Aurinkosimulaattorit aurinkosähkötekniikassa: perusteet ja mittaustekniikka

Aurinkokenno ei ole yleismittari valolle vaan spektraalisesti valikoiva muunnin: se ei kerro, kuinka paljon säteilyä siihen osuu, vaan minkälaista säteilyä. Aurinkosimulaattorin on siksi tuotettava enemmän kuin kokonaisirradianssi 1000 W/m² - sen on toistettava spektrijakauma, joka on riittävän lähellä standardoitua vertailuspektriä AM1.5G. Keskeinen haaste on se, että poikkeamat esiintyvät kolmessa toisistaan riippumattomassa ulottuvuudessa - spektrisovituksessa, tilajakauman tasaisuudessa ja ajallisessa vakaudessa - jotka eivät kompensoi toisiaan. Vasta näiden kolmen suureen standardoitu luokittelu standardin IEC 60904-9 mukaisesti tekee aurinkokennojen ja -moduulien hyötysuhdemittauksista vertailukelpoisia laboratorioiden, valmistajien ja sertifiointielinten välillä.

Aurinkosähkö nousi vuonna 2025 ensimmäistä kertaa maailman suurimmaksi asennetuksi sähköntuotantoteknologiaksi: maailmanlaajuiset lisäykset ylittivät ensimmäistä kertaa 600 gigawattia, kumulatiivinen kapasiteetti saavutti noin 2 800 gigawattia, ja aurinkovoima muodosti yli kolme neljäsosaa maailman uudesta uusiutuvan energian tuotantokapasiteetista Kansainvälisen energiajärjestön (IEA) Global Energy Review 2026 -raportin mukaan (IEA, 2026). Testaus- ja mittausteknologian kannalta olennainen tarina ei ole määrä vaan sen taustalla oleva teknologinen monimuotoistuminen: kristallisen piin ohella vakiintuvat heteroliitoskennot, CdTe- ja CIGS-pohjaiset ohutkalvojärjestelmät sekä perovskiitti-pii-tandemkennot, samalla kun kaksipuolisten (bifacial) moduulien osuus kasvaa.

Tekninen seuraus etenee selvää ketjua pitkin: kasvava moduulien monimuotoisuus ja korkeammat kennohyötysuhteet lisäävät testitulosten herkkyyttä testilähteen spektripoikkeamille. Jokainen uusi materiaaliluokka - ohutkalvo, kaksipuolinen, tandem - tuo mukanaan omanlaisensa spektrisen herkkyyskäyrän, mikä käytännössä kaventaa virhemarginaalia, jonka aurinkosimulaattori voi sallia verrattuna 1980-luvun yksinkertaisempiin yksikristallisiin piikennoihin, joita varten alkuperäiset standardit alun perin suunniteltiin.

Viisi kehityskulkua muuttaa aurinkosimulaation mittaustehtävää:

• Siirtyminen kaasupurkauslampuista LED-teknologiaan. LED-simulaattorit korvaavat yhä useammin ksenon- ja metallihalidijärjestelmiä, koska ne tarjoavat pidemmän käyttöiän, pienemmän huoltotarpeen ja spektrisen muotoilun, joka on säädettävissä sähköisesti optisen säädön sijaan. Tuloksena testauksen painopiste siirtyy suodatinoptiikasta kohti elektronista kanavaohjausta ja yksittäisten LED-ryhmien ohjelmistopohjaista spektrikalibrointia.
• A+-luokan ja valinnaisten spektristen mittareiden käyttöönotto. IEC 60904-9:2020 kaksinkertaisti arviointivaatimukset ja otti käyttöön SPC/SPD-mittarin, joka vastaa erityisesti aukkoisten LED-spektrien luokitteluvaatimuksen muodolliseen täyttämiseen liittyvään ongelmaan. Tämä lisää laitevalmistajien dokumentointitarvetta, ja heidän on jatkossa yhä useammin ilmoitettava läpinäkyvästi luokitusmerkinnän lisäksi myös kattavuus- ja poikkeama-arvot.
• Monilähdejärjestelmät tandem-teknologioita varten. Perovskiitti-pii-tandemmoduulien markkinoille tulon myötä on kehittymässä simulaattoreita, joissa on useita kymmeniä itsenäisesti ohjattavia spektrikanavia ja laajennettuja aallonpituusalueita yli 1600 nanometrin. Tämä luo tiiviimmän kytkennän simulaattorin kalibroinnin ja kennon karakterisoinnin välille, koska spektriasetus on määritettävä erikseen kullekin alikennolle.
• Kaksipuoliset (bifacial) testimenetelmät. Tekninen spesifikaatio IEC TS 60904-1-2 muodollistaa menetelmät kaksipuolisten moduulien mittaamiseksi simuloidussa ja luonnollisessa säteilyssä. Tämä lisää anturitarvetta takapinnan säteilyä varten ja kasvattaa tarvetta testiasemille, jotka voivat valaista molempia moduulin puolia samanaikaisesti ja hallitusti.
• Stabiloidut tehoprotokollat epästabiileille materiaaleille. Perovskiitti- ja muille metastabiileille kennoteknologioille vakiintuu yhteisesti sovittuja testiprotokollia, joissa käytetään jatkuvaa valaistusta ja aikaerotteista tehon stabilointia. Seurauksena siirrytään klassisen välähdysmittauksen puhtaasta tilannekuvasta kohti minuuteista tunteihin ulottuvalla ajanjaksolla dokumentoitua tehokäyrää.

Tämän sovellusalueen markkinakoot, kasvuvauhdit ja lähteet on koottu sivulle UV-teknologian markkinakehitys.

