Simulateurs solaires en photovoltaïque : principes fondamentaux et technique de mesure

Une cellule solaire n'est pas un luxmètre universel mais un convertisseur spectralement sélectif : elle ne répond pas à la question de savoir combien de rayonnement l'atteint, mais quel rayonnement. Un simulateur solaire doit donc produire davantage qu'un éclairement énergétique total de 1000 W/m² - il doit reproduire une distribution spectrale suffisamment proche du spectre de référence normalisé AM1.5G. Le défi central réside dans le fait que des écarts apparaissent selon trois dimensions indépendantes - la concordance spectrale, l'uniformité spatiale et la stabilité temporelle - qui ne se compensent pas entre elles. Seule la classification normalisée de ces trois grandeurs selon la norme IEC 60904-9 permet de rendre comparables les mesures de rendement sur les cellules et modules solaires entre laboratoires, fabricants et organismes de certification.

Le photovoltaïque est devenu pour la première fois en 2025 la technologie de production d'électricité installée la plus importante au monde : les ajouts mondiaux ont dépassé pour la première fois 600 gigawatts, la capacité cumulée a atteint environ 2 800 gigawatts, et l'énergie solaire a représenté plus des trois quarts de la nouvelle capacité mondiale de production d'électricité renouvelable, selon le Global Energy Review 2026 de l'Agence internationale de l'énergie (AIE, 2026). Pour la technologie d'essai et de mesure, ce qui compte n'est pas le volume mais la diversification technologique sous-jacente : outre le silicium cristallin, les cellules à hétérojonction, les systèmes en couches minces à base de CdTe et de CIGS, ainsi que les cellules tandem pérovskite-silicium s'imposent progressivement, avec une part croissante de modules bifaciaux.

La conséquence technique suit un enchaînement clair : la diversité croissante des modules et l'augmentation des rendements des cellules accroissent la sensibilité des résultats d'essai aux écarts spectriques de la source d'essai. Chaque classe de matériaux supplémentaire - couches minces, bifacial, tandem - apporte sa propre courbe de réponse spectrique, ce qui réduit d'autant la marge d'erreur qu'un simulateur solaire peut se permettre par rapport aux cellules en silicium monocristallin plus simples des années 1980, pour lesquelles les normes d'origine avaient été conçues.

Cinq évolutions modifient la tâche de mesure dans la simulation solaire :

• Transition des lampes à décharge gazeuse vers la technologie LED. Les simulateurs à LED remplacent de plus en plus les systèmes au xénon et aux halogénures métalliques, car ils offrent une durée de vie plus longue, une maintenance réduite et une mise en forme spectrique réglable électriquement plutôt qu'optiquement. Il en résulte un déplacement de l'accent des essais, de l'optique de filtrage vers la commande électronique des canaux et l'étalonnage spectrique logiciel des différents groupes de LED.
• Introduction de la classe A+ et de mesures spectriques optionnelles. La norme IEC 60904-9:2020 a doublé la rigueur d'évaluation et introduit SPC/SPD, un instrument qui s'oppose spécifiquement à la satisfaction purement formelle de la classification par intervalles obtenue avec des spectres LED présentant des lacunes. Cela entraîne un effort de documentation croissant pour les fabricants d'équipements, qui devront de plus en plus indiquer de manière transparente non seulement une désignation de classe, mais aussi les valeurs de couverture et d'écart.
• Systèmes multi-sources pour les technologies tandem. Avec l'entrée sur le marché des modules tandem pérovskite-silicium, apparaissent des simulateurs comportant plusieurs dizaines de canaux spectriques commandables indépendamment et des plages de longueurs d'onde étendues au-delà de 1 600 nanomètres. Il en résulte un couplage plus étroit entre l'étalonnage du simulateur et la caractérisation des cellules, car le réglage spectrique doit être déterminé individuellement pour chaque sous-cellule.
• Procédures d'essai bifaciales. La spécification technique IEC TS 60904-1-2 formalise les procédures de mesure des modules bifaciaux sous irradiation simulée et naturelle. Cela entraîne un besoin supplémentaire de capteurs pour l'irradiation de la face arrière et une demande croissante de bancs d'essai capables d'éclairer de manière contrôlée les deux faces du module simultanément.
• Protocoles de puissance stabilisée pour les matériaux instables. Pour la pérovskite et d'autres technologies de cellules métastables, des protocoles d'essai consensuels avec éclairage continu et stabilisation de puissance résolue dans le temps s'imposent progressivement. La conséquence est un passage de l'instantané pur de la mesure flash classique à une courbe de puissance documentée sur des minutes voire des heures.

Les tailles de marché, taux de croissance et sources relatifs à ce domaine d'application sont résumés sur la page Évolution du marché de la technologie UV.

