太陽光模擬裝置用光源模組及該模擬測試裝置的製作方法

2023-12-09 19:40:26 2

專利名稱：太陽光模擬裝置用光源模組及該模擬測試裝置的製作方法
太陽光模擬裝置用光源模組及該模擬測試裝置
技術領域：
本發明是關於ー種太陽光模擬裝置用光源模組，及應用該模組的太陽光模擬測試裝置。
背景技木目前常見潔淨能源中，利用太陽能電池發電已是極重要的ー環。而太陽能電池的發電效率則是目前量測太陽能電池品質最重要的指標；因此，測試太陽能電池發電效率的裝置必須非常準確；而該測試裝置中最重要的部件就是模擬太陽光的光源。由於太陽光的光譜及照度會隨地理位置、季節、雲層分布、及空氣品質等因素而變動，為求簡化及標準化測試環境，因此在測試時是以美國IEC或JIS所提的AM-1. 5G的標準來製作模擬光源。·在該標準中，規定模擬光源的光譜分布偏差量、照射均一性、照射安定性等三個主要指標；並且按照偏差量，將光源分類為A、B、C三個等級，目前太陽能電池エ業界所接受的標準為Class A級，此等級的光譜偏差量必須小於±25%，照射不均勻度必須小於±2%，照射不安定性必須小於±2%。由於在AM-1. 5G下的太陽光強度約為1000W/m2，且幾乎是平行光，作為太陽光模擬器的光源，除必須達到Class A級的上述三個要求外，其光強度及平行光的聚光角度(Collimation Angle)亦為重要指標。一般要求其輸出光強度必須在IOOOff/m2以上，聚光角在±3度以內。因為Xe(氙氣燈)燈泡發光的光譜較接近太陽光，且光輸出能量也夠大，以往太陽光模擬裝置皆以Xe燈泡為光源，但衡量實際的光譜分布，要達到Class A級的要求，仍需要利用複雜的濾光片(Optical filter)。近年來，各式太陽能電池不斷推陳出新，用來測試的太陽光模擬裝置需要具有更準確光譜的光源，因此有些業者推出利用Xe燈泡及滷素金屬燈泡混合的複合型太陽光模擬裝置，但其價格也極為昂貴。另外，由於太陽能電池模組(Solar Module)的檢驗，往往待測物面積龐大，光源也需要分布至非常大面積才能順利檢驗；利用光束向四面發散的Xe燈泡作為光源，為得到夠均勻的照度、並且分布至大範圍，燈泡與待測物間的測試距離需要拉開至非常大，造成測試設備龐大且測試不便；而Xe燈泡本身的發光強度在分散至較大面積後，也難以達到足夠強度，造成使用上的局限。另方面，由於近年來LED的功率持續増大，且各不同波段的LED也紛紛出現，因此利用LED做為太陽光模擬器的光源已逐漸可行而被重視。目前已有的實驗室用LED太陽光模擬裝置，是如圖I所示，利用多組不同波段的LED 100例如6X6的LED矩陣組成ー個模塊10，再利用例如4個模塊10組成ー個面積較大的裝置，這36個LED 100的中心波長分別從實際太陽光譜的380nm 1200nm範圍之中被選出，且每ー者光功率大小亦被控制在所需的標準太陽光強度之內。由於太陽光模擬裝置要求的聚光角(CollimationAngle)非常小，因此各LED100都必須選擇小發光角的砲弾型(Lamp type)LED，其光場半功率角為±5度以內。也因為該砲弾型LED的光場半功率角非常小，因此在該模塊10內，各個不同波段的LED的混光效果不好，因此其波長分布均勻度非常差，與Class A級太陽光模擬裝置所要求的98%均勻度相差甚遠，因此到目前為止，尚未有可以達到Class A級的LED太陽光模擬裝置出現。

發明內容本發明目的之ー在於提供ー種可提供大面積均勻光束而達到Class A級的太陽光模擬裝置用光源模組。本發明的另一目的在於提供ー種採用多個LED元件，而可提供接近標準太陽光的光譜的太陽光模擬裝置用光源模組。本發明的再一目的在於提供ー種可由多個模組結合，使照射面積持續擴張的太陽光模擬裝置用光源模組。本發明的又一目的在於提供一種採用LED元件，而可降低成本的太陽光模擬裝置 用光源模組。本發明的又一目的在於提供ー種符合Class A級標準的太陽光模擬裝置。