Aurinkosimulaattori tuottaa keinovaloa, joka toistaa luonnollisen auringonvalon spektrisen irradianssin määritellyissä ilmakehän olosuhteissa. Vertailusuureena käytetään AM1.5G-spektriä (Air Mass 1.5, Global), joka on ilmakehämallista laskennallisesti johdettu spektri. Se edustaa Keski-Euroopan ja Pohjois-Amerikan leveysasteita auringon zeniittikulman ollessa 48,2° ja on normalisoitu integroituun irradianssiin 1000,4 W/m² (ASTM G173-03). Valonlähde - tavallisesti kaasupurkauslamppu tai useiden LEDien yhdistelmä - muotoillaan optiikan, suodattimien ja ohjauselektroniikan avulla niin, että intensiteetti, spektri ja tasaisuus näytetasossa vastaavat mahdollisimman tarkasti tätä vertailuspektriä.

Fysikaalisesti olennaista on, että aurinkokenno ei integroi itse irradianssia, vaan spektrisen irradianssin ja kennon aallonpituusriippuvaisen spektrisen herkkyyden tulon. Kahdella valonlähteellä, joiden kokonaisirradianssi on sama mutta spektri erilainen, syntyy samalla kennolla eri valovirta. Aurinkosimulaattoria ei siksi kalibroida lampun lähdössä, vaan näytetasossa käyttäen metrologisesti jäljitettävästi kalibroitua vertailuaurinkokennoa tai spektroradiometriä.

Kaasupurkauslamput hallitsivat historiallisesti, sillä kun ensimmäinen relevantti standardi ASTM E927 (1979) laadittiin, ne olivat ainoat saatavilla olevat lähteet, joiden laajakaistainen spektri muisti riittävästi aurinkoa (ASTM E927-19). Noin kahden vuosikymmenen ajan LED-pohjaiset järjestelmät ovat vakiinnuttaneet asemaansa yhä enemmän ja syrjäyttävät nykyään perinteisen ksenoniteknologian tuotantolinjoilla ja laboratorioissa.

Luonnollisen laajakaistaisen ominaisuutensa ansiosta ksenonlamput ovat edelleen yleisesti käytössä suuralueen moduulituotannossa, mutta niiden käyttö vaatii säännöllistä uudelleensäätöä spektrisuodatuksen avulla, koska niiden emissioviivat, erityisesti yli 800 nm:n alueella, heikentävät luokitusta (IEC 60904-9:2020). PV-moduulien virta-jänniteominaiskäyrien vertailumittauksissa LED-järjestelmät ovat osoittaneet suorituskyvyn, joka on vähintään vastaava, ja stabiilisuudessa ja spektrijoustavuudessa toisinaan parempi kuin ksenonlähteillä (Chojniak et al., 2024).

Aurinkosimulaattoria ei arvioida yhden luvun perusteella, vaan useiden, toisistaan riippumattomien fysikaalisten suureiden avulla:

• Spektrivastaavuus kuvaa, kuinka hyvin simulaattorin irradianssi määritellyillä aallonpituusväleillä vastaa AM1.5G-vertailuspektriä. Se on ratkaisevaa, koska kennon mitattu valovirta riippuu lähdespektrin ja kennon herkkyyden päällekkäisyysintegraalista – ei lähteen kokonaistehosta.
• Alueellinen epätasaisuus ilmaisee irradianssin vaihtelun testausalueella. Se vaikuttaa pääasiassa suuriin moduuleihin ja sarjaan kytkettyihin kennoketjuihin, koska heikoiten valaistu osa-alue voi rajoittaa kokonaisvirtaa.
• Ajallinen epävakaus kuvaa irradianssin vaihteluita mittauksen aikana. Se on erityisen kriittistä pulssitetuille simulaattoreille, koska lampun spektri ja intensiteetti muuttuvat jatkuvasti salamaputken nousu- ja laskuvaiheiden aikana.
• Kokonaisirradianssi on asetettava vertailuarvoon 1000 W/m², koska aurinkokennon ominaiskäyrä riippuu irradianssista epälineaarisesti; poikkeama ei vaikuta kaikkiin käyrän parametreihin suhteellisesti.
• Kennon lämpötila on määritelty standardien testausolosuhteiden (STC) kolmanneksi koordinaatiksi spektrin ja intensiteetin ohella (25 °C). Kiteisen piin kennojen hyötysuhde laskee tyypillisesti 0,3–0,5 prosenttiyksikköä jokaista lämpötilan nousukelviniä kohden, joten puutteellinen lämpötilansäätö vääristää mittaustuloksia ilman, että se näkyy spektrissä.
• Vertailu- ja testikennon spektrinen herkkyys määrittää yhdessä lähdespektrin kanssa spektrisen epäsuhtakertoimen (katso alla oleva osio). Se ei ole kennotyypin kiinteä ominaisuus, vaan riippuu kerrosrakenteesta, kapseloinnista ja ikääntymistilasta.

Yleisin käytännön väärinkäsitys on lampun sähkötehon rinnastaminen optiseen irradianssiin. Nämä kaksi suuretta eivät ole lineaarisesti sidoksissa toisiinsa: lampun sähkö-optinen hyötysuhde muuttuu käyttöajan, vanhenemisen, suodattimen kunnon ja lämpötilan mukaan, joten nimellisesti vakio sähköteho voi tuottaa ajelehtivan optisen irradianssin. Vastaavasti pelkkä säteilytysaika ei ole merkityksellinen ilman tietoa siitä, mihin irradianssiin se viittaa - "säteilytysaika" ilman siihen liittyvää annosta tai intensiteettiarvoa on teknisesti puutteellinen tieto.

Toinen yleinen virhe on mittaaminen varsinaisen näytetason ulkopuolella. Lampun lähdössä tai testikentän ulkopuolella olevalla kiinteällä vertailuanturilla tehty lukema kuvaa lähdettä, ei testattavan laitteen todellista säteilytystä; optisen matkan pituuden, hajavalon ja varjostumisen erot voivat aiheuttaa useiden prosenttien poikkeamia, jotka eivät näy anturissa.