Un simulateur solaire produit une lumière artificielle qui reproduit l'éclairement énergétique spectrique de la lumière solaire naturelle dans des conditions atmosphériques définies. La grandeur de référence est le spectre AM1.5G (Air Mass 1.5, Global), un spectre obtenu par calcul à partir d'un modèle atmosphérique représentant les latitudes d'Europe centrale à Amérique du Nord pour un angle zénithal solaire de 48,2° et normalisé à un éclairement énergétique intégré de 1 000,4 W/m² (ASTM G173-03). Une source lumineuse - généralement une lampe à décharge gazeuse ou une combinaison de nombreuses LED - est mise en forme par des optiques, des filtres et une électronique de commande, de sorte que l'intensité, le spectre et l'uniformité dans le plan de l'échantillon se rapprochent le plus possible de ce spectre de référence.

Sur le plan physique, ce qui compte n'est pas que la cellule solaire intègre elle-même l'éclairement énergétique, mais le produit de l'éclairement énergétique spectrique et de la réponse spectrale de la cellule, dépendante de la longueur d'onde. Deux sources lumineuses ayant un éclairement énergétique total identique mais des spectres différents produisent des photocourants différents sur une même cellule. Un simulateur solaire n'est donc pas étalonné à la sortie de la lampe, mais dans le plan de l'échantillon, à l'aide d'une cellule solaire de référence étalonnée de manière traçable ou d'un spectroradiomètre.

Les lampes à décharge gazeuse ont historiquement dominé, car lorsque la première norme pertinente ASTM E927 (1979) a été rédigée, elles étaient les seules sources disponibles avec un spectre à large bande suffisamment proche de celui du soleil (ASTM E927-19). Depuis environ deux décennies, les systèmes à base de LED s'imposent de plus en plus et supplantent désormais la technologie xénon traditionnelle dans les lignes de production et les laboratoires.

En raison de leurs caractéristiques natives à large bande, les lampes au xénon restent largement utilisées dans la production de modules grande surface, mais elles nécessitent un réajustement régulier par filtrage spectral, car leurs raies d'émission, en particulier au-delà de 800 nm, dégradent la classification (IEC 60904-9:2020). Lors de mesures comparatives des courbes courant-tension de modules PV, les systèmes LED ont démontré des performances au moins équivalentes, et parfois supérieures en termes de stabilité et de flexibilité spectrale, à celles des sources au xénon (Chojniak et al., 2024).

Un simulateur solaire ne se juge pas sur une seule grandeur, mais sur plusieurs grandeurs physiques mutuellement indépendantes :

• La correspondance spectrale décrit dans quelle mesure l'éclairement énergétique du simulateur, dans des intervalles de longueur d'onde définis, concorde avec le spectre de référence AM1.5G. Elle est déterminante car le photocourant mesuré d'une cellule dépend de l'intégrale de recouvrement entre le spectre de la source et la réponse spectrale de la cellule, et non de la puissance totale de la source.
• La non-uniformité spatiale quantifie la variation de l'éclairement énergétique sur la surface d'essai. Elle affecte principalement les grands modules et les chaînes de cellules montées en série, car la sous-zone la moins éclairée peut limiter le courant total.
• L'instabilité temporelle saisit les variations de l'éclairement énergétique pendant la mesure. Elle est particulièrement critique pour les simulateurs pulsés, car le spectre et l'intensité de la lampe évoluent continuellement pendant la montée et la décroissance du tube flash.
• L'éclairement énergétique total doit être réglé sur la valeur de référence de 1000 W/m², car la courbe caractéristique d'une cellule solaire dépend de manière non linéaire de l'éclairement énergétique ; un écart n'affecte pas tous les paramètres de la courbe de façon proportionnelle.
• La température de la cellule constitue la troisième coordonnée des conditions d'essai normalisées (STC), aux côtés du spectre et de l'intensité (25 °C). Le rendement des cellules en silicium cristallin diminue typiquement de 0,3 à 0,5 point de pourcentage par kelvin d'élévation de température ; un contrôle de température insuffisant fausse ainsi les résultats de mesure sans que cela soit visible dans le spectre.
• La réponse spectrale de la cellule de référence et de la cellule testée, combinée au spectre de la source, détermine le facteur d'inadéquation spectrale (voir la section ci-dessous). Il ne s'agit pas d'une propriété fixe d'un type de cellule, mais d'une caractéristique qui dépend de la structure des couches, de l'encapsulation et de l'état de vieillissement.

Dans la pratique, la confusion la plus fréquente consiste à assimiler la puissance électrique de la lampe à l'éclairement énergétique optique. Ces deux grandeurs ne sont pas couplées de façon linéaire : l'efficacité électro-optique d'une lampe évolue avec la durée de fonctionnement, le vieillissement, l'état des filtres et la température, si bien qu'une puissance électrique nominalement constante peut produire un éclairement énergétique optique qui dérive. De même, une durée d'exposition prise isolément n'a pas de sens tant qu'il n'est pas clair à quel éclairement énergétique elle se rapporte - une « durée d'exposition » sans indication de dose ou d'intensité associée est techniquement incomplète.

