太陽(yáng)光模擬器（又稱(chēng)人造太陽(yáng)、陽(yáng)光模擬器）是一類(lèi)可輸出接近自然太陽(yáng)光光譜與輻照特性的照明設(shè)備，其核心目的是在實(shí)驗(yàn)室條件下構(gòu)建可控的室內(nèi)測(cè)試環(huán)境，用于各類(lèi)光敏工藝與材料的性能評(píng)估。該設(shè)備可測(cè)試太陽(yáng)能電池、航空航天材料、塑料耐候性、光合作用機(jī)制、水處理及自由基反應(yīng)等，廣泛支撐光生物學(xué)、光氧化、光降解、光伏器件及光催化等領(lǐng)域的研究。紫創(chuàng)測(cè)控Luminbox專(zhuān)注太陽(yáng)光模擬器技術(shù)創(chuàng)新，可提供從可行性研究到具體測(cè)試的全場(chǎng)景太陽(yáng)光環(huán)境模擬解決方案。

太陽(yáng)光模擬器的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)

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光伏測(cè)試用太陽(yáng)光模擬器的性能要求由IEC 60904-9、ASTM E927-19 及 JIS C 8912三大標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這些標(biāo)準(zhǔn)明確了模擬器輸出光的五大控制維度：光譜匹配（量化光譜含量）、空間均勻性、時(shí)間穩(wěn)定性，以及 IEC 60904-9:2020 新增的光譜覆蓋率（SPC）與光譜偏差（SPD）。

太陽(yáng)光模擬器等級(jí)主要依據(jù)前三個(gè)維度劃分，每個(gè)維度均劃分為A、B、C三級(jí)；IEC 60904-9:2020 新增A + 級(jí)，僅適用于300-1200nm光譜范圍的太陽(yáng)光模擬器。ASTM E927-19 中，未達(dá) A、B、C 級(jí)的歸為 U 類(lèi)（未分類(lèi)）。等級(jí)表述需遵循規(guī)范：三維度均達(dá) A 級(jí)的為 AAA 級(jí)；ASTM 要求明確三字母對(duì)應(yīng)指標(biāo)，IEC 則規(guī)定字母順序固定為 “光譜匹配 - 空間均勻性 - 時(shí)間穩(wěn)定性”。

太陽(yáng)光模擬器的核心性能指標(biāo)

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1.光譜匹配

地面（AM1.5G） 和外層空間 （AM0） 陽(yáng)光的參考光譜

通過(guò)對(duì)比太陽(yáng)光模擬器與參考光譜（AM1.5G、AM1.5D 地面光譜及 AM0 外太空光譜）在多波長(zhǎng)區(qū)間的積分輻照度計(jì)算，核心參數(shù)為光譜匹配比（RSM），即模擬器某波長(zhǎng)區(qū)間輻照度占比與參考光譜對(duì)應(yīng)占比的比值。

2.空間不均勻性

太陽(yáng)光模擬器的空間不均勻性通過(guò)以下等式計(jì)算，結(jié)果為百分比：

基于Is太陽(yáng)能電池（或陣列 / 光檢測(cè)器）的歸一化短路電流數(shù)組計(jì)算。ASTM E927-19規(guī)定：照明場(chǎng)需至少設(shè) 64 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，單個(gè)測(cè)試位置面積（ATP）= 照明測(cè)試區(qū)域 ÷ 測(cè)量點(diǎn)數(shù)，探測(cè)器面積需為 0.5-1.0 倍 ATP。

3.時(shí)間不穩(wěn)定性

太陽(yáng)光模擬器的輻照度時(shí)間不穩(wěn)定性通過(guò)以下等式計(jì)算，結(jié)果為百分比：

基于數(shù)據(jù)采集期間的測(cè)量值序列（IT）計(jì)算。現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)測(cè)量時(shí)間間隔及采樣頻率作強(qiáng)制規(guī)定，需結(jié)合測(cè)試需求確定。

4.光譜覆蓋范圍（SPC）

SPC 計(jì)算如下，是指在給定波長(zhǎng)下至少占參考輻照度 10% 的太陽(yáng)模擬器發(fā)射百分比：

為IEC 60904-9:2020 新增指標(biāo)，暫不影響等級(jí)劃分，但需按標(biāo)準(zhǔn)報(bào)告。

5.光譜偏差（SPD）

SPD 的計(jì)算方法如下：

IEC 60904-9:2020 更新引入了光譜偏差 （SPD） 指標(biāo)，是指太陽(yáng)模擬器的發(fā)射光譜與參考光譜之間的總百分比偏差。

太陽(yáng)光模擬器的主要類(lèi)型

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根據(jù)發(fā)射持續(xù)時(shí)間，太陽(yáng)光模擬器可分為穩(wěn)態(tài)與脈沖兩類(lèi)，也可按光源數(shù)量分為單燈與多燈型。