Kolmanneksi luokituksen näennäistä muodollista täyttymistä yliarvioidaan usein. IEC 60904-9 -luokitus arvioi irradianssin kuudesta kahteentoista laajaan spektrialueeseen; alueen sisällä ei ole määritelty, missä kohtaa väliä vaadittu intensiteetti todellisuudessa sijaitsee. LED-simulaattori voi siksi muodollisesti saavuttaa luokan A tai A+, vaikka sen spektri koostuisi kapeista piikeistä, joita erottavat spektriaukot. Vertailevat arvioinnit osoittavat, että todellisten kaupallisten järjestelmien spektrikattavuus voi olla vain 65-79 prosenttia, vaikka ne saavuttavat samalla korkean muodollisen luokituksen (IEC 60904-9:2020). Kennoille, joilla on laaja, jatkuva spektrinen herkkyys - esimerkiksi ohutkalvo- tai moniliitoskennot - tällainen aukko on teknisesti merkittävämpi kuin kapeasti herkälle vertailukennolle.

Neljänneksi vertailukennomenetelmä, jossa simulaattorin intensiteetti sovitetaan vertailukennon kalibroituun oikosulkuvirtaan, pätee vain rajoittavin edellytyksin: se siirtyy oikein testikennolle vain, jos joko vertailu- ja testikennolla on identtinen spektrinen herkkyys tai simulaattorin spektri vastaa tarkasti vertailuspektriä. Kumpikaan ehto ei koskaan täyty täysin käytännössä; syntyvää systemaattista virhettä kutsutaan spektriseksi epäsuhdaksi (spectral mismatch), ja se on korjattava laskennallisesti, ei kalibroimalla pois (ASTM E948).

Viidenneksi monet ominaisarvot pätevät vain olettaen, että testattava laite ja sen ympäristö ovat lämpö- ja sähköisessä tasapainossa. Pulssitetuilla ksenonsimulaattoreilla, joiden salaman kesto on millisekuntien luokkaa, aika ei usein riitä suuraluemoduulien kapasitiivisten ilmiöiden tai epästabiilien materiaalien, kuten perovskiitin, ohimenevän, valon aiheuttaman käyttäytymisen täydelliseen asettumiseen - mitattu käyrä kuvaa tällöin ohimenevää tilaa, ei vakaata toimintapistettä.

Aurinkokennon spektrinen herkkyys ei ole yleispätevä suure; sen määrittävät kyseisen absorbaattorimateriaalin energiavyöaukko, kerrospaksuus ja optiset häviöt. Kristallinen pii absorboi karkeasti aallonpituusalueella 400–1100 nanometriä; ASTM E927:n ja IEC 60904-9:n alkuperäisten painosten spektrivälit määriteltiin täsmälleen tälle alueelle. Ohutkalvoteknologioilla, kuten CdTe ja CIGS, absorptioreuna on edelleen tämän ikkunan sisällä, mutta ne hyötyvät vuonna 2020 laajennetusta arviointialueesta 300–1200 nanometriä, koska niiden lyhytaaltoinen herkkyys havaitaan siinä paremmin (IEC 60904-9:2020).

Laajennettu aluekaan ei riitä perovskiitti-pii-tandemkennoille ja III-V-moniliitoskennoille: III-V-moniliitoskennoilla absorptiokaista ulottuu jopa 1800 nanometriin. Tandemkennoihin liittyy rakenteellinen erityispiirre: alikennot on kytketty sarjaan, jolloin pienimmän valovirran tuottava alikenno rajoittaa koko kennon virtaa (virran täsmäytysehto). Testilähteen spektripoikkeama ei tällöin vaikuta tasaisena virheenä koko käyrän yli, vaan siirtää sitä, mikä alikenno muodostuu rajoittavaksi - tuloksena on ominaiskäyrä, joka vastaa säteilytystilannetta, jota ei esiinny luonnollisessa auringonvalossa. Tästä syystä tandemkennojen karakterisointi vaatii simulaattorin spektrin spektraalista säätöä, jossa jokainen alikenno viritetään erikseen vastaamaan valovirtaa, jonka se tuottaisi referenssiolosuhteissa (Chojniak et al., 2024).

Spektrinen epäsuhtakerroin M korjaa systemaattisen virheen, joka syntyy, kun simulaattorin spektri, referenssispektri ja referenssi- ja testikennon spektriset herkkyydet poikkeavat toisistaan. Se on määritelty normatiivisesti standardeissa ASTM E948 ja IEC 60904-7:

M = [ ∫ E_ref(λ)·S_ref(λ) dλ / ∫ E_sim(λ)·S_ref(λ) dλ ] × [ ∫ E_sim(λ)·S_t(λ) dλ / ∫ E_ref(λ)·S_t(λ) dλ ]

Tässä E_ref(λ) on spektrinen referenssispektri (tavallisesti AM1.5G), E_sim(λ) on aurinkosimulaattorin todellinen spektri näytetasossa, S_ref(λ) on referenssikennon suhteellinen spektrinen herkkyys ja S_t(λ) on testikennon suhteellinen spektrinen herkkyys. Koska yhtälöön sisältyvät vain suhteelliset spektrimuodot, absoluuttiset kalibrointikertoimet kumoutuvat; ainoastaan käyrän muoto on merkitsevä. Testikennon M-korjattu oikosulkuvirta standardiolosuhteissa (Standard Test Conditions) saadaan jakamalla simulaattorilla mitattu virta luvulla M (ASTM E948).

Sovellettavuus edellyttää, että molemmat, simulaattorin spektri ja molempien kennojen herkkyydet, tunnetaan riittävällä spektraalisella resoluutiolla oleellisella aallonpituusalueella; spektrisen herkkyyden mittausepävarmuudet vaikuttavat suoraan M:n epävarmuuteen. Mallin rajoitukset: kahdelle kennolle, joiden spektrinen herkkyys poikkeaa voimakkaasti ja on erityisen rakenteellinen - esimerkiksi ohutkalvokenno verrattuna kristalliseen referenssikennoon - M voi poiketa huomattavasti arvosta 1 ja on samalla herkempi lähteen pienille spektrisille muutoksille. Systemaattinen epävarmuusanalyysi on osoittanut, että epäsuhtakerroin M:n yhdistetty epävarmuus voidaan johtaa syöttöspektrien epävarmuuksista Monte Carlo -simulaation avulla, ja se riippuu voimakkaasti siitä, miten voimakkaasti yksittäiset epävarmuuskomponentit korreloivat spektraalisesti: M:n laajennettu epävarmuus vaihteli oletetusta korrelaatioasteesta riippuen välillä 0,06–1,26 prosenttia (Maham, Kärhä & Ikonen, 2023). M ei ole kiinteä laitevakio, vaan se on määritettävä uudelleen joka simulaattorin, referenssikennon ja testikennon yhdistelmälle, ja sen epävarmuus on ilmoitettava kalibrointituloksessa.