Une deuxième erreur fréquente consiste à mesurer hors du plan réel de l'échantillon. Une mesure prise à la sortie de la lampe ou avec un capteur de référence fixe situé hors du champ d'essai décrit la source, et non l'irradiation réelle du dispositif sous test ; des différences de longueur de trajet optique, de lumière parasite et de vignettage peuvent entraîner des écarts de plusieurs pour cent qui ne sont pas visibles au niveau du capteur.

Troisièmement, l'apparente conformité formelle à une classification est souvent surestimée. La classification IEC 60904-9 évalue l'éclairement énergétique dans six à douze larges intervalles spectraux ; à l'intérieur d'un intervalle, rien ne précise où se situe réellement l'intensité requise dans cet intervalle. Un simulateur à LED peut donc formellement atteindre la classe A ou A+ alors même que son spectre se compose de pics étroits séparés par des lacunes spectrales. Des évaluations comparatives montrent que des systèmes commerciaux réels présentent une couverture spectrale de seulement 65 à 79 pour cent tout en obtenant simultanément une classe formelle élevée (IEC 60904-9:2020). Pour des cellules à réponse spectrale large et continue - les cellules en couche mince ou multijonctions, par exemple - une telle lacune est techniquement plus pertinente que pour une cellule de référence à sensibilité spectrale étroite.

Quatrièmement, la méthode de la cellule de référence, dans laquelle l'intensité du simulateur est ajustée sur le courant de court-circuit étalonné d'une cellule de référence, n'est valable que sous des conditions restrictives : elle ne se transpose correctement à la cellule sous test que si, soit la cellule de référence et la cellule sous test ont une réponse spectrale identique, soit le spectre du simulateur correspond exactement au spectre de référence. Aucune de ces deux conditions n'est jamais pleinement satisfaite en pratique ; l'erreur systématique qui en résulte est appelée désadaptation spectrale et doit être corrigée par le calcul, et non éliminée par étalonnage (ASTM E948).

Cinquièmement, de nombreuses valeurs caractéristiques ne sont valables que sous l'hypothèse que le dispositif sous test et son environnement se trouvent en équilibre thermique et électrique. Pour les simulateurs au xénon pulsé avec des durées de flash de l'ordre de la milliseconde, le temps ne suffit souvent pas pour que les effets capacitifs dans les modules de grande surface, ou le comportement transitoire induit par la lumière de matériaux instables tels que la pérovskite, se stabilisent complètement - la courbe mesurée décrit alors un état transitoire, et non un point de fonctionnement stable.

La réponse spectrique d'une cellule solaire n'est pas une grandeur universelle ; elle est déterminée par la largeur de bande interdite, l'épaisseur de couche et les pertes optiques du matériau absorbeur respectif. Le silicium cristallin absorbe environ entre 400 et 1100 nanomètres ; les intervalles spectraux d'origine de l'ASTM E927 et des premières éditions de la CEI 60904-9 étaient définis exactement pour cette plage. Les technologies en couches minces telles que le CdTe et le CIGS ont leur front d'absorption encore à l'intérieur de cette fenêtre, mais bénéficient de la plage d'évaluation étendue à 300-1200 nanomètres en 2020, car leur réponse spectrique aux courtes longueurs d'onde y est mieux saisie (CEI 60904-9:2020).

Même la plage étendue ne suffit pas pour les cellules tandem pérovskite-silicium et les cellules multi-jonctions III-V : les cellules multi-jonctions III-V présentent des largeurs de bande d'absorption allant jusqu'à 1800 nanomètres. Les cellules tandem ajoutent une particularité structurelle : les sous-cellules sont connectées en série, de sorte que la sous-cellule ayant le photocourant le plus faible limite le courant total de la cellule (condition d'appariement de courant). Un écart spectral de la source d'essai n'agit pas ici comme une erreur uniforme sur l'ensemble de la courbe, mais déplace la sous-cellule qui devient limitante - le résultat est une courbe caractéristique correspondant à une situation d'irradiation qui ne se produit pas sous la lumière solaire naturelle. Pour cette raison, la caractérisation des cellules tandem nécessite un ajustement spectrique du spectre du simulateur, dans lequel chaque sous-cellule est réglée spécifiquement sur le photocourant qu'elle générerait dans des conditions de référence (Chojniak et al., 2024).

