氙灯太阳模拟器与LED太阳模拟器的对比研究

 

本文主要比较了基于氙灯和基于LED的太阳能模拟器在光谱匹配、时间稳定性和光照均匀性等方面的性能。通过测量多种太阳能电池的电流-电压（I-V）响应和光谱响应（SR），评估了两种模拟器在模拟太阳光（AM1.5G光谱）时的表现。结果表明，LED模拟器在稳定性、灵活性和光谱匹配精度上优于氙灯模拟器。

氙灯模拟器、LED模拟器的优劣势

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太阳模拟器的性能通过光谱匹配度（AM1.5G）、时间稳定性、空间均匀性三项指标评级（AAA 为最高等级），国际标准由 IEC、JIS、ASTM 制定。

氙灯模拟器的现状

 

 

氙灯模拟器过去15-20 年占主导地位，光谱连续均匀，但存在老化导致光谱偏移（蓝光减少、红光增加）、发热量大、寿命短（约1000 小时）等缺点。

LED模拟器的优势

 

 

LED 模拟器通过多波长组合可灵活匹配 AM1.5G 光谱，具有寿命长（5 万 - 10 万小时）、发热少、稳定性高、响应快等优点。

 

 

实验对比氙灯模拟器和LED模拟器在光谱匹配、光伏电池I-V 响应、光谱失配校正、温度效应等方面的表现。

光谱匹配度

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 光谱匹配度对比（红色：LED 模拟器光谱 蓝色：氙灯模拟器光谱）

 

 

LED 模拟器：积分辐照度（760 W/m²）更接近 AM1.5G（756 W/m²），且可通过调节单个 LED 波长优化局部光谱（如增强或减弱特定波段）。

 

 

氙灯模拟器：400-700 nm 辐照度显著高于 AM1.5G（整体辐照度 818 W/m²），存在 “蓝光过剩” 问题，且老化后光谱会红移。

 

 

LED 模拟器对AM1.5G 的整体光谱匹配更精准、灵活，氙灯模拟器存在固有光谱偏移风险。

I-V 响应对比

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I-V 曲线对比（黑色：氙灯模拟器 红色：LED 模拟器）
 

 

 

氙灯模拟器在接近Voc处电流略低（灰色残差线左偏），推测由氙灯发热导致电池温度升高、Voc下降。

 

 

LED模拟器数据重复性更好（方差更低），体现其输出稳定性优势。

 

 

两者对光伏电池的I-V 响应等效，但 LED 模拟器因低热效应更适合精确温控场景。

光谱失配校正

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光谱响应（SR）曲线

 

氙灯模拟器在400-700 nm 辐照度过高，导致非晶硅等短波敏感材料的Isc测量值偏大；LED 模拟器因光谱匹配更优，失配误差更小。

 

 

LED 模拟器的光谱灵活性可降低不同材料的失配误差，尤其适用于薄膜太阳能电池。

 

 

 非晶硅薄膜的I-V 曲线（光谱失配校正前后）

 

 

校正前：氙灯模拟器Isc=28.8mA，LED模拟器Isc=25.1 mA，差异14.7%。校正后：应用光谱失配因子后，两者曲线重合。

 

 

氙灯模拟器的光谱失配导致非晶硅薄膜的Isc被高估，LED模拟器无需校正即可接近AM1.5G 真实值。LED模拟器的光谱精度可减少实验中的失配校正需求，提升数据可靠性。

其他性能对比

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综上所述，LED太阳模拟器凭借其光谱调控灵活性、低热效应和长期稳定性，展现了替代传统氙灯技术的显著潜力。

 

 

展望未来，随着深紫外（<400 nm）和远红外（>1100 nm）LED 的开发、自校准光谱系统的集成，以及光学设计的优化，LED 模拟器有望实现全太阳光谱（AM0/AM1.5G）的无缝覆盖，进一步提升在空间光伏、多结电池等前沿领域的适用性。与此同时，氙灯模拟器在高辐照度场景中仍具短期优势，但其固有的发热、老化和安全隐患问题，终将推动行业向更智能、更可靠的LED技术转型。

Luminbox AAA级太阳光模拟器

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Luminbox太阳光模拟器采用先进光束准直技术与高均匀光斑设计，精准复现AM1.5G太阳光谱，辐照输出稳定，为实验室提供高效可靠的光照测试解决方案。

 

 

AAA级性能：光谱匹配度符合IEC60904-9标准 AAA级，可达实验室校准精度；

 

 

长效稳定：优化光源设计大幅降低维护频率，减少校准与停机时间，提升实验效率；

 

 

应用场景：可选配光学滤镜，灵活模拟室内外日光环境，满足多元测试需求。以

Luminbox太阳光模拟器为代表的LED太阳模拟器凭借光谱调控灵活性、低热稳定性等优势，已成为替代传统氙灯技术的重要方向。

 

 

原文参考：COMPARISON OF XENON LAMP-BASED AND LED-BASED SOLAR SIMULATORS

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