虹科案例|虹科多通道固态光源用于太阳能器件的性能表征与评估

太阳能

背景提要

太阳是一个巨大的火球，它以光辐射的形式每秒向太空发射3.8×1020MW（兆瓦）的能量，相当于每秒烧掉1.32×1016t标准煤放出的热量，太阳光被大气层反射、吸收之后还有70%投射到地面上。尽管如此，地球上一年接收到的太阳能仍然高达1.8×1018KW.h，每年地球获得的总能量比目前地球耗费的能量还多。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。

太阳能利用的基本能量转换方式为三种：光热转换，光化学转换与光电转换。光热转换的基本原理是通过反射、吸收或其他方式收集太阳辐射能，通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。由于生产和生活中，热能的消耗量所占比例很大，因此热利用是当前太阳能利用的重要方面，目前广泛应用在做饭、烘干谷物、供应热水、室内供暖、高温处理、太阳能水泵、农业温室等方面。光化学转换是将阳光转换为储存的化学能。最常见的光化学转换便是植物的光合作用。光合作用是把二氧化碳和水在阳光照射下，借助植物叶绿素，吸收光能转化为碳水化合物的过程。而人工的光化学转换则是利用太阳辐射将水进行分解，得到氧气与清洁可用的氢燃料。光电转换就是太阳能的光能直接转换为电能，太阳能电池就是目前常见的一种直接将太阳辐射转换成电能的半导体器件。目前太阳能电池已在灯塔、航标、微波中继站、无线电话、无人气象站、金属阴极保护，以及电子玩具、计算器、电子表等方面广为应用，随着技术的发展和材料价格的降低，太阳能电池在未来将会有更广泛的应用前景。

虹科固态光源应用于太阳能领域

应用案例

人们在利用太阳能方面需要对制造的太阳能器件进行表征与分析，通常利用传统卤素灯或普通的可见光光源等对太阳能器件进行性能评估。然而，这些光源都存在明显缺点，无法精准控制照明的输出，使用寿命太短。因此，在太阳能领域对可以稳定控制功率的照明光源，特别是对能够模拟太阳光输出的光源提出了迫切的需求。

虹科固态光引擎是固态光源的集成阵列，是一种高性能的照明系统，由包括LED、光管和激光在内的固态技术混合组成。每个光源的波长、带通、光功率和工作模式都可以根据应用要求来选择，实现输出的精准控制。另一方面，通过多个输出波长的组合能够实现对太阳光的模拟输出，在太阳能领域具有绝佳的应用前景。

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用于太阳能电池测试平台的MAGMA光源

太阳能电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，又称为“太阳能芯片”或“光电池”，它只要被满足一定照度条件的光照度，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，缩写为PV），简称光伏。太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。因此，太阳能电池一直是科研界乃至工业应用的热门话题。

太阳能电池有许多种类，其中硅太阳能电池发展最为成熟，在应用中居主导地位。除此以外，多种新兴材料也应用于太阳能电池中，比如多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池与有机太阳能电池等。而如何对各种太阳能电池进行完善准确的参数表征与性能评估，从而选择合适的材料与结构实现最大化的光电转换效率，是目前太阳能电池制造领域最重要的问题之一。

人造光源对于光伏器件制造中的性能验证以及新型光伏材料开发中光导率和量子效率等特性的表征至关重要。传统上，光伏器件的表征使用氙弧灯或卤素灯来近似太阳光谱。然而，它们的光谱输出不容易适应受控调整，并且长时间（数周至数月）的测试受到其相对较短的工作寿命的限制。

虹科MAGMA光源的输出光谱

虹科MAGMA固态光源采用现代固态照明技术来克服这些限制。MAGMA 光引擎集成了 21 个可单独寻址的 LED 光源，范围从 365 nm 到 1050 nm。LED 输出被合并到一个公共光学序列中，该光学序列指向前面板上的光输出端口通过调整LED阵列21个元件的相对输出强度，可以合成用户指定的光谱分布，例如AM1.5G太阳光谱，在太阳能电池的表征测试阶段实现性能测试，是传统卤素灯的优势替代者。

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用于太阳能光催化的SPECTRA光源

随着全球变暖和化石资源的枯竭，我们依赖化石燃料的社会预计将转向使用氢气（H2）作为清洁和可再生能源的社会。为了实现这一点，通过光催化从水和太阳能中产生氢气的光催化水分解反应引起了很多关注。

与寻求直接从阳光中发电的光伏技术相比，人工光合作用的目标是将阳光转化为储存的化学能。这可以通过在染料敏化光电合成电池（DSPEC）中将水进行光化学分解成氢燃料和氧气来实现。目前研究者们正在进行广泛的研究工作，以提高DSPEC效率。

DSPEC性能评估

宁波材料所先进能源材料工程实验室研究员汪德高与美国北卡罗莱纳大学教堂山分校教授尤为、Thomas J. Meyer开展合作研究，报道了基于分子系统光电化学电池/光伏串联电池高效分解水的研究。该串联电池将染料敏化光电合成电池（DSPEC）加入有机光吸收基团，利用可见光将水转化为氧气和氢气。实验结果表明，可见光吸收电极的太阳能到氢能的转化效率大为改进，并为基于分子的太阳能燃料转化效率提供了基准。将DSPEC光电阳极与有机太阳能电池OSC结合，太阳能人工水分解制氢效率达到1.5％，相比之下，自然光合作用的效率仅为～1％，该方法大大提高了可见光驱动的水分解效率。

左：OSC外部连接带有外部Pt阴极的DSPEC/PV串联设备；右：显示串联电池的能级设计和电子传输过程

在这项研究中，研究人员使用了虹科SPECTRA光引擎的445 nm光输出进行性能评估。相较于其他可见光光源，虹科固态光源提供定量测定DSPEC效率所需的精确照明控制功能，包括波长切换时间低至10微秒，所有八个信号源均提供了TTL触发输入。每个通道都可以通过软件进行精确的控制，使光源输出能够保持稳定，这主要得益于光源的反馈稳定线性强度控制和线性强度控制系统。

虹科多通道固态光源

特点小结

虹科SPECTRA光源

虹科SPECTRA固态光源拥有8个可单独控制的固态光源，提供了空前的性能。每个色带在液体光导的末端提供大约半瓦的光功率。组成光源包括LED，专利的冷光灯和激光光源。光源的输出通过内部集成的带通滤光片优化。光输出端口具有内置适配器，可通过标准的3mm直径的液态光导LLG连接到显微镜和其他生物分析仪器。为满足需要快速（10us）切换的应用，所有八个信号源均提供了TTL触发输入。

虹科MAGMA光源

虹科MAGMA固态光源在微处理器的控制下，整合了21个可独立控制的固态光源，光谱不连续的光源输出 ，从365nm到1050nm。光输出端口有一个内置的适配器，通过液态光波导（LLG）或光纤连接到显微镜和其他分析仪器。所有这些功能都组装在一个紧凑的台式设备中，有15 cm x 35 cm的占地面积。MAGMA有一个先进的控制系统，其围绕一个板载微处理器，带有以太网连接和一个嵌入式命令库。

通过不同命令不仅可以访问颜色通道选择、灯光输出开关和输出强度调整，而且还可以扩展如下功能包括：光输出功率的反馈调节、累计运行时间监控、实时的光输出功率监控、实时电力消耗监测、线性化输出功率控制。