Le facteur de non-adéquation spectrique M corrige l'erreur systématique qui apparaît lorsque le spectre du simulateur, le spectre de référence et les réponses spectrales relatives de la cellule de référence et de la cellule d'essai divergent les uns des autres. Il est défini normativement dans l'ASTM E948 et l'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 ]

Ici, E_ref(λ) est le spectre de référence spectrique (généralement AM1.5G), E_sim(λ) est le spectre réel du simulateur solaire dans le plan de l'échantillon, S_ref(λ) est la réponse spectrale relative de la cellule de référence, et S_t(λ) est la réponse spectrale relative de la cellule d'essai. Comme seules les formes spectrales relatives interviennent dans l'équation, les facteurs d'étalonnage absolus s'annulent ; seule la forme de la courbe importe. Le courant de court-circuit corrigé par M de la cellule d'essai dans les conditions d'essai normalisées est obtenu en divisant le courant mesuré sous le simulateur par M (ASTM E948).

L'applicabilité exige que le spectre du simulateur ainsi que les réponses spectrales des deux cellules soient connus avec une résolution spectrale suffisante sur la plage de longueurs d'onde concernée ; les incertitudes de mesure de la réponse spectrale se répercutent directement sur l'incertitude de M. Limites du modèle : pour deux cellules dont les réponses spectrales sont fortement différentes et particulièrement structurées - par exemple une cellule en couches minces comparée à une cellule de référence cristalline - M peut s'écarter sensiblement de 1 et devient en même temps plus sensible aux faibles variations spectrales de la source. Une analyse systématique des incertitudes a montré que l'incertitude combinée du facteur de non-adéquation peut être déduite des incertitudes des spectres d'entrée au moyen d'une simulation de Monte-Carlo, et dépend fortement du degré de corrélation spectrale des différentes contributions à l'incertitude : l'incertitude élargie de M variait, selon le degré de corrélation supposé, entre 0,06 et 1,26 pour cent (Maham, Kärhä & Ikonen, 2023). M n'est pas une constante fixe de l'instrument mais doit être déterminé à nouveau pour chaque combinaison de simulateur, de cellule de référence et de cellule d'essai, et son incertitude doit être indiquée dans le résultat d'étalonnage.

Hypothèses. Une cellule de référence en silicium cristallin dont la réponse spectrique est connue est utilisée pour régler l'intensité d'un simulateur solaire au xénon de classe A. Une cellule CIGS en couche mince doit être testée ; sa réponse spectrique est supérieure à celle du silicium dans la plage des courtes longueurs d'onde (400–600 nm) et inférieure au-delà de 900 nm - une caractéristique typique des technologies en couche mince et documentée à plusieurs reprises dans la littérature.

Modèle. M est formé à partir des quatre intégrales spectrales selon la définition ci-dessus.

Calcul (qualitatif, basé sur des ordres de grandeur publiés). Si le spectre du xénon s'écarte du spectre de référence AM1.5G de plusieurs pour cent au-delà de 800 nm en raison de raies d'émission natives, cela affecte plus fortement la cellule d'essai CIGS que la cellule de référence en silicium, car leur pondération relative diffère dans cette plage spectrique. Des études systématiques d'incertitude portant sur l'étalonnage de cellules de référence ont documenté des facteurs de correction de quelques pour cent, avec des contributions d'incertitude sensibles au spectre allant de moins de un à quelques pour cent, pour des paires de cellules spectralement dissemblables (Hohl-Ebinger & Warta, 2011).

Interprétation. Une valeur de rendement non corrigée peut donc paraître plausible tout en étant systématiquement trop élevée ou trop faible, sans que cela soit visible dans la forme de la courbe. Pour obtenir des valeurs de rendement fiables, la combinaison d'une mesure spectralement résolue du simulateur avec la réponse connue de la cellule n'est donc pas une mesure supplémentaire facultative, mais fait partie intégrante de la mesure de la courbe elle-même.

La classification harmonisée à l'échelle internationale des simulateurs solaires selon l'IEC 60904-9 (adoptée en Allemagne sous la référence DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9) évalue trois valeurs caractéristiques indépendamment les unes des autres, nommées dans l'ordre concordance spectrale - non-uniformité spatiale - instabilité temporelle, par exemple sous la forme « classe AAA » ou « classe A+A+A+ » :

Source : IEC 60904-9:2020.

L'édition 2020 a en outre introduit deux indicateurs optionnels, non encore utilisés pour la classification : la couverture spectrale (SPC) et l'écart spectral (SPD). Le SPC indique la part du spectre entre 300 et 1200 nm dans laquelle l'éclairement énergétique du simulateur atteint au moins 10 pour cent de la valeur de référence AM1.5G ; le SPD additionne les erreurs spectrales absolues sur l'ensemble de l'intervalle. Ces deux indicateurs ont été introduits parce que la classification par intervalles seule - telle que décrite dans la section précédente - ne permet pas de distinguer de manière fiable les simulateurs à LED présentant un spectre discontinu mais « habilement positionné » de ceux qui reproduisent effectivement le spectre de façon continue.