1.穩(wěn)態(tài)模擬器

穩(wěn)態(tài)模擬器輸出連續(xù)照明，強(qiáng)度范圍從不足1 個(gè)太陽(yáng)（AM1.5G 光譜總積分輻照度 1000.4 W?m?2，280-4000nm 帶寬）至數(shù)個(gè)太陽(yáng)，適用于低強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)間的性能測(cè)試（如材料耐光老化）。為擴(kuò)展光譜范圍，其常組合電弧源與鹵素?zé)簦瑥浹a(bǔ)單一光源在紅外區(qū)域的光譜缺失。

2.脈沖模擬器

脈沖模擬器采用閃光燈管作為光源，發(fā)射持續(xù)時(shí)間通常為幾毫秒，強(qiáng)度可高達(dá)數(shù)千個(gè)太陽(yáng)，核心優(yōu)勢(shì)是避免被測(cè)設(shè)備（如光伏組件）因長(zhǎng)時(shí)間輻照積聚熱量，影響測(cè)試準(zhǔn)確性。但因燈體快速冷熱循環(huán)，其強(qiáng)度與光譜存在瞬態(tài)波動(dòng)，增加了測(cè)試重復(fù)性難度；而LED 等固態(tài)光源技術(shù)可有效緩解這一問(wèn)題，提升脈沖輸出的穩(wěn)定性。

太陽(yáng)模擬器的構(gòu)成

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太陽(yáng)光模擬器的基本組件

1.光源（燈）和電源

2.光學(xué)器件和濾光片，以改變光束并獲得所需的特性

3.控制元件

太陽(yáng)光模擬器的光源類(lèi)型

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1.氬弧燈

氬弧燈是1972 年用于早期太陽(yáng)模擬研究的光源，色溫度 6500K，與太陽(yáng)黑體溫度匹配度高，光譜范圍覆蓋275-1525nm。其發(fā)光原理為高壓氬氣在電極間放電，需通過(guò)石英管內(nèi)壁的水渦流冷卻電弧邊緣。但該燈存在壽命短（通常數(shù)百小時(shí)）、運(yùn)行可靠性差的缺陷，目前已較少用于主流設(shè)備。

2.碳弧燈

碳弧燈光譜特性接近AM0，曾用于NASA 首臺(tái)太空模擬器，適用于外太空材料的光環(huán)境測(cè)試，且紫外線發(fā)射強(qiáng)度較高。但其整體輻照強(qiáng)度弱于氙弧燈，同時(shí)存在壽命短、運(yùn)行過(guò)程中強(qiáng)度波動(dòng)大及高強(qiáng)度藍(lán)光（與太陽(yáng)光譜不匹配）的問(wèn)題，限制了其應(yīng)用范圍。

3.發(fā)光二極管（LED）

LED 太陽(yáng)模擬器的模擬光譜輸出

2000 年起，LED 逐漸成為光伏模擬器的主流光源，其通過(guò)電子 - 空穴對(duì)復(fù)合發(fā)光，具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低的優(yōu)勢(shì)。由于單顆LED 帶寬較窄（10-100nm），需組合多類(lèi)型 LED 以覆蓋太陽(yáng)光譜，因此光譜匹配度直接取決于LED 的數(shù)量與波長(zhǎng)選擇。

4.金屬鹵化物弧光燈

金屬鹵化物弧光燈屬高強(qiáng)度放電（HID）燈，通過(guò)電弧激發(fā)高壓汞與金屬鹵化物蒸汽發(fā)光，原用于影視照明（需高時(shí)間穩(wěn)定性與日光色匹配），后因相同特性拓展至太陽(yáng)模擬。其優(yōu)勢(shì)為單燈成本較低，故常用于大面積太陽(yáng)光模擬器（如光伏組件批量測(cè)試）；缺點(diǎn)是功耗高、電子驅(qū)動(dòng)器成本高、壽命較短（約1000-2000 小時(shí)）。