依照本發明掲示的一種太陽光模擬裝置用光源模組，包括多個分別具有ー個中心波長的發光二極體，且上述各發光二極體的中心波長分布於至少三個彼此相異的波長；及一組勻光器，包括ー個具有至少六個表面，其中有至少ー個形成有複數個對應上述發光ニ極體的透明孔的入光面、及一個穿透率小於50%且反射率大於50%的出光面的勻光腔體，該腔體內部為透光材質，且除該出光面外，其餘所有上述表面，均形成有供把來自腔體內部的光束朝向腔體內部反射的反射層；至少一片設置於該至少一個入光面外側、供發散來自上述發光二極體的光束，使上述光束以一大於其入射角的折射角穿經上述透明孔進入該勻光腔體的角度發散片；及一片設置於該出光面外側、供收斂來自該勻光腔體內的勻光光束，使該勻光光束以ー小於其入射角的折射角遠離該勻光腔體的角度收斂片。採用上述光源模組所製成的太陽光模擬測試裝置，是供量測待測太陽能電池的光電性能，該模擬測試裝置包括至少ー個光源模組，包括；多個具有多個中心波長的發光二極體；及ー組勻光器，包括ー個具有至少六個表面，其中有至少ー個形成有多個對應上述發光二極體的透明孔的入光面、及一個穿透率小於50%且反射率大於50%的出光面的勻光腔體，該腔體內部為透光材質，且除該出光面外，其餘所有上述表面，均形成有供把來自腔體內部的光束朝向腔體內部反射的反射層；至少ー組設置於該至少一個入光面外側、供發散來自上述發光二極體的光束，使上述光束以一大於其入射角的折射角穿經上述透明孔進入該勻光腔體的角度發散片；及ー組設置於該出光面外側、供收斂來自該勻光腔體內的勻光光束，使該勻光光束以ー小於其入射角的折射角遠離該勻光腔體的角度收斂片；及一組供量測待測太陽能電池受該光源模組照射後的輸出電訊號的測試模組。由於本案所掲示的太陽光模擬裝置用光源模組，是透過ー個『光共振腔』讓進入共振腔中的光束在腔體內不斷來回反射，除較少比例可由出光面逸出，大部分光束都會在反覆反射過程中均勻混合，並且利用ー組角度發散片及ー組角度收斂片，讓進入光共振腔中的光束，偏折角度變大，使得尚未脫離出光面的光束，在每一次反射回到入光面時，行經的水平距離變大，亦即混光範圍變大，出光均勻度從而提高；反之，在光束脫離出光面時，經過一片互補的角度收斂片作用，偏折角反向折回，使得出光的光束實質上重新回到接近準直方向。
此外，藉由多個LED發光，使得總出光接近標準太陽光的光譜；並且因為本案所揭示光源模組業已模組化，可以結合多個模組共同使用，藉以輕易將太陽光模擬裝置的照射面積加大，因應不同尺寸太陽能電池的測試需求，從而達成所有上述目的。

圖I是公知太陽光模擬裝置的LED光源立體示意圖；圖2是本案較佳實施例 的立體示意圖，說明四組發光二極體模塊與勻光器的對應關係;圖3是圖2實施例勻光器的示意圖，說明入光面及各面結構；圖4是圖2實施例作為角度發散片的微稜鏡柱片立體示意圖；圖5至圖7是圖4微稜鏡柱片的光束偏折不意圖；圖8是圖4微稜鏡柱片置置的另一不意圖；圖9是光束在勻光器中反射行進示意圖，說明「完全反射」途徑；圖10是運用圖2實施例的光源模組的太陽光模擬裝置示意圖；及圖11是本案第二較佳實施例的角度發散片結構立體示意圖。主要元件符號說明10、10，.....模塊100、100，.....LED2.....勻光器20.....勻光腔體22.....入光面222.....金屬膜220.....透明孔3.....聚光透鏡陣列30.....聚光鏡242.....反射層24.....出光面26.....環繞反射面224、244、226.....微稜鏡柱片90.....測試模組I，.....光源模組具體實施方式有關本發明的前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合說明書附圖的較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。本案的較佳實施例，如圖2所示，以類似上述的四組發光二極體模塊10』作為光源，在本例中，是採用36種彼此具有相異中心波長的LED 100』各ー顆，共同構成ー組發光二極體模塊10』，並由四片模塊10』共平面地配置在朝向同一方向發光，在圖式下方，更設置有一組勻光器2，本例中是以四個例如圖3所示的透明塑膠平行六面體『光共振腔』(optical cavity)作為勻光腔體20，每ー個勻光腔體20對應一片上述模塊10』。