Le tableau des classes de la section précédente indique l'écart autorisé, mais pas par rapport à quoi. Le voici : le spectre de référence AM1.5G est divisé en six intervalles, la part de l'éclairement énergétique total est fixée pour chacun, et la classe résulte du plus défavorable des six rapports – et non de leur moyenne. Les colonnes de droite convertissent les tolérances en pourcentage en parts absolues ; la classe B (60–140 %) est omise par souci de lisibilité.

Trois éléments en découlent, qu'une classe seule ne révèle pas :

• Un seul intervalle est déterminant. Un simulateur à 95 pour cent dans cinq intervalles et à 130 dans le sixième est de classe B – pas mieux qu'un simulateur à 130 partout. La classe est un minimum, pas une note.
• En dessous de 400 nm, rien n'est évalué pour les classes A, B et C. La plage d'évaluation de ces trois classes commence à 400 nm. Un simulateur peut être de classe A et délivrer beaucoup trop peu ou beaucoup trop dans l'UV – ce qui est sans importance pour une mesure I-V sur silicium, mais pas pour toute affirmation relative au vieillissement, au jaunissement ou à l'encapsulation. Seule la classe A+ évalue à partir de 300 nm.
• Les parts totalisent 100 pour cent. Un excès dans un intervalle implique nécessairement un déficit dans un autre. Un simulateur à LED ne peut donc pas être amélioré en augmentant certains canaux individuellement – la classification évalue la forme du spectre, et non son amplitude.

Parts selon la norme IEC 60904-9 pour le spectre de référence AM1.5G ; c'est l'édition en vigueur de la norme qui fait foi.

Un simulateur solaire de classe A reproduit le spectre solaire entre 400 et 1100 nm – la plage dans laquelle une cellule au silicium génère du courant. Pour une mesure I-V, c'est exactement ce qu'il faut. Pour la question de la durée de vie du module, c'est en revanche la mauvaise plage de longueurs d'onde : le jaunissement de l'encapsulant, la délamination, le farinage de la face arrière et la dégradation du joint de bord sont déclenchés dans l'UV, et majoritairement en dessous de 400 nm – domaine que la classification A, B ou C ne prend absolument pas en compte.

La norme relative aux modules distingue les deux points pour cette raison. La norme IEC 61215 exige un préconditionnement UV de 15 kWh/m² dans la plage de 280 à 400 nm, dont au moins 5 kWh/m² entre 280 et 320 nm, à une température de module de 60 ± 5 °C – avant même que le module n'entre dans la séquence de cycles thermiques et de gel-humidité. Aucun simulateur solaire ne produit ce préconditionnement ; une chambre d'essai UV équipée de lampes conçues à cet effet, si.

C'est précisément là que se positionnent les chambres d'irradiation Opsytec :

• BS-04 – grande chambre d'essai UV, commutable entre UVA-351, UVB-313 et UVC. La commutabilité est ici l'élément clé : les 5 kWh/m² dans l'UVB ne peuvent pas être atteints avec une lampe UVA seule.
• BS-05 – chambre d'essai UV pour le vieillissement et la photostabilité avec une uniformité élevée sur toute la surface d'échantillon. Comme une dose s'accumule sur plusieurs semaines, la moindre non-uniformité se répercute directement sur le résultat : un écart de 10 % sur la surface se traduit par 10 % de différence de dose au final, et non par un bruit qui s'annule en moyenne.

Les deux fonctionnent avec un contrôle de la dose via UV-MAT – l'essai s'arrête lorsqu'une dose exprimée en kWh/m² est atteinte, et non après un nombre de jours donné. C'est la différence entre un essai qui démontre la valeur requise et un essai qui l'estime : les lampes vieillissent, et un éclairement énergétique supposé constant pendant six semaines n'en est pas un.

Fabrication de cellules et de modules. Dans la production industrielle, les testeurs flash classent les modules en classes de puissance en fonction de leurs performances mesurées sous irradiation simulée. Ce qui compte ici, c'est avant tout la stabilité temporelle pendant la courte durée du flash, car le débit et la reproductibilité dépendent directement de la répétabilité du flash.

Recherche et développement. Les laboratoires universitaires et institutionnels - par exemple lors du développement de nouveaux matériaux absorbeurs - ont besoin de simulateurs spectralement flexibles fonctionnant souvent en continu, car les nouveaux concepts de cellules tels que les tandems pérovskite-silicium doivent être caractérisés sous une lumière stationnaire définie afin de saisir les effets métastables. Le paramètre de procédé critique est l'ajustabilité spectrale à la sous-cellule concernée.

Laboratoires d'étalonnage et de certification accrédités. La vérification du rendement indépendante du fabricant nécessite des cellules de référence traçables et une caractérisation documentée et résolue spectralement de la source du simulateur. Le paramètre de procédé critique est l'incertitude de mesure du facteur de désadaptation spectrale (« spectral mismatch »), qui doit être indiquée dans le certificat d'étalonnage.

