供把来自腔体内部的光束朝向腔体内部反射的反射层；

至少一组设置于该至少一个入光面外侧、供发散来自上述发光二极体的光束，使上述光束以一大于其入射角的折射角穿经上述透明孔进入该匀光腔体的角度发散片；及

一组设置于该出光面外侧、供收敛来自该匀光腔室内的匀光光束，使该匀光光束以一小于其入射角的折射角远离该匀光腔体的角度收敛片。

2.如权利要求1所述的太阳光模拟装置用光源模组，其中该至少一组角度发散片包括两片分别形成有平行稜镜的微稜镜柱片，且该两片微稜镜柱片是以稜镜排列方向彼此垂直地重叠设置。

3.如权利要求2所述的太阳光模拟装置用光源模组，其中该匀光腔体仅有一个上述入光面，且该入光面是平行于该出光面配置。

4.如权利要求3所述的太阳光模拟装置用光源模组，其中该角度收敛片与该角度发散片镜像对称。

5.如权利要求1所述的太阳光模拟装置用光源模组，其中该至少一组角度发散片是一片形成有多个分别对应上述透明孔的锥体部的微稜镜柱片。

6.如权利要求1所述的太阳光模拟装置用光源模组，其中该出光面反射率大于85%，且穿透率小于15%。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的太阳光模拟装置用光源模组，其中该匀光腔体是一个中空玻璃盒体。

8.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的太阳光模拟装置用光源模组，其中该匀光腔体是一个实心透光塑胶平行六面体。

9.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的太阳光模拟装置用光源模组，其中上述发光二极体均具有小于一预定立体角的发光角度，且该光源模组更包括介于上述发光二极体与上述至少一个入光面间的聚光透镜阵列。

10.一种太阳光模拟测试装置，供量测待测太阳能电池的光电性能，该模拟测试装置包括：

至少一个光源模组，包括；

多个具有多个中心波长的发光二极体；及

一组匀光器，包括：

一组设置于该出光面外侧、供收敛来自该匀光腔室内的匀光光束，使该匀光光束以一小于其入射角的折射角远离该匀光腔体的角度收敛片；及

一组供量测待测太阳能电池受该光源模组照射后的输出电讯号的测试模组。