為便於說明，勻光腔體20朝向模塊10』的表面稱為入光面22，在入光面22上鍍有ー層高反射金屬膜222，且在金屬膜222處形成有多個直徑約I 2mm、井分別對應上述LED 100』的透明孔220，使得入光面22除透明孔220タト，都具有實質上趨近於100%的高反射率，當然，此處金屬膜亦可採用多層膜等高反射結構作為取代。為提高進入勻光腔體20的光強度，在模塊10』與入光面22間，設置有一組聚光透鏡陣列3，聚光透鏡陣列3在對應各LED 100』所發出光束位置，分別形成有ー個聚光鏡30，使得本例中各聚光鏡30與各LED 100』恰為一対一對應，並且恰可把各LED 100』所發光束聚焦至各對應透明孔220處，以順利入射至勻光腔體20中。本例的勻光腔體20在相對於入光面22的底面，形成有ー個反射率約為90%，穿透率約10%的部分反射、部分穿透(Partial Transmission)反射層242,使來自勻光腔體20中的光束可以些許射出，故稱為出光面24。而在入光面22與出光面24以外的四個周壁上分別形成有反射率接近100%的反射層，故稱為環繞反射面26，同樣地，其結構可為玻璃片上鍍多層膜或鍍金屬膜，以達到高效率反射；當然，以上所述的玻璃材質也可以改為高透光的塑膠類材質，例如壓克力、聚碳酸醋(PC)等材料。因此，由入光面22進入勻光腔體20的光束，除少數由出光面24透射而出以外，都被迫如圖2中的箭頭所示，在腔體內來回反射，各不同中心波長的LED100』所發光束從而混合。因此，『光共振腔』內，各空間點上的波段能量分布非常均勻，而照度大小也非常均勻。LED 100』所發的光束經過各聚光鏡30後，利用透鏡的F值(F number)設計，其光發散角可設計在3 5度內，在本例中是以幾近彼此平行的行進方向由圖式上方向下行迸。由於各LED 100』所發光束僅具有極小的發散角，為提高混光效果，在入光面22上方更設置 有一片如圖4所示的微稜鏡柱片(Micro-prism sheet) 224作為角度發散片；此微稜鏡柱片是由稜鏡柱所構成，本例中，其稜鏡間距(pitch)P約為50 μ m，稜鏡角為90度。光束經過微稜鏡柱片224後，行進的方向會被稜鏡偏轉Θ角，再由入光面22上所保留透明孔220進入『光共振腔』之中。並且在出光面處，同樣設置有一片與角度發散片呈鏡像対稱的微稜鏡柱片244作為角度收斂片。光線在經過微稜鏡柱片224的行進方向若如圖5所示是經微稜鏡柱片224右側斜面進入，則光束將順時針偏折-Θ角，並如圖2所示，碰到『光共振腔』的左側環繞反射面26反射，再行進到出光面24，此時90%反射回『光共振腔』，另外10%經出光面24透射向下，由於出光面24下方有方向反置的微稜鏡柱片244,由於其稜鏡柱方向反置，因此當一光束以角度Θ進入後,經過該稜鏡偏轉,其出光角將轉為O度角，恰可把射出光束的偏角Θ再回復為O度輸出。同理，如圖6經微稜鏡柱片224左側斜面進入的光束，將逆時針偏折+ Θ角；並同樣參考圖2所示，在出光面24處使10%的光能穿透出光面24向下，再經微稜鏡柱片244回復零度角射出。而由於本例中的『光共振腔』為ー個平行六面體的共振腔，因此各光束在『光共振腔』內，雖然經過多次反射，但經過反置作為角度收斂片的微稜鏡柱片244後，其出射光的角度皆能還原為接近O度角；藉此，射出光源模組的光束聚光角均接近零度而彼此平行，故可達成光源所發光束的角度要求。當稜鏡角為90度時，其偏向角Θ約30度，當稜鏡角為60度時，其偏向角Θ約為40度，由於稜鏡的間距非常小，僅約50 μ m，因此入射光束如果直徑為Imm= 1000 μ m，其出射光將如圖7所示，出現左右各Θ角的兩道光束。由於該稜鏡柱在出入紙面的y軸向為均勻柱狀，因此入射光只有在圖式左右方向的X軸向產生偏向角。如果需要y軸方向偏轉角度，則如圖8所示，需要外加一片y軸方向的微稜鏡柱片226。該兩片互相垂直重疊，以達到X.、y軸皆有偏向的功能。因此一道入射光束，經過該兩片微稜鏡柱片後，將在X軸方向產生順時針與逆時針兩道偏向光束，y軸方向則產生偏出紙面與偏入紙面的兩道偏折，故將偏折方向排列組合，共產生四道不同方向的光束。