Photovoltaïque spatial. Pour les cellules destinées aux satellites et aux engins spatiaux, la référence n'est pas AM1.5G mais le spectre extraterrestre AM0, avec un éclairement énergétique d'environ 1367 W/m² et une composante à courtes longueurs d'onde plus forte que celle d'AM1.5G, car l'atmosphère terrestre ne filtre plus le spectre. Ce qui est déterminant ici, c'est la correspondance spectrale dans le domaine UV et bleu.

Photovoltaïque à concentration (CPV). Les systèmes qui concentrent optiquement la lumière du soleil nécessitent des simulateurs à éclairement énergétique élevé, de plusieurs centaines à plusieurs milliers de « soleils ». Le paramètre de procédé critique est l'uniformité de la tache lumineuse fortement focalisée, car les inhomogénéités à forte concentration se traduisent de manière disproportionnée par des effets thermiques et électriques locaux.

Vieillissement des matériaux et encapsulation. À côté des essais de performance électrique, il y a les essais de vieillissement accéléré des films d'encapsulation, des adhésifs, des matériaux de face arrière et des revêtements antireflets sous irradiation UV. Ici, ce n'est pas le rendement électrique qui importe, mais l'effet photochimique - voir les informations plus détaillées sur le vieillissement UV, la solidité des couleurs et la photostabilité pour en savoir plus.

Les cellules solaires tandem et multi-jonctions nécessitent des simulateurs multi-sources dotés typiquement de plusieurs dizaines de canaux spectraux contrôlables indépendamment. Un système construit au Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE pour les modules tandem pérovskite-silicium combine 28 canaux lumineux réglables spectralement répartis sur 40 sources lumineuses avec un total de 18 400 LED couvrant une plage de longueurs d'onde de 320 à 1650 nanomètres, et permet en outre de simuler différents spectres selon l'heure de la journée et le lieu (Fraunhofer ISE, 2023).

Les modules bifaciaux nécessitent une irradiation contrôlée à la fois de la face avant et de la face arrière, car le rendement supplémentaire en face arrière sur le terrain dépend du rayonnement diffus et réfléchi. La spécification technique IEC TS 60904-1-2 décrit des procédures de mesure des courbes caractéristiques des cellules et modules bifaciaux sous rayonnement à la fois naturel et simulé.

Matériaux instables (pérovskite). Les simulateurs à flash classiques issus de la fabrication du silicium ne peuvent guère être utilisés pour les cellules à base de pérovskite, car la courte durée du flash ne suffit pas à saisir le comportement métastable induit par la lumière propre à cette classe de matériaux. Une caractérisation sous éclairage continu avec mesure de puissance stabilisée sur une période définie est nécessaire - une procédure convenue par un consortium de recherche international recommande, entre autres, des intensités lumineuses de 800 à 1000 W/m² avec une caractéristique spectrale documentée de la source (Khenkin et al., 2020).

Irradiation concentrée. Pour les systèmes CPV, on utilise des simulateurs au xénon en continu dotés d'une barre homogénéisatrice et d'une optique de collimation, ou des dispositifs pulsés à flux élevé qui produisent brièvement plusieurs centaines de soleils sans surcharger thermiquement le dispositif sous test.

Le point de départ de toute caractérisation d'un simulateur solaire est la question de savoir quelle grandeur de mesure est réellement pertinente pour l'application donnée - et non quel instrument se trouve être disponible. Pour un simple suivi d'intensité en production courante, une mesure radiométrique à large bande à l'aide d'un capteur au silicium ou à thermopile étalonné dans le plan de l'échantillon suffit souvent, à condition que le spectre de la source soit connu et stable. Dès qu'un simulateur solaire est nouvellement mis en service, requalifié après un changement de lampe, ou utilisé à des fins de certification, une mesure à résolution spectrique devient nécessaire, car elle seule permet la classification selon la norme IEC 60904-9 et la détermination du facteur de désadaptation spectrique.

Les mesures spatiales deviennent nécessaires dès lors que la zone d'essai est grande par rapport à la zone d'uniformité de la source - par exemple pour des modules entiers plutôt que pour des cellules individuelles ; la norme exige une mesure en trame en un nombre minimal de positions définies. Les mesures résolues dans le temps sont indispensables pour les sources pulsées ou les sources dépendant d'une montée en régime thermique, car l'intensité, et parfois le spectre, peuvent évoluer pendant la fenêtre de mesure.

Dans les lignes de production automatisées, le simulateur solaire fait généralement partie d'un testeur flash en ligne qui teste chaque module au moyen d'une brève impulsion lumineuse après la lamination et le classe automatiquement en catégories de puissance en fonction de la courbe mesurée. Sur le plan technique, ce qui compte n'est pas tant la simple connectivité réseau que la nécessité de surveiller la stabilité spectrique et liée à l'intensité de la source sur des milliers de cycles d'essai : le vieillissement des lampes, l'encrassement des éléments optiques et la dérive thermique modifient progressivement l'éclairement énergétique effectif sans que cela soit visible de l'extérieur de l'équipement.

