TWI609150B - Solar Simulator - Google Patents

Description

太陽光模擬器

本發明是有關於一種太陽光模擬器，特別是指一種能發出模擬的太陽光，以用於檢測太陽能電池的開路電壓、量子效率等特性的太陽光模擬器。

太陽光模擬器用於模擬發出太陽光光譜，可用於量測太陽能電池的各種電特性。在量測上，改變光強度可以得到太陽能電池對於不同光強度所產生的效應。如IEC 60891規範，利用兩個不同光強度測試出兩條電流電壓曲線，再利用規範內的數學關係式，求得太陽能電池的串聯電阻與並聯電阻。已知的一種調變光強方式，是改變光源產生器的輸出功率來達到調變光強的目的，但是改變輸出功率的方式，需要等待一段時間才能使改變後的功率穩定下來，如此才能得到穩定的輸出光，因此量測過程的等待時間久，而且實際上光強改變後的穩定度、光強度都有很大的不確定性，使量測效率受到很大的限制，準確度亦下降。具體來說，以氙燈為例，當改變電源功率來調節光強時，在不同輸出功率下的氙燈輸出光譜有很大的差異，如此就無法維持在每一個光強度下，都能夠符合IEC 60904-9 規範要求的光譜等級A的要求。

另一種調節光強的方式，是於光源的光線路徑上設置一轉盤，運用轉盤上在不同位置嵌入不同的衰減片來達到變光效果，但是衰減片的鍍膜容易因光源照射而快速老化，且出光光線的均勻性也容易受到衰減片的影響，因此一方面因為必須時常更換衰減片而導致成本增加，另一方面出光品質受限於衰減片，其品質並不穩定，亦使檢測結果受影響。

因此，本發明之目的，即在提供一種能克服先前技術的至少一個缺點的太陽光模擬器。

於是，本發明太陽光模擬器，包含一個光源、一個光強調整片、一個光傳導單元，以及一個均光單元。

該光強調整片形成有一個用於供該光源的光線通過的出光孔，該出光孔具有相反的一個第一孔部與一個第二孔部，該出光孔的孔洞尺寸自該第一孔部往該第二孔部為非均勻，該光強調整片能受驅動而改變位置，使該出光孔能被控制而以不同的部位供光線通過，以調整該光源的光線通過該光強調整片後的光通量。該光傳導單元位於該光強調整片一側，並用於傳導通過該光強調整片而來的光線。該均光單元位於該光傳導單元一側，並用於將通過該光傳導單元而來的光線均勻化。

本發明之功效在於：藉由該光強調整片形成有孔洞尺寸不均勻的該出光孔，調整該光強調整片位置就可以改變出光強度，使本發明於改變出光強度時不須移動該光源或調整光源的任何參數，因此量測過程能維持該光源光強度的穩定度，光譜也穩定，能提升量測效率與正確性，同時也改善以往使用衰減片所造成的成本高的問題。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1、2、3，本發明太陽光模擬器之一第一實施例，適用於檢測太陽能電池的特性，並包含一光源11、一橢圓反射鏡12、一光強調整片2、一光傳導單元3、一均光單元4、一驅動單元5，以及一光強監測單元6。

該光源11例如氙(Xe)燈或LED燈，但不限於此。該橢圓反射鏡12位於該光源11一側，並用於將該光源11的光線朝該光強調整片2反射。

該光強調整片2形成有一個用於供該光源11的光線通過的出光孔21。該出光孔21是自該光強調整片2的前表面延伸至後 表面而呈貫孔。其中，該出光孔21具有位於相對位置的一個第一孔部211與一個第二孔部212，該出光孔21的孔洞尺寸自該第一孔部211往該第二孔部212為非均勻，也就是說不同部位的尺寸具有變化。具體而言，本實施例的該出光孔21的孔洞尺寸自該第一孔部211往該第二孔部212逐漸變大，其中該第一孔部211為長條弧形，該第二孔部212為圓形。該光強調整片2能受驅動而改變位置，使該出光孔21能被控制而以不同的部位供光線通過，以調整該光源11的光線通過該光強調整片2後的光通量，進而改變該太陽光模擬器最後射出的光強度。補充說明，該光強調整片2不限於本實施例的態樣，且該出光孔21可以為規則形狀或不規則形狀，其孔洞尺寸可以呈連續變化，也可以為非連續的變化。參閱圖4~7，為該光強調整片2的其他種變化態樣，圖4顯示該出光孔21為不規則狀，尺寸變化非連續，圖5顯示該出光孔21為連續型，圖6、7顯示光強調整片2的外形為方形，其中圖6的出光孔21為連續型，圖7的出光孔21為非連續型。