利用微稜鏡柱片將LED入射光束的入射角O度偏轉為Θ角的主要目的,在於增加光束在『光共振腔』內的混光效果。其原理如圖9所示，當一光束由點P1以入射角Θ開始在『光共振腔』內行進，分別在點己、？3、？4、？5經多次反射，因為入射角為Θ，當『光共振腔』的高度為h，則光束由P1至P5過程中，在圖式水平面方向行經距離為2h · tan Θ，而光徑的總距離L = 2h sec Θ。如果入射角Θ = O,則該光束將只有在入光面與出光面間不斷反射往返，該光束呈上下一直線分布，能涵蓋的分布範圍極小；相對地，當入射角Θ為30度，光束在水平方向將跨越(2 V 3)h/3，亦即，該光束所涵蓋的照射面位置分布範圍將非常大。當入射角Θ較大的光束，由P1行進到P5後，再次於光共振腔內反射，其行徑路線已經被改變，也將經過不同位置，如果該光束可以經過多次的反覆反射，其軌跡無疑可以涵蓋整個光共振腔，亦即，整個出光面都可以得到其貢獻出光；由此，各不同中心波長的光束分布將更均勻。加以，由於光束髮散有其立體角，而該光束的點徑(spot size)大小將隨其
行徑愈長而愈増大，其點徑大小與行經距離L的關係為DELAP，其中L為光束的行徑距
離，Λβ為光束髮散角。因此光束在『光共振腔』內的分布，將因總行徑距離愈大而愈均勻。 因此當入射角Θ愈大時，總行經距離L愈大，而光束髮散的點徑大小D也會隨的愈大，混光程度也愈佳。例如當『光共振腔』的h = 300mm, Θ選擇為30度，Λ β = ±3度，
則光束由起始點P1開始，經過一串反射到達P5位置吋，Ds70mm。亦即，當光束在『光共振腔』內往返吋，每行經一次出光面而返回入光面時，其光點大小將增加70_，因此如果經過5次上述往返反射後，原本由入光面如同點光源般進入勻光腔體的光束，其點徑大小將迅速擴大至350mm。単一光束的點徑已足夠涵蓋整個『光共振腔』，由此可看出其混光效果。為便於說明起見，在此定義光束由入光面進入，經出光面反射、再回到入光面反射，稱為一次「完全反射」，其中經過兩次『光共振腔』的周邊全反射，假設其反射係數為a i，其中一次經過出光面的部分透射出光，假設其出光率為r，反射率為(Ι-r)，再經過ー次入光面反射，假設其平均反射率為α2，因此該光束經過一次完全反射後的光強度I1 =I0 · a /(l-r) α 2,例如當 a i = 98%,r = 10%, α 2 = 98%,則 I1 = 0· 851。,如果經過 5 次『完全反射』後，該光束強度尚有I5 = O. 441」以上例子而言，該光束在『光共振腔』內，可以視為有5次 6次的有效『完全反射』。如果以該光束進入『光共振腔』吋，因為經過兩片微稜鏡柱片後，已有四道不同偏向角的光束來計算，則該LED光束在『光共振腔』內，將可產生20 24次的完全反射的行徑，因而可以達到完全充分混光的目的。當利用多個不同波段的LED矩陣組成ー個光源模組，例如大小為三釐米見方的6X6矩陣，其中各個LED皆利用足夠小的光束角的砲彈型LED組成。即可進ー步採用多組LED矩陣的光源模組I』共同組合成如圖10所示的ー個更大面積光源，照射至下方的太陽能電池，供測試模組90量測輸出的電壓與電流，藉以獲得待測太陽能電池的光電轉換性能。如此，完全可以彈性因應測試的需求，而無庸顧慮待測試物件尺寸増大，測試設備無法配合的困擾。且即使在各光源模組拼接的邊界處光線稍有減暗，但相較於勻光器I至2_的厚度，其與待測物間的距離至少數釐米，因此拼接交界的減暗，在照射至待測物吋，將不致造成影響。當然，如熟悉本技術領域者所能輕易理解，上述角度發散片並非局限於單片柱狀結構的微稜鏡柱片，如圖11所示，亦可採用具有多個錐體部的微稜鏡柱片作為角度發散片與角度收斂片，且每ー錐體部分別對應一個入光面的透明孔，即可將入射光以放射狀對稱的偏折角度發散及收斂；當然，亦可採用彼此柱狀排列方向垂直的方式，將兩片柱狀結構的微稜鏡柱片疊置，均可符合本案的需求。經由上述設計，本案所掲示的光源模組可以利用LED，製造出光束均勻且出光角度小的ClassA級太陽光模擬裝置用光源模組；並且藉由拼接多個光源模組，即可因應待測物的面積增大，具有良好的使用弾性；且採用多個LED元件，得以組合出接近標準太陽光的光譜；並將整體光源模組的成本大幅降低，由此制 造出更具有市場競爭力的太陽光模擬裝置，達成所有上述目的。以上所述僅本發明的較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，即凡依本發明權利要求書範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。