Oletukset. Kristallista piitä olevaa referenssikennoa, jonka spektrinen herkkyys tunnetaan, käytetään luokan A ksenon-aurinkosimulaattorin intensiteetin asettamiseen. Testattavana on CIGS-ohutkalvokenno, jonka spektrinen herkkyys on piitä korkeampi lyhyen aallonpituuden alueella (400–600 nm) ja matalampi yli 900 nm:n alueella - tämä on ohutkalvoteknologioille tyypillinen kuvio, joka on toistuvasti dokumentoitu kirjallisuudessa.

Malli. M muodostetaan neljästä spektri-integraalista yllä esitetyn määritelmän mukaisesti.

Laskelma (laadullinen, julkaistuihin suuruusluokkiin perustuva). Jos ksenonspektri poikkeaa AM1.5G-referenssispektristä useita prosentteja yli 800 nm:n alueella lampun ominaisten emissioviivojen vuoksi, tämä vaikuttaa CIGS-testikennoon voimakkaammin kuin piireferenssikennoon, koska niiden suhteellinen painotus tällä spektrialueella eroaa toisistaan. Referenssikennojen kalibrointien systemaattiset epävarmuustarkastelut ovat dokumentoineet muutaman prosentin korjauskertoimia, ja spektraalisesti herkät epävarmuuskomponentit ovat vaihdelleet alle prosentista muutamaan prosenttiin spektraalisesti erilaisten kennoparien tapauksessa (Hohl-Ebinger & Warta, 2011).

Tulkinta. Korjaamaton hyötysuhdearvo voi siksi vaikuttaa uskottavalta, vaikka se olisi systemaattisesti liian korkea tai liian matala, eikä tämä näy käyrän muodosta. Luotettavien hyötysuhdelukujen saamiseksi spektraalisesti eritellyn simulaattorimittauksen yhdistäminen tunnettuun kennon herkkyyteen ei siis ole valinnainen lisämittaus, vaan osa varsinaista käyrämittausta.

Kansainvälisesti yhdenmukaistettu aurinkosimulaattoreiden luokitus standardin IEC 60904-9 mukaisesti (Saksassa käyttöön otettu standardina DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9) arvioi kolme tunnusarvoa toisistaan riippumatta, nimettyinä järjestyksessä spektrivastaavuus – tilallinen epätasaisuus – ajallinen epävakaus, esimerkiksi "luokka AAA" tai "luokka A+A+A+":

Lähde: IEC 60904-9:2020.

Vuoden 2020 painos otti lisäksi käyttöön kaksi valinnaista tunnuslukua, joita ei vielä käytetä luokitukseen: spektrikattavuus (SPC) ja spektripoikkeama (SPD). SPC ilmoittaa sen osuuden spektristä välillä 300–1200 nm, jolla simulaattorin irradianssi saavuttaa vähintään 10 prosenttia AM1.5G-vertailuarvosta; SPD laskee yhteen absoluuttiset spektrivirheet koko välillä. Molemmat tunnusluvut otettiin käyttöön, koska puhdas luokkajako – kuten edellisessä osiossa kuvattu – ei erottele luotettavasti LED-simulaattoreita, joiden spektrissä on aukkoja mutta jotka on sijoitettu "sopivasti", niistä simulaattoreista, jotka toisintavat spektrin todella jatkuvana.

Yllä olevan luokkataulukon avulla saadaan sallittu poikkeama, mutta ei sitä, mistä se poikkeaa. Tässä se on: AM1.5G-vertailuspektri jaetaan kuuteen väliin, kokonaisirradianssin osuus on kiinteä joka välille, ja luokka määräytyy kuuden suhteen huonoimman mukaan – ei niiden keskiarvon mukaan. Oikealla olevat sarakkeet muuntavat prosentuaaliset toleranssit absoluuttisiksi osuuksiksi; luokka B (60–140 %) on jätetty pois luettavuuden vuoksi.

Tästä seuraa kolme asiaa, joita luokitus yksinään ei paljasta:

• Yksittäinen väli ratkaisee. Simulaattori, joka on 95 prosentissa viidessä välissä ja 130:ssä kuudennessa, on luokkaa B – ei parempi kuin sellainen, joka on 130:ssä kaikkialla. Luokka on vähimmäisvaatimus, ei arvosana.
• Alle 400 nm:n aallonpituuksilla ei arvioida luokkia A, B eikä C. Näiden kolmen luokan arviointialue alkaa 400 nm:stä. Simulaattori voi olla luokkaa A ja tuottaa selvästi liian vähän tai liikaa UV-alueella – merkityksetöntä piin I-U-mittauksessa, mutta ei merkityksetöntä minkään vanhenemista, kellastumista tai kapseloimista koskevan väittämän kannalta. Ainoastaan A+ arvioidaan 300 nm:stä alkaen.
• Osuudet summautuvat 100 prosenttiin. Liika yhdessä välissä merkitsee väistämättä liian vähää toisessa. LED-simulaattoria ei siis voida parantaa säätämällä yksittäisiä kanavia korkeammalle – luokitus arvioi spektrin muotoa, ei sen korkeutta.

Osuudet standardin IEC 60904-9 mukaan AM1.5G-vertailuspektrille; ratkaisevana pidetään standardin voimassa olevaa painosta.