繼續參閱圖1、2、3，該光傳導單元3位於該光強調整片2一側，並用於傳導通過該光強調整片2而來的光線，本實施例的光傳導單元3為一條可撓曲的光纖，可方便地將該光纖彎折設置於所需的方向與位置，因此該光傳導單元3在銜接上游的該光強調整片2與下游的該均光單元4時，都能方便地透過彎折該光纖而達到理想的設置位置，以調整最佳的出光位置與方向。但於實施時，該光傳導單元3不限於可撓曲，也不限於光纖，只要能用於傳導光線到下游元件即可。該光傳導單元3例如可以為一個太陽光譜校正濾光片(Air Mass Filter)，可以使通過的光線光譜更接近太陽光譜，該光傳導單元3也可以為光纖與太陽光譜校正濾光片的組合，或介電係數為1±0.01的物質，例如該光傳導單元3可以為空氣。

該均光單元4位於該光傳導單元3一側，並用於將通過該光傳導單元3而來的光線均勻化，並包括一個均光件41，以及二個彼此間隔且位於該均光件41一側，並用於將通過該均光件41而來的光線聚光的集光透鏡42。本實施例的均光件41為一個呈空心柱狀體的積分柱，其大致為中空的四方形柱體，光線在均光件41內部往前行進的過程中，可受到均光件41內部表面多次反射，達到光線均勻效果，於實施例時，該均光件41也可以是一個陣列透鏡組，同樣能達到均光效果。該等集光透鏡42位於該均光件41下游位置，使通過該均光件41的光聚焦後再傳播，能有效提升出光強度。每一集光透鏡42例如一凸透鏡，於實施時，集光透鏡42的數量也可以為一個。

該驅動單元5連接該光強調整片2，並利用電控方式驅動該光強調整片2移動，可以為上下左右移動，以帶動該光強調整片2改變出光孔21相對於該光源11的位置。

該光強監測單元6包括一個用於偵測通過該光強調整片2後的光線強度的光強監測器61，以及一個訊號連接該光強監測器61並用於顯示該光強監測器61的偵測結果的螢幕62。

本發明使用時，該光源11的光可先受到該橢圓反射鏡12朝該光強調整片2反射，接著光線經由該光強調整片2的出光孔21進入該光傳導單元3，再進入該均光件41內部經由多次反射並均勻化，光線通過該均光件41會產生至少4×4個共軛光源，再由第一個該集光透鏡42收集這些共軛光源11，再經過第二個該集光透鏡42聚焦成像，進而形成具有預定形狀且均勻的光斑，在本實施例中，由於該均光件41為四方形的空心柱狀體，因此產生的光斑為亮度均勻的方形光斑。

要調整光源11的光通量時，只要控制該驅動單元5帶動該光強調整片2移動，以利用該出光孔21的不同部位供光線通過，就可以改變光通量，從而改變出光強度。例如以該出光孔21孔洞尺寸較大部位對應於光行進路徑時，可供較多的光線通過，此時光強度較強，相對地，要降低光強度時，只要控制使該出光孔21以孔洞尺寸較小的部位對應於光行進路徑，就可遮擋較多的光線，使通過出光孔21的光量減少，達到降低光強的目的。由於本發明是移動該光強調整片2位置來調整光強度變化，而不需要調整該光源11本身的功率、位置等，不去調整該光源11就不會影響光的穩定度及光譜。以不同光強進行量測，例如在不同光强下可研究太陽能電池的開路電壓(Voc)變化，並分析Voc偏離理想值的成因，以找出能提升Voc的材料合成方向，以及電池製作工藝上的改進方向。