權利要求
1.一種太陽光模擬裝置用光源模組，包括 多個具有多個中心波長的發光二極體；及 一組勻光器，包括 一個具有至少六個表面，其中有至少一個形成有多個對應上述發光二極體的透明孔的入光面、及一個穿透率小於50%且反射率大於50%的出光面的勻光腔體，該腔體內部為透光材質,且除該出光面外,其餘所有上述表面,均形成有供把來自腔體內部的光束朝向腔體內部反射的反射層； 至少一組設置於該至少一個入光面外側、供發散來自上述發光二極體的光束，使上述光束以一大於其入射角的折射角穿經上述透明孔進入該勻光腔體的角度發散片；及 一組設置於該出光面外側、供收斂來自該勻光腔室內的勻光光束，使該勻光光束以一小於其入射角的折射角遠離該勻光腔體的角度收斂片。
2.如權利要求I所述的太陽光模擬裝置用光源模組，其中該至少一組角度發散片包括兩片分別形成有平行稜鏡的微稜鏡柱片，且該兩片微稜鏡柱片是以稜鏡排列方向彼此垂直地重疊設置。
3.如權利要求2所述的太陽光模擬裝置用光源模組，其中該勻光腔體僅有一個上述入光面，且該入光面是平行於該出光面配置。
4.如權利要求3所述的太陽光模擬裝置用光源模組，其中該角度收斂片與該角度發散片鏡像對稱。
5.如權利要求I所述的太陽光模擬裝置用光源模組，其中該至少一組角度發散片是一片形成有多個分別對應上述透明孔的錐體部的微稜鏡柱片。
6.如權利要求I所述的太陽光模擬裝置用光源模組，其中該出光面反射率大於85%，且穿透率小於15%。
7.如權利要求1、2、3、4、5或6所述的太陽光模擬裝置用光源模組，其中該勻光腔體是一個中空玻璃盒體。
8.如權利要求1、2、3、4、5或6所述的太陽光模擬裝置用光源模組，其中該勻光腔體是一個實心透光塑膠平行六面體。
9.如權利要求1、2、3、4、5或6所述的太陽光模擬裝置用光源模組，其中上述發光二極體均具有小於一預定立體角的發光角度，且該光源模組更包括介於上述發光二極體與上述至少一個入光面間的聚光透鏡陣列。
10.一種太陽光模擬測試裝置，供量測待測太陽能電池的光電性能，該模擬測試裝置包括 至少一個光源模組，包括； 多個具有多個中心波長的發光二極體；及 一組勻光器，包括 一個具有至少六個表面，其中有至少一個形成有多個對應上述發光二極體的透明孔的入光面、及一個穿透率小於50%且反射率大於50%的出光面的勻光腔體，該腔體內部為透光材質,且除該出光面外,其餘所有上述表面,均形成有供把來自腔體內部的光束朝向腔體內部反射的反射層； 至少一組設置於該至少一個入光面外側、供發散來自上述發光二極體的光束，使上述光束以一大於其入射角的折射角穿經上述透明孔進入該勻光腔體的角度發散片；及 一組設置於該出光面外側、供收斂來自該勻光腔室內的勻光光束，使該勻光光束以ー小於其入射角的折射角遠離該勻光腔 體的角度收斂片；及 一組供量測待測太陽能電池受該光源模組照射後的輸出電訊號的測試模組。
全文摘要
一種太陽光模擬裝置用光源模組，包含多個具多種不同中心波長的發光二極體；及一組勻光器，包括一個具有至少六個表面，其中有至少一個形成有多個對應上述發光二極體的透明孔的入光面、及一個反射率大於穿透率的出光面的透光材質勻光腔體，且除出光面的所有表面，均形成有完全反射層；至少一組設置於入光面外側的角度發散片，供發散來自發光二極體的光束，使其以一偏折的折射角穿經上述透明孔進入勻光腔體；及設置於出光面外側的角度收斂片。藉由角度發散片，使進入勻光腔體的光束可以平均在多次反射混光後出光，達成良好勻光效果。
文檔編號G01R31/26GK102853278SQ20111017662
公開日2013年1月2日 申請日期2011年6月28日 優先權日2011年6月28日
發明者王遵義 申請人:光遠科技股份有限公司