Luokan A aurinkosimulaattori toistaa aurinkospektrin alueella 400–1100 nm – alueella, jolla piikenno tuottaa virtaa. I-V-mittaukseen tämä on juuri oikea alue. Sen sijaan kysymykseen moduulin kestosta se on väärä aallonpituusalue: kapseloimateriaalin kellastuminen, delaminaatio, takalevyn liituuntuminen ja reunatiivistyksen hajoaminen laukeavat UV-alueella, ja pääosin alle 400 nm:n kohdalla – alueella, jota luokitus A, B tai C ei ollenkaan tarkastele.

Moduulistandardi erottaa nämä kaksi juuri siksi. IEC 61215 edellyttää UV-esikäsittelyä 15 kWh/m² alueella 280–400 nm, josta vähintään 5 kWh/m² alueella 280–320 nm, moduulin lämpötilassa 60 ± 5 °C – ennen kuin moduuli edes siirtyy lämpösyklaus- ja kosteus-pakkasjaksoon. Mikään aurinkosimulaattori ei tuota tätä esikäsittelyä; sen tekee UV-testikammio, jossa on tähän tarkoitukseen rakennetut lamput.

Juuri tähän kohtaan asettuvat Opsytecin säteilytyskammiot:

• BS-04 – suuri UV-testikammio, vaihdettavissa UVA-351-, UVB-313- ja UVC-tilojen välillä. Vaihdettavuus on tässä olennaista: 5 kWh/m²:n annosta UVB-alueella ei saavuteta pelkällä UVA-lampulla.
• BS-05 – UV-testikammio vanhenemis- ja fotostabiilisuustestaukseen, jossa on korkea tasaisuus näytealueella. Koska annos kertyy viikkojen kuluessa, mikä tahansa epätasaisuus siirtyy suoraan tulokseen: 10 prosentin poikkeama alueella tarkoittaa lopulta 10 prosentin eroa annoksessa, ei kohinaa, joka tasoittuu keskiarvoon.

Molemmat toimivat annosvalvotusti UV-MAT:n avulla – testi päättyy, kun kWh/m²:na mitattu annos on saavutettu, ei määrätyn päivämäärän jälkeen. Tämä on ero testin, joka osoittaa vaaditun arvon, ja testin, joka arvioi sen, välillä: lamput vanhenevat, ja kuuden viikon ajan vakioksi oletettu irradianssi ei sitä ole.

Kennojen ja moduulien valmistus. Teollisessa tuotannossa salamatestauslaitteet lajittelevat moduulit tehoiluokkiin simuloidussa säteilytyksessä mitatun suorituskyvyn perusteella. Tässä ratkaisevaa on ennen kaikkea ajallinen stabiilisuus lyhyen salaman keston aikana, sillä läpimenokyky ja toistettavuus riippuvat suoraan salaman toistettavuudesta.

Tutkimus ja kehitys. Yliopistojen ja laitosten laboratoriot – esimerkiksi uusien absorbaattorimateriaalien kehittämisessä – tarvitsevat spektraalisesti joustavia simulaattoreita, joita käytetään usein jatkuvatoimisesti, koska uudet kennokonseptit, kuten perovskiitti-piitandemit, on karakterisoitava määritellyssä tasapainotilan valossa metastabiilien vaikutusten havaitsemiseksi. Kriittinen prosessiparametri on spektrinen säädettävyys kyseiseen alikennoon.

Akkreditoidut kalibrointi- ja sertifiointilaboratoriot. Valmistajasta riippumaton hyötysuhteen todentaminen edellyttää jäljitettäviä referenssikennoja ja dokumentoitua, spektraalisesti resolvoitua simulaattorin lähteen karakterisointia. Kriittinen prosessiparametri on spektrisen epäsuhtakertoimen mittausepävarmuus, joka on ilmoitettava kalibrointitodistuksessa.

Avaruusaurinkosähkö. Satelliitti- ja avaruusalusten kennoissa vertailukohtana ei ole AM1.5G vaan ilmakehän ulkopuolinen AM0-spektri, jonka irradianssi on noin 1367 W/m² ja jonka lyhytaaltoinen osuus on voimakkaampi kuin AM1.5G:ssä, koska maapallon ilmakehä ei enää suodata spektriä. Ratkaisevaa tässä on spektrinen vastaavuus UV- ja sinisellä alueella.

Keskittävä aurinkosähkö (CPV). Järjestelmät, jotka optisesti keskittävät auringonvalon, vaativat simulaattoreita, joiden irradianssi on korkea, muutamasta sadasta useisiin tuhansiin "aurinkoihin". Kriittinen prosessiparametri on voimakkaasti fokusoidun valopisteen tasaisuus, sillä epähomogeenisuudet suurella keskittymisasteella johtavat suhteettoman suuriin paikallisiin lämpö- ja sähköisiin vaikutuksiin.

Materiaalin vanheneminen ja kapseloitu. Sähköisen suorituskyvyn testauksen rinnalla on kapselointikalvojen, liimojen, takalevymateriaalien ja heijastuksenestopinnoitteiden kiihdytetty vanhenemistestaus UV-säteilytyksessä. Tässä ratkaisevaa ei ole sähköinen tuotto vaan fotokemiallinen vaikutus – katso syvällisempi tausta kohdasta UV-vanheneminen, värinkestävyys ja fotostabiilisuus.

Tandem- ja moniliitosaurinkokennot vaativat monilähdesimulaattoreita, joissa on tyypillisesti useita kymmeniä itsenäisesti ohjattavia spektrikanavia. Fraunhofer-instituutissa ISE:ssä (Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems) rakennettu järjestelmä perovskiitti-piitandemmoduuleille yhdistää 28 spektrisesti säädettävää valokanavaa 40 valonlähteen kesken, yhteensä 18 400 LEDiä, aallonpituusalueella 320–1650 nanometriä, ja mahdollistaa lisäksi eri vuorokaudenaikojen ja sijaintien spektrien simuloinnin (Fraunhofer ISE, 2023).