5.石英鎢鹵素?zé)?/strong>

石英鎢鹵素?zé)魧侔谉霟簦ㄟ^(guò)鹵素（溴或碘）環(huán)繞加熱鎢絲發(fā)光，光譜與黑體輻射匹配度高，但色溫較低（最高3400K），導(dǎo)致紫外線發(fā)射少而紅外發(fā)射多。其優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)度高、成本極低，適用于光譜敏感性低的場(chǎng)景（如聚光太陽(yáng)能集熱器測(cè)試）。

6.超連續(xù)激光

超連續(xù)激光是一類(lèi)高功率寬帶光源，光譜覆蓋可見(jiàn)光至紅外區(qū)域，具有強(qiáng)度高、光束易聚焦的特點(diǎn)。但核心局限是照明區(qū)域極小（通常為毫米級(jí)），其高強(qiáng)度允許在太陽(yáng)能聚光器應(yīng)用中測(cè)試光伏組件。

7.氙弧燈

氙弧燈太陽(yáng)模擬器示例示意圖

氙弧燈是目前穩(wěn)態(tài)與脈沖太陽(yáng)光模擬器中常用的光源，屬于高強(qiáng)度放電（HID）燈，通過(guò)高壓氙氣電離放電發(fā)光。其優(yōu)點(diǎn)包括：未經(jīng)過(guò)濾的光譜與太陽(yáng)光匹配度高，強(qiáng)度高且功率變化時(shí)光譜平衡無(wú)明顯偏移，降低了對(duì)電源穩(wěn)定性的要求；單燈可產(chǎn)生準(zhǔn)直高強(qiáng)度光束，適用于聚光測(cè)試場(chǎng)景。缺點(diǎn)是：光譜存在較多尖銳原子躍遷峰，紅外發(fā)射較強(qiáng)，需通過(guò)玻璃濾光片修正。

本文圍繞太陽(yáng)光模擬器從分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)、核心性能指標(biāo)、設(shè)備類(lèi)型、基本構(gòu)成及主流光源類(lèi)型，系統(tǒng)梳理了其技術(shù)要點(diǎn)與應(yīng)用邏輯，為不同應(yīng)用場(chǎng)景下的設(shè)備選型提供了全面參考。隨著光源技術(shù)的持續(xù)迭代，太陽(yáng)光模擬器在光譜精準(zhǔn)度、運(yùn)行穩(wěn)定性與場(chǎng)景適配性上將進(jìn)一步升級(jí)。未來(lái)，太陽(yáng)光模擬器將繼續(xù)為光伏器件研發(fā)、材料耐候性評(píng)估、光生物學(xué)研究等領(lǐng)域提供更可靠的室內(nèi)模擬光環(huán)境，助力相關(guān)科研與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

Luminbox3A AAA 級(jí)太陽(yáng)光模擬器

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紫創(chuàng)測(cè)控Luminbox 3A AAA 太陽(yáng)光模擬器采用先進(jìn)光束準(zhǔn)直技術(shù)與高均勻光斑設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)AM1.5G太陽(yáng)光譜，輻照輸出穩(wěn)定，為實(shí)驗(yàn)室提供高效可靠的光照測(cè)試解決方案。

AAA級(jí)性能：光譜匹配度符合IEC60904-9標(biāo)準(zhǔn) AAA級(jí)，可達(dá)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)精度；

長(zhǎng)效穩(wěn)定：優(yōu)化光源設(shè)計(jì)大幅降低維護(hù)頻率，減少校準(zhǔn)與停機(jī)時(shí)間，提升實(shí)驗(yàn)效率；

應(yīng)用場(chǎng)景：可選配光學(xué)濾鏡，靈活模擬室內(nèi)外日光環(huán)境，滿(mǎn)足多元測(cè)試需求。

作為光源校準(zhǔn)領(lǐng)域的創(chuàng)新者，紫創(chuàng)測(cè)控Luminbox 3A AAA 級(jí)太陽(yáng)光模擬器采用光束準(zhǔn)直技術(shù)，已應(yīng)用于光伏實(shí)驗(yàn)室、航空航天等高端場(chǎng)景。未來(lái)，紫創(chuàng)測(cè)控Luminbox 將構(gòu)建多物理場(chǎng)協(xié)同校準(zhǔn)平臺(tái)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化流程，縮短校準(zhǔn)周期，確保光譜匹配度等核心指標(biāo)維持在IEC 60904-9 標(biāo)準(zhǔn)的AAA級(jí)水平。

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