Les concepts de surveillance orientés production combinent donc une mesure spectrique de référence complète à intervalles plus longs avec une mesure de contrôle continue à large bande sur une plage de longueurs d'onde fixe entre les cycles d'étalonnage complets. Cela permet de détecter précocement un décalage spectrique progressif, sans devoir effectuer une mesure spectrique complète et chronophage à chaque cycle d'essai. L'intégration de ces mesures de contrôle dans le système de commande de l'installation permet de détecter automatiquement les écarts par rapport à un spectre de référence enregistré avant qu'ils ne se traduisent par des modules mal classés.

Pour chacune de ces mesures, l'incertitude de mesure doit être prise en compte explicitement : elle comprend l'incertitude d'étalonnage du capteur, la désadaptation spectrique propre du capteur par rapport au spectre de référence et, pour les valeurs de rendement dérivées, l'incertitude du facteur de désadaptation. La traçabilité métrologique des instruments utilisés par rapport à des étalons nationaux ou internationaux est la condition préalable pour que différents laboratoires puissent seulement rapporter des valeurs comparables.

La publication suivante développe une méthode permettant d'ajuster précisément le spectre de simulateurs multi-sources à LED spécifiquement pour les cellules solaires tandem, et présente donc un intérêt direct pour la technique de mesure des modules pérovskite-silicium :

« 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.

Ce travail étudie systématiquement comment l'incertitude du facteur d'inadéquation spectrale peut être calculée à partir des incertitudes des spectres concernés à l'aide de méthodes de Monte-Carlo, fournissant une base quantitative pour les budgets d'incertitude d'étalonnage :

« 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.

Le travail fondateur suivant, fréquemment cité, a été le premier traitement systématique de l'incertitude du facteur d'inadéquation spectrale dans des conditions d'essai normalisées (STC) et demeure aujourd'hui une référence méthodologique pour les laboratoires d'étalonnage :

« 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.

Cette prise de position adoptée au niveau international définit des protocoles de mesure et de compte rendu pour les essais de stabilité des cellules solaires à pérovskite et souligne, entre autres, la nécessité d'un éclairement continu et spectralement documenté plutôt que de mesures par éclairs de courte durée :

« 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.

Le photovoltaïque apparaît également sous plusieurs facettes dans nos propres publications de clients - du vieillissement UV de l'encapsulation des modules, en passant par le traitement UV des couches de cellules, jusqu'aux essais de panneaux solaires pour un usage spatial.

Compare quatre matériaux d'encapsulation pour modules photovoltaïques sous irradiation UV dans le désert d'Atacama - l'un des champs d'essai les plus intenses en UV au monde pour le vieillissement des modules.
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.

Étudie comment la dégradation induite par les UV se développe au niveau des contacts passivés des cellules hétérojonction en silicium - l'une des technologies de cellules que cette page désigne explicitement comme une classe spectralement distincte.
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).

Utilise délibérément l'irradiation par LED UV pour un recuit sélectif par couche des cellules solaires à pérovskite et détermine l'énergie de cristallisation nécessaire - un exemple d'UV en tant qu'outil de fabrication, et non seulement comme méthode d'essai.
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.

Développe un dispositif dédié à haute éclairement énergétique pour une photodégradation accélérée et précisément contrôlée des cellules solaires organiques - méthodologiquement lié aux simulateurs solaires à haut flux pour le photovoltaïque à concentration décrits sur cette page.
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.

Teste des matériaux de panneaux solaires de la mission ESA BepiColombo sous haute intensité et haute température - un exemple pratique du photovoltaïque spatial tel que décrit dans la section de cette page consacrée aux domaines d'application.
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.

D'autres travaux issus de domaines thématiques connexes sont regroupés dans les publications de clients, classées par thème.

Le moteur de recherche de publications répertorie toutes les publications sur le photovoltaïque que nous connaissons – consultables par appareil, domaine et mot-clé.

• IEC 60904-9:2020, Photovoltaic devices - Part 9 : Solar simulator performance requirements (national : DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9) ; en outre IEC TS 60904-1-2:2024 (modules bifaciaux) et 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

Comment fonctionne un simulateur solaire en photovoltaïque ?
Un simulateur solaire reproduit l'éclairement énergétique spectrique de la lumière solaire dans des conditions de référence définies (généralement AM1,5G, 1000 W/m², température de cellule de 25 °C). Une source lumineuse est ajustée par le biais d'une optique, de filtres ou - dans les systèmes à LED - d'un pilotage électronique par canal, de sorte que le spectre, la répartition spatiale et le comportement temporel de l'éclairement énergétique restent dans les limites fixées par la norme.