Bifacial-moduulit vaativat etu- ja takapuolen hallitun säteilytyksen, koska kentällä saatava lisätuotto takapuolelta riippuu diffuusista ja heijastuneesta säteilystä. Tekninen spesifikaatio IEC TS 60904-1-2 kuvaa menetelmät bifacial-kennojen ja -moduulien ominaiskäyrien mittaamiseksi sekä luonnollisessa että simuloidussa säteilytyksessä.

Epästabiilit materiaalit (perovskiitti). Piituotannosta tutut perinteiset flash-simulaattorit eivät sovellu suoraan perovskiittipohjaisiin kennoihin, sillä lyhyt flash-kesto ei riitä kuvaamaan tämän materiaaliluokan valon aiheuttamaa, metastabiilia käyttäytymistä. Tarvitaan karakterisointi jatkuvassa valaistuksessa stabiloidulla tehomittauksella määritellyn ajanjakson yli - kansainvälisen tutkimuskonsortion sopima menettely suosittelee muun muassa valaistusvoimakkuuksia 800–1000 W/m² ja lähteen spektriominaisuuksien dokumentointia (Khenkin et al., 2020).

Keskitetty säteilytys. CPV-järjestelmiin käytetään jatkuvatoimisia ksenonsimulaattoreita homogenisoivalla sauvalla ja kollimaatio-optiikalla, tai pulssitettuja korkeavuo-järjestelmiä, jotka tuottavat lyhyesti useita satoja aurinkoja ylikuumentamatta testattavaa laitetta.

Aurinkosimulaattorin karakterisoinnin lähtökohtana on kysymys siitä, mikä mittasuure on kyseiselle sovellukselle todella merkityksellinen - ei se, mikä mittalaite sattuu olemaan käytettävissä. Puhtaaseen intensiteetin valvontaan päivittäisessä tuotannossa riittää usein laajakaistainen radiometrinen mittaus kalibroidulla pii- tai termopilianturilla näytetasossa, edellyttäen että lähteen spektri on tunnettu ja vakaa. Kun aurinkosimulaattori otetaan uutena käyttöön, kalibroidaan uudelleen lampunvaihdon jälkeen tai käytetään sertifiointiin, tarvitaan spektraalisesti erotteleva mittaus, sillä vain se mahdollistaa luokittelun standardin IEC 60904-9 mukaan ja spektrisen epäsuhtakertoimen määrittämisen.

Tilaresoluutiota vaativat mittaukset tulevat tarpeen, kun testattava alue on suuri suhteessa lähteen tasaisuusvyöhykkeeseen - esimerkiksi kokonaisten moduulien kohdalla yksittäisten kennojen sijaan; standardi vaatii ristikkomittauksen vähintään määrätyssä lukumäärässä ennalta määriteltyjä pisteitä. Aikaerotteiset mittaukset ovat välttämättömiä pulssitetuille lähteille tai lähteille, jotka riippuvat lämpöylösajosta, sillä intensiteetti ja joskus myös spektri voivat muuttua mittausikkunan aikana.

Automatisoiduilla tuotantolinjoilla aurinkosimulaattori on tavallisesti osa inline-flash-testeriä, joka testaa jokaisen moduulin lyhyellä valopulssilla laminoinnin jälkeen ja lajittelee sen automaattisesti tehoLuokkiin mitatun käyrän perusteella. Teknisesti tärkeämpää kuin verkkoyhteydellisyys itsessään on tarve valvoa lähteen spektristä ja intensiteettiin liittyvää stabiiliutta tuhansien testijaksojen aikana: lampun vanheneminen, optisten elementtien likaantuminen ja lämpöajautuma muuttavat vähitellen efektiivistä irradianssia, vaikka tämä ei näy laitteiston ulkoisessa olemuksessa.

Tuotanto-orientoituneet valvontakonseptit yhdistävät siksi täydellisen spektrisen referenssimittauksen pidemmin väliajoin jatkuvaan, laajakaistaiseen kontrollimittaukseen kiinteällä aallonpituusalueella täysien kalibrointijaksojen välillä. Tämä mahdollistaa asteittaisen spektrisiirtymän havaitsemisen ajoissa, tarvitsematta suorittaa täydellistä, aikaa vievää spektrimittausta joka yksittäisellä testijaksolla. Tällaisten kontrollimittausten integroiminen laitoksen ohjausjärjestelmään mahdollistaa poikkeamien automaattisen havaitsemisen tallennetusta referenssispektristä ennen kuin ne näkyvät virheellisesti luokiteltuina moduuleina.

Jokaisen näiden mittausten kohdalla mittausepävarmuus on otettava eksplisiittisesti huomioon: siihen sisältyvät anturin kalibrointiepävarmuus, anturin oma spektrinen epäsuhta referenssispektriin nähden ja - johdettujen hyötysuhdearvojen kohdalla - epäsuhtakertoimen epävarmuus. Käytettyjen mittalaitteiden metrologinen jäljitettävyys kansallisiin tai kansainvälisiin standardeihin on edellytys sille, että eri laboratoriot voivat ylipäätään raportoida vertailukelpoisia arvoja.

Seuraava julkaisu kehittää menetelmän LED-pohjaisten monilähdesimulaattorien spektrin tarkkaan säätämiseen erityisesti tandem-aurinkokennoja varten, ja on siksi suoraan relevantti perovskiitti-piimoduulien mittaustekniikan kannalta:

"A precise method for the spectral adjustment of LED and multi-light source solar simulators", Chojniak, D., Schachtner, M., Reichmuth, S. K., Bett, A. J., Rauer, M., Hohl-Ebinger, J., Schmid, A., Siefer, G., Glunz, S. W., Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 32(6), 372-389, 2024, DOI: 10.1002/pip.3776.

Tämä työ tutkii systemaattisesti, miten spektrisen epäsuhtakertoimen epävarmuus voidaan laskea siihen liittyvien spektrien epävarmuuksista Monte Carlo -menetelmillä, tarjoten kvantitatiivisen perustan kalibroinnin epävarmuusbudjeteille:

"Spectral Mismatch Uncertainty Estimation in Solar Cell Calibration Using Monte Carlo Simulation", Maham, K., Kärhä, P., Ikonen, E., IEEE Journal of Photovoltaics, 13(6), 899-904, 2023, DOI: 10.1109/JPHOTOV.2023.3311890.