此外，本發明進一步可設置該光強監測單元6，以隨時偵測光強度變化，可回饋給操作人員得知最即時的資訊，並於光強度有誤差時作即時的調整，例如再調整該光強調整片2位置等參數，藉由即時的偵測與修正，可提升量測效率。

綜上所述，藉由調整該光強調整片2來改變出光強度，改變光強度時不須移動該光源11或調整光源11的任何參數，而且該光強調整片2上也不須設置任何鍍膜，而是利用孔洞形式的該出光孔21來調整光量，因此量測過程能維持光源11光強度的穩定度，光譜也穩定而不會被改變，能提升量測效率與正確性，同時也改善以往使用衰減片所造成的成本高的問題。本實施例的光傳導單元3採用光纖，有助於配合測量需求以及本發明的設備架設地點，可依據架設場所任意移動，並自由彎折該光纖來調整出光方向，便於應用各種領域，也可與手套箱結合。而且本發明基於上述實施例的元件配置架構下，可以採用適當的燈箱、外殼等設計，使本發明的出光方向可作各種調整，可以朝上、朝下，或水平出光，在應用上相當方便，說明如下。

本發明圖1是用於示意各元件間的上、下游相對關係，並示意光行進通過的元件順序，但於實施時不須限定各元件的排列位置與上下左右方位，例如，請同時參閱圖1、8、9，本發明可以設計成體積小、重量輕的模組化設計，方便搬運與移動量測，本發明的太陽光模擬器於實際使用時還可包含一燈箱71與一主機72。該燈箱71包括上下相對的一第一壁711與一第二壁712、一連接於該第一壁711與該第二壁712間且四面圍繞的圍壁713，以及二個上下間隔且位於該第一壁711與該第二壁712間的架壁714。該第一壁711、該第二壁712與該圍壁713共同界定一安裝空間710。該安裝空間710內設置一個三軸調整台73，而該光源11可設置於該三軸調整台73上，使該光源11能被該三軸調整台73帶動而前後左右上下移動，以調整光源11位置。該等架壁714中位於下方的該架壁714可供該橢圓反射鏡12架設，位於上方的該架壁714可供該光強調整片2架設。該燈箱71的該圍壁713或該第一壁711可於對應位置開設適當的安裝口，以供該光強監測單元6安裝。該主機72設有相關的控制元件與螢幕，且該主機72與該光源11、該驅動單元5等元件訊號連接，用於控制該光源11、驅動單元5啟動與運作。

該均光單元4可透過一個支架43安裝於該燈箱71一側，並且還包括一個用於容裝該均光件41與該等集光透鏡42的均光基座44。該等均光件41位於該均光基座44內，並位於該等集光透鏡42上方，圖8示意經由該均光單元4後，最後的出光方向是朝下，並形成亮度均勻的四方形光斑。而該光傳導單元3連接於該燈箱71頂部與該均光基座44頂部間。

參閱圖10，為本發明太陽光模擬器的另一種變化態樣，圖中顯示另一種不同的燈箱71結構與主機72。圖10同樣示意光線最後是向下出光。

參閱圖11，為本發明太陽光模擬器的再一種變化態樣，圖11示意該均光單元4為水平設置，光線最後為水平出光。其中該燈箱71、主機72等設備也可以架設在圖未示的一櫃體上，本發明各元件的安裝位置與設置場所，都可依使用需求而改變。

參閱圖12，本發明太陽光模擬器的一第二實施例，與該第一實施例大致相同，不同的是，本實施例於光行進路徑上還設置一第一反射鏡13與一第二反射鏡14。本實施例的光源11的光線受到該橢圓反射鏡12反射後，再被該第一反射鏡13朝該光強調整片2反射，光線通過該光強調整片2後同樣通過該光傳導單元3、該均光單元4的均光件41，接著再被該第二反射鏡14朝該集光透鏡42反射，並受到該集光透鏡42集光後朝下射出。其中，本實施例的光傳導單元3為空氣。本實施例的光源11、橢圓反射鏡12、均光單元4等元件，同樣可以安裝於適當的殼體中，以成為模組化設備，可方便搬運與操作。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11‧‧‧光源

