35 公里探空气球实测：频谱驱动 AM0 校准成功重建 161 mA 太空太阳电流

研究团队提出一种频谱驱动 (spectrum-driven) 的 AM0 校准方法,将探空气球的高空原位测量与太阳电池的光谱响应 (SR) 相结合,以解决空间光谱校准的精度限制。

在气球上升至 35 公里平流层的过程中,由单轴跟踪平台同步记录 250 至 2500 nm 的宽频带连续太阳光谱与晶硅电池的实时短路电流。

该方法并不直接将高空环境等同于 AM0,而是将观测到的实测光谱偏差导入具有计量溯源性的器件光谱响应函数中进行卷积加权。

该设计将 AM0 校准转化为精确的光谱重建流程,有效消除大气残留吸收波段对电流输出的干扰。

验证了仅有落在器件有效光谱响应频带内的光谱偏差才会影响光伏电流输出,排除了紫外臭氧层与深红外等大气吸收波段对等效校准的干扰 (Fig. 9)。

探空气球于 35 公里巡航阶段实测获得 1180.55 W/m² 的太阳积分辐照度,且在硅电池的 400 至 1050 nm 核心响应波段内与 AM0 参考光谱高度吻合 (Fig. 7)。

通过光谱加权重建模型,将 35 公里处未经校准的146 mA 实时短路电流予以修正,精确还原出与 AM0 参考值高度一致的     161 mA 等效短路电流。

该研究由中国科学院空天信息创新研究院的 Yongxiang Li 与中国科学院大学的Guoning Xu 担任通讯作者。研究成果发表于 **《Solar RRL》**期刊。

探空气球原位宽频带太阳光谱测量

为解析不同海拔高度下大气吸收对太阳光谱的实际影响,研究团队将覆盖 250 至 1100 nm 波段的 PG2000 光谱仪与 1000 至 2500 nm 波段的 NIR25S 光谱模组搭载于主动跟踪平台上进行实时测量。

测量轨迹涵盖气球从地面上升至 35 公里平流层的完整过程,并通过四象限太阳传感器与惯性导航系统排除太阳几何角度与平台倾斜造成的辐照度计算误差。

测量结果显示,随着高度增加,水汽与气溶胶光学厚度急剧下降,使近红外光与可见光波段的直接辐照度显著增强并逐渐逼近 AM0 标准 (Fig. 8)。

在 35 公里处的实测光谱中,除紫外区残留的 Hartley 与 Huggins 臭氧吸收带以及红外区微量水汽特征外,宽频谱分布已高度接近外太空 AM0 环境条件 (Fig. 7)。

晶硅太阳电池光谱响应与短路电流重建分析

为评估实测光谱偏差对器件光电输出的实际干扰,研究团队通过晶硅电池的校准光谱响应对测得的宽频辐照度进行卷积积分分析。

分析结果表明,35 公里高度的实测频谱若不经修正,积分计算得到的短路电流约为 146 mA,较 AM0 参考基准的 161 mA 低约 9.5%。

进一步,研究团队将实测光谱与 AM0 参考光谱的强度差值代入器件光谱响应加权模型中进行积分修正,该数学过程自然滤除了器件本身不具备量子效率的深紫外与深红外波段干扰 (Fig. 9)。

该频谱驱动的加权修正消除了残余光谱失配造成的误差,精确重建出等效于 AM0 标准环境下的短路电流输出。

高度分辨的大气衰减机制验证

为进一步确认近空间光谱演化的物理溯源性与模型可靠性,研究团队分析了不同海拔高度下大气光学厚度对直接辐照度的衰减特征。

通过比对 12 公里至 35 公里间的光谱变化,证实辐照度增强的趋势符合 Beer-Lambert 衰减模型中气溶胶光学厚度与水汽积分含量的指数减少规律。

可见光波段因大气穿透率较高,在高空变化趋于平缓;而紫外光区的臭氧吸收特征与近红外区的水汽吸收凹槽则随高度攀升而显著减弱。

该动态观测证实了同步记录实时太阳光谱对航天光伏器件校准的必要性,确保 AM0 电流重建模型不受单一高度参数或静态大气模型的假设误差所限。

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该研究建立了一套基于频谱驱动的AM0 光伏校准框架,证实同步获取近空间太阳光谱能够有效消除大气残留吸收导致的光谱失配误差。

该方法为评估空间太阳电池在真实太阳光照下的等效性能提供了具有物理溯源性的新路径,显著提升了航天器件光电性能测量的可信度与准确性。

目前的实验验证主要局限于单一晶硅太阳电池架构,未来的延伸方向将面向光谱响应范围更复杂的 III-V 族多结电池与叠层太阳电池开展测试,并计划与标准 AM0 实验室模拟器开展独立的交叉比对验证。