Seuraava usein lainattu perustyö oli ensimmäinen systemaattinen käsittely spektrisen epäsuhtakertoimen epävarmuudesta vakio-olosuhteissa (Standard Test Conditions) ja on edelleen menetelmällinen viitejulkaisu kalibrointilaboratorioille:

"Uncertainty of the spectral mismatch correction factor in STC measurements on photovoltaic devices", Hohl-Ebinger, J., Warta, W., Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 19(5), 573-579, 2011, DOI: 10.1002/pip.1059.

Tämä kansainvälisesti sovittu kannanotto määrittelee perovskiittiaurinkokennojen stabiilisuustestauksen mittaus- ja raportointiprotokollat, ja tukee muun muassa tarvetta jatkuvalle, spektrisesti dokumentoidulle valaistukselle lyhyiden salamamittausten sijaan:

"Consensus statement for stability assessment and reporting for perovskite photovoltaics based on ISOS procedures", Khenkin, M. V., Katz, E. A., Abate, A. et al., Nature Energy, 5(1), 35-49, 2020, DOI: 10.1038/s41560-019-0529-5.

Aurinkosähkö näkyy myös useissa muodoissa omissa asiakasjulkaisuissamme - moduulien kapseloinnin UV-vanhenemisesta kennokerrosten UV-käsittelyyn aina aurinkopaneelien testaamiseen avaruuskäyttöä varten.

Vertailee neljää aurinkosähkömoduulien kapselointimateriaalia UV-säteilytyksessä Atacaman aavikolla - yhdellä maailman UV-intensiivisimmistä testikentistä moduulien vanhenemisen tutkimiseen.
Comparing the effects of ultraviolet radiation on four different encapsulants for photovoltaic applications in the Atacama Desert
Correa-Puerta, Jonathan, et al. "Comparing the effects of ultraviolet radiation on four different encapsulants for photovoltaic applications in the Atacama Desert." Solar Energy 228 (2021): 625-635.

Tutkii, miten UV:n aiheuttama heikkeneminen kehittyy piiheteroliitoskennojen passivoiduissa kontakteissa - yksi tämän sivun nimeämistä kennoteknologioista, jotka mainitaan erikseen spektraalisesti erillisenä luokkana.
Passivating Contacts-Related Ultraviolet-Induced Degradation in Silicon Heterojunction Solar Cells
Xu, Binbin, et al. "Passivating Contacts-Related Ultraviolet-Induced Degradation in Silicon Heterojunction Solar Cells." Small Structures 7.6 (2026).

Käyttää tarkoituksellisesti UV-LED-säteilytystä perovskiittiaurinkokennojen kerroskohtaiseen hehkutukseen ja määrittää tarvittavan kiteytymisenergian - esimerkki UV-säteilystä valmistustyökaluna, ei pelkästään testimenetelmänä.
Rapid Layer-Specific Annealing Enabled by Ultraviolet LED with Estimation of Crystallization Energy for High-Performance Perovskite Solar Cells
Ouyang, Zhongliang, et al. "Rapid Layer-Specific Annealing Enabled by Ultraviolet LED with Estimation of Crystallization Energy for High-Performance Perovskite Solar Cells." Advanced Energy Materials 10.4 (2020): 1902898.

Kehittää erityisen suuritehoisen säteilytysjärjestelmän orgaanisten aurinkokennojen tarkasti hallitulle, nopeutetulle valohajoamiselle - menetelmällisesti sukua tällä sivulla kuvatuille konsentraattoriaurinkosähkön suuritehoisille aurinkosimulaattoreille.
Development of a High Irradiance Setup for Precisely Controlled Accelerated Photo-Degradation of Organic Solar Cells
Burlafinger, Klaus. Development of a High Irradiance Setup for Precisely Controlled Accelerated Photo-Degradation of Organic Solar Cells. Diss. Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), 2020.

Testaa ESA:n BepiColombo-mission aurinkopaneelimateriaaleja suurella intensiteetillä ja korkeassa lämpötilassa - käytännön esimerkki avaruusaurinkosähköstä, sellaisena kuin se kuvataan tämän sivun sovellusaloja käsittelevässä osiossa.
High-intensity high-temperature testing of materials for the Bepi Colombo MPO and MTM solar arrays
Tighe, Adrian, et al. "High-intensity high-temperature testing of materials for the Bepi Colombo MPO and MTM solar arrays." CEAS Space Journal 13 (2021): 475-492.

Lisää aiheeseen liittyvää työtä on koottu kohtaan asiakkaiden julkaisut aiheen mukaan järjestettynä.

Julkaisuhaku listaa kaikki tuntemamme aurinkosähköön liittyvät julkaisut - haettavissa laitteen, alan ja avainsanan mukaan.

• IEC 60904-9:2020, Photovoltaic devices - Part 9: Solar simulator performance requirements (kansallinen: DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9); lisäksi IEC TS 60904-1-2:2024 (kaksipuoliset moduulit) ja ASTM E927-19 / ASTM G173-03.
• International Energy Agency (IEA): Global Energy Review 2026 - Technology: Solar PV and wind, 2026. https://www.iea.org/reports/global-energy-review-2026/technology-solar-pv-and-wind
• Khenkin, M. V.; Katz, E. A.; Abate, A. et al.: Consensus statement for stability assessment and reporting for perovskite photovoltaics based on ISOS procedures, Nature Energy 5(1), 35-49, 2020. https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5
• Chojniak, D.; Schachtner, M.; Reichmuth, S. K. et al.: A precise method for the spectral adjustment of LED and multi-light source solar simulators, Progress in Photovoltaics 32(6), 372-389, 2024. https://doi.org/10.1002/pip.3776
• Hohl-Ebinger, J.; Warta, W.: Uncertainty of the spectral mismatch correction factor in STC measurements on photovoltaic devices, Progress in Photovoltaics 19(5), 573-579, 2011. https://doi.org/10.1002/pip.1059
• Maham, K.; Kärhä, P.; Ikonen, E.: Spectral Mismatch Uncertainty Estimation in Solar Cell Calibration Using Monte Carlo Simulation, IEEE Journal of Photovoltaics 13(6), 899-904, 2023. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2023.3311890