12‧‧‧橢圓反射鏡

13‧‧‧第一反射鏡

14‧‧‧第二反射鏡

2‧‧‧光強調整片

21‧‧‧出光孔

211‧‧‧第一孔部

212‧‧‧第二孔部

3‧‧‧光傳導單元

4‧‧‧均光單元

41‧‧‧均光件

42‧‧‧集光透鏡

43‧‧‧支架

44‧‧‧均光基座

5‧‧‧驅動單元

6‧‧‧光強監測單元

61‧‧‧光強監測器

62‧‧‧螢幕

71‧‧‧燈箱

710‧‧‧安裝空間

711‧‧‧第一壁

712‧‧‧第二壁

713‧‧‧圍壁

714‧‧‧架壁

72‧‧‧主機

73‧‧‧三軸調整台

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是本發明太陽光模擬器的一第一實施例的一示意圖； 圖2是一前視示意圖，說明該第一實施例的一光強調整片可受一驅動單元帶動而移動； 圖3是該第一實施例的部分元件的一功能方塊圖； 圖4是一前視示意圖，說明該光強調整片的第一種變化態樣； 圖5是一前視示意圖，說明該光強調整片的第二種變化態樣； 圖6是一前視示意圖，說明該光強調整片的第三種變化態樣； 圖7是一前視示意圖，說明該光強調整片的第四種變化態樣；圖8是該第一實施例的一個立體的裝置示意圖；圖9是圖8中的一燈箱的一立體圖，說明安裝在該燈箱內的元件；圖10是一立體圖，說明該第一實施例的另一種變化態樣；圖11是一立體圖，說明該第一實施例的再另一種變化態樣；及圖12是本發明太陽光模擬器的一第二實施例的一示意圖。

2‧‧‧光強調整片

21‧‧‧出光孔

211‧‧‧第一孔部

212‧‧‧第二孔部

5‧‧‧驅動單元

Claims (9)

1. 一種太陽光模擬器，包含：一個光源；一個光強調整片，形成有一個用於供該光源的光線通過的出光孔，該出光孔具有位於相對位置的一個第一孔部與一個第二孔部，該出光孔的孔洞尺寸自該第一孔部往該第二孔部為非均勻，該光強調整片能受驅動而改變位置，使該出光孔能被控制而以不同的部位供光線通過，以調整該光源的光線通過該光強調整片後的光通量；一個光傳導單元，位於該光強調整片一側，並用於傳導通過該光強調整片而來的光線；及一個均光單元，位於該光傳導單元一側，並用於將通過該光傳導單元而來的光線均勻化。
2. 如請求項1所述的太陽光模擬器，其中，該出光孔的孔洞尺寸自該第一孔部往該第二孔部為逐漸變大，或者為非連續的變化。
3. 如請求項1所述的太陽光模擬器，其中，該第一孔部為長條弧形，該第二孔部為圓形。
4. 如請求項1所述的太陽光模擬器，還包含一個連接該光強調整片，並利用電控方式驅動該光強調整片移動的驅動單元。
5. 如請求項1至4中任一項所述的太陽光模擬器，其中，該光傳導單元為一個太陽光譜校正濾光片，或一條可撓曲的光纖，或光纖與太陽光譜校正濾光片的組合，或介電係數為1±0.01的物質。
6. 如請求項5所述的太陽光模擬器，其中，該均光單元包括一個均光件，該均光件為一個呈空心柱狀體的積分柱，或是一個陣列透鏡組。
7. 如請求項6所述的太陽光模擬器，其中，該均光單元還包括至少一個位於該均光件一側，並用於將通過該均光件而來的光線聚光的集光透鏡。
8. 如請求項1所述的太陽光模擬器，還包含一個位於該光源一側，並用於將該光源的光線朝該光強調整片反射的橢圓反射鏡。
9. 如請求項1所述的太陽光模擬器，還包含一個光強監測單元，該光強監測單元包括一個用於偵測通過該光強調整片後的光線強度的光強監測器，以及一個訊號連接該光強監測器並用於顯示該光強監測器的偵測結果的螢幕。