Quelle plage de longueurs d'onde ou quel spectre convient pour les essais photovoltaïques ?
AM1,5G est la norme pour les applications terrestres, AM0 pour les applications spatiales. La plage de longueurs d'onde pertinente dépend du type de cellule : 400 à 1100 nm pour le silicium classique, 300 à 1200 nm pour les couches minces et les cellules en silicium modernes, jusqu'à 1800 nm pour les cellules multijonctions III-V.

Quel éclairement énergétique est requis pour les conditions de test standard ?
Les conditions de test standard (STC) spécifient un éclairement énergétique de 1000 W/m² AM1,5G à une température de cellule de 25 °C. Ces trois grandeurs - spectre, intensité, température - doivent toutes être respectées simultanément ; l'absence de l'une des trois rend un résultat de mesure incomparable avec d'autres mesures.

Quelle est la différence entre la classe AAA et la classe A+A+A+ ?
Les deux désignent la classification la plus élevée, ou une classification étendue, selon la norme IEC 60904-9. La classe AAA satisfait à la classe A pour les trois critères (spectre, uniformité, stabilité). La classe A+ a été introduite en 2020, exige des tolérances deux fois plus strictes que la classe A, et doit être démontrée sur une plage spectrale étendue de 300 à 1200 nm.

Pourquoi un simulateur solaire produit-il des valeurs de mesure incorrectes malgré une puissance de lampe nominalement suffisante ?
La puissance électrique de la lampe et l'éclairement énergétique optique dans le plan de l'échantillon ne sont pas couplés linéairement ; le vieillissement, l'état des filtres et la température modifient le rendement électro-optique. De plus, une erreur d'inadéquation spectrale (spectral mismatch) peut survenir lorsque le spectre de la source et la réponse spectrale de la cellule s'écartent du cas de référence - cette erreur est indépendante de l'intensité et doit être corrigée par le calcul. La dérivation générale - de la puissance électrique, en passant par le rendement électro-optique, jusqu'au mesurande au point d'action - est présentée sous grandeurs radiométriques.

Comment mesure-t-on l'éclairement énergétique spectrique d'un simulateur solaire ?
La caractérisation spectrale est réalisée à l'aide d'un spectroradiomètre étalonné dans le plan de l'échantillon, complétée par une mesure en grille sur toute la surface de test pour déterminer l'uniformité spatiale et, pour les sources pulsées, par une mesure résolue en temps pendant la durée du flash.

Quelle technologie de simulateur convient aux cellules solaires tandem ?
Les cellules solaires tandem pérovskite-silicium et multijonctions nécessitent des simulateurs LED à sources multiples dotés de canaux spectraux pilotables indépendamment, car chaque sous-cellule doit être ajustée individuellement à son photocourant de référence. Les systèmes classiques au xénon à une ou deux lampes ne peuvent généralement pas répondre à cette exigence.

Pourquoi une mesure instantanée d'un testeur flash ne suffit-elle pas pour les cellules pérovskites ?
Les matériaux pérovskites présentent un comportement métastable induit par la lumière qui ne se stabilise qu'après plusieurs secondes à plusieurs minutes d'éclairement continu. Un flash de l'ordre de la milliseconde ne capture qu'un état transitoire ; les protocoles de test convenus exigent donc une mesure de puissance résolue en temps sous un éclairement en régime stationnaire.

Une reproduction contrôlée de la lumière solaire est nécessaire dans plusieurs domaines : la mesure de la lumière et des écrans partage la spectroradiométrie et la chaîne d'étalonnage, la fabrication électronique et des semi-conducteurs fournit les procédés dont proviennent les cellules, et la production photocatalytique d'hydrogène travaille dans les mêmes conditions AM1.5 afin de rendre les rendements comparables. Le tableau complet se trouve dans l'aperçu des applications UV.

Une désignation de classe nominale n'indique que peu de choses sur la stabilité et l'uniformité spectrique réelles d'un simulateur solaire en cours de fonctionnement. Quiconque a besoin de chiffres de rendement fiables pour des cellules, des modules ou de nouvelles classes de matériaux ne peut se passer d'une caractérisation à résolution spectrique dans le plan de l'échantillon - ainsi que d'un étalonnage traçable de l'instrumentation utilisée à cet effet. Pour la caractérisation spectrique des simulateurs solaires et de l'éclairement énergétique global, le SR900 est disponible ; pour la surveillance continue d'une plage de longueurs d'onde fixe entre les cycles d'étalonnage complets, un RMD Pro ; et pour les essais d'exposition UV contrôlée des matériaux d'encapsulation, des chambres d'irradiation avec fonctionnement à dose contrôlée via UV-MAT. Contactez-nous au sujet de votre besoin d'essai.