Miten aurinkosimulaattori toimii aurinkosähkötekniikassa?
Aurinkosimulaattori toistaa auringonvalon spektrisen irradianssin määritellyissä vertailuolosuhteissa (yleensä AM1.5G, 1000 W/m², kennon lämpötila 25 °C). Valonlähdettä säädetään optiikan, suodattimien tai - LED-järjestelmissä - elektronisen kanavaohjauksen avulla niin, että spektri, tilallinen jakauma ja irradianssin aikakäyttäytyminen pysyvät standardin asettamissa rajoissa.

Mikä aallonpituusalue tai spektri sopii aurinkosähkötestaukseen?
AM1.5G on standardi maanpäällisiin sovelluksiin, AM0 avaruussovelluksiin. Oleellinen aallonpituusalue riippuu kennotyypistä: 400–1100 nm klassiselle piille, 300–1200 nm ohutkalvo- ja moderneille pii-kennoille, jopa 1800 nm III-V-monoliittisille moniliitoskennoille.

Millainen irradianssi vaaditaan Standard Test Conditions -olosuhteissa?
Standard Test Conditions (STC) määrittää irradianssiksi 1000 W/m² AM1.5G kennon lämpötilassa 25 °C. Näiden kolmen suureen - spektri, intensiteetti, lämpötila - on täytyttävä yhdessä; jos yksikin näistä kolmesta puuttuu, mittaustulos ei ole vertailukelpoinen muiden mittausten kanssa.

Mikä on luokan AAA ja luokan A+A+A+ ero?
Molemmat merkitsevät korkeinta tai laajennettua luokitusta standardin IEC 60904-9 mukaan. Luokka AAA täyttää luokan A vaatimukset kaikissa kolmessa kriteerissä (spektri, tasaisuus, stabiilisuus). Luokka A+ otettiin käyttöön 2020, se vaatii kaksi kertaa tiukemmat toleranssit kuin luokka A, ja se on osoitettava laajennetulla spektrialueella 300–1200 nm.

Miksi aurinkosimulaattori tuottaa virheellisiä mittausarvoja, vaikka lampun nimellisteho on riittävä?
Lampun sähköinen teho ja optinen irradianssi näytetasossa eivät ole lineaarisesti kytköksissä toisiinsa; vanheneminen, suodattimen kunto ja lämpötila muuttavat elektro-optista hyötysuhdetta. Lisäksi voi syntyä spektrinen epäsuhtavirhe (spectral mismatch error), kun lähteen spektri ja kennon vasteherkkyys poikkeavat vertailutapauksesta - tämä virhe on riippumaton intensiteetistä ja se on korjattava laskennallisesti. Yleinen johdanto - sähköisestä tehosta elektro-optisen hyötysuhteen kautta mitattavaan suureeseen vaikutuskohdassa - on esitetty kohdassa radiometriset suureet.

Miten aurinkosimulaattorin spektrinen irradianssi mitataan?
Spektrinen karakterisointi tehdään kalibroidulla spektroradiometrillä näytetasossa, täydennettynä ristikkomittauksella koko testausalueella tilallisen tasaisuuden määrittämiseksi ja, pulssimaisten lähteiden tapauksessa, aikaerotteisella mittauksella salaman keston aikana.

Mikä simulaattoriteknologia sopii tandem-aurinkokennoille?
Perovskiitti-pii-tandem- ja moniliitoskennot vaativat monilähteisiä LED-simulaattoreita, joissa on itsenäisesti ohjattavat spektrikanavat, koska jokainen osakenno on säädettävä yksitellen sen vertailuvalovirtaan. Klassiset yksi- tai kaksilamppuiset ksenonjärjestelmät eivät yleensä täytä tätä vaatimusta.

Miksi flash-testerin yksittäinen mittaus ei riitä perovskiittikennoille?
Perovskiittimateriaalit osoittavat metastabiilia, valon aiheuttamaa käyttäytymistä, joka vakautuu vasta useiden sekuntien tai minuuttien jatkuvan valotuksen jälkeen. Millisekuntiluokan salama tallentaa vain ohimenevän tilan; sovitut testiprotokollat vaativatkin aikaerotteista tehomittausta vakaassa valossa.

Auringonvalon hallittua toistoa tarvitaan useilla aloilla: valon ja näyttöjen mittaus jakaa spektroradiometrian ja kalibrointiketjun, elektroniikka- ja puolijohdevalmistus tuottaa prosessit, joista kennot ovat peräisin, ja fotokatalyyttinen vedyntuotanto käyttää samoja AM1.5-olosuhteita, jotta hyötysuhteet olisivat vertailukelpoisia. Kokonaiskuva löytyy UV-sovellusten yleiskatsauksesta.

Nimellinen luokkamerkintä kertoo vähän siitä, miten vakaa ja spektrisesti tasainen aurinkosimulaattori todellisuudessa on jatkuvassa käytössä. Jos tarvitaan luotettavia hyötysuhdelukuja kennoille, moduuleille tai uusille materiaaliluokille, spektrisesti erotettua karakterisointia näytetasolla ei voida välttää - eikä siihen käytettävän mittalaitteiston jäljitettävää kalibrointia. Aurinkosimulaattoreiden ja globaali-irradianssin spektriseen karakterisointiin on saatavilla SR900; kiinteän aallonpituusalueen jatkuvaan seurantaan täydellisten kalibrointijaksojen välillä RMD Pro; ja kapseloimateriaalien hallitun UV-altistustestauksen suorittamiseen säteilytyskammiot annosvalvotulla käytöllä UV-MAT:n avulla. Ottakaa yhteyttä testaustarpeenne osalta.