סימולטורי שמש בפוטו-וולטאיקה: יסודות וטכנולוגיית מדידה

תא סולארי אינו מד אור אוניברסלי אלא מתמר סלקטיבי ספקטרלית: הוא אינו עונה על השאלה כמה קרינה פוגעת בו, אלא איזו קרינה. לכן על סימולטור שמש להפיק לא רק עצמת קרינה נופלת כוללת של 1000 W/m² - עליו לשחזר התפלגות ספקטרלית הקרובה מספיק לספקטרום הייחוס המתוקנן AM1.5G. האתגר המרכזי הוא שסטיות מתרחשות בשלושה מובנים בלתי-תלויים - התאמה ספקטרלית, אחידות מרחבית ויציבות זמנית - שאינם מקזזים זה את זה. רק הסיווג המתוקנן של שלושת הגדלים הללו במסגרת IEC 60904-9 מאפשר למדידות נצילות בתאים סולאריים ובמודולים להיות ניתנות להשוואה בין מעבדות, יצרנים וגופי הסמכה.

בשנת 2025 הפכה הפוטו-וולטאיקה לראשונה לטכנולוגיית ייצור החשמל המותקנת הגדולה בעולם: התוספות הגלובליות עברו לראשונה 600 גיגה-ואט, ההספק המצטבר הגיע לכ-2,800 גיגה-ואט, ואנרגיית השמש היוותה יותר משלושה רבעים מכושר הייצור המתחדש החדש בעולם, על פי Global Energy Review 2026 של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה (IEA, 2026). עבור טכנולוגיית הבדיקה והמדידה, הסיפור הרלוונטי אינו הנפח אלא הגיוון הטכנולוגי שמאחוריו: לצד סיליקון גבישי מתבססים תאי מפגש הטרוגני (heterojunction), מערכות שכבה דקה מבוססות CdTe ו-CIGS, ותאי טנדם פרובסקיט-סיליקון, יחד עם נתח גדל של מודולים דו-פניים.

ההשלכה הטכנית נובעת משרשרת ברורה: גיוון גובר של מודולים ונצילויות תא גבוהות יותר מגבירים את רגישות תוצאות הבדיקה לסטיות ספקטרליות של מקור הבדיקה. כל מחלקת חומרים נוספת - שכבה דקה, דו-פני, טנדם - מביאה עמה עקומת תגובה ספקטרלית משלה, המצמצמת למעשה את מרווח השגיאה שסימולטור שמש יכול להרשות לעצמו בהשוואה לתאי הסיליקון החד-גבישי הפשוטים יותר של שנות ה-1980, שעבורם תוכננו התקנים המקוריים.

חמישה פיתוחים משנים את משימת המדידה בסימולציית שמש:

• מעבר ממנורות פריקת גז לטכנולוגיית LED. סימולטורי LED מחליפים יותר ויותר מערכות קסנון ומתכת-הליד, משום שהם מציעים אורך חיים ארוך יותר, תחזוקה נמוכה יותר ועיצוב ספקטרלי הניתן לכוונון חשמלי במקום אופטי. התוצאה היא הסטת מוקד הבדיקה מאופטיקת מסננים אל עבר בקרת ערוצים אלקטרונית וכיול ספקטרלי מבוסס תוכנה של קבוצות LED בודדות.
• הצגת מחלקה A+ ומדדים ספקטרליים אופציונליים. התקן IEC 60904-9:2020 הכפיל את חומרת ההערכה והציג את SPC/SPD, כלי שנועד במפורש להתמודד עם ההיתכנות הפורמלית של סיווג לפי מחלקות באמצעות ספקטרי LED מרווחים. הדבר מוביל למאמץ תיעוד גובר עבור יצרני ציוד, שיידרשו יותר ויותר לציין לא רק ציון מחלקה אלא גם ערכי כיסוי וסטייה בשקיפות.
• מערכות רב-מקוריות לטכנולוגיות טנדם. עם כניסת מודולי טנדם פרובסקיט-סיליקון לשוק, נוצרים סימולטורים עם עשרות ערוצים ספקטרליים הניתנים לשליטה עצמאית ועם טווחי אורך גל מורחבים מעבר ל-1600 ננומטר. הדבר יוצר צימוד הדוק יותר בין כיול הסימולטור לאפיון התא, שכן יש לקבוע את ההגדרה הספקטרלית בנפרד עבור כל תת-תא.
• שיטות בדיקה דו-פניות. המפרט הטכני IEC TS 60904-1-2 מסדיר שיטות למדידת מודולים דו-פניים תחת הקרנה מדומה וטבעית. מכאן נובע צורך נוסף בחיישנים להקרנה בצד האחורי וצורך גובר בעמדות בדיקה המסוגלות להאיר בצורה מבוקרת את שני צדי המודול בו-זמנית.
• פרוטוקולי הספק מיוצב לחומרים לא יציבים. עבור פרובסקיט וטכנולוגיות תא מטא-יציבות אחרות מתבססים פרוטוקולי בדיקה מוסכמים עם תאורה רציפה וייצוב הספק מותאם-זמן. התוצאה היא מעבר מתמונת הרגע הטהורה של מדידת ההבזק הקלאסית אל עקומת הספק המתועדת לאורך דקות עד שעות.

גדלי שוק, שיעורי צמיחה ומקורות עבור תחום יישום זה מסוכמים בעמוד התפתחות השוק של טכנולוגיית UV.

סימולטור שמש מפיק אור מלאכותי המשחזר את עצמת הקרינה הספקטרלית של אור השמש הטבעי בתנאים אטמוספריים מוגדרים. גודל הייחוס הוא הספקטרום AM1.5G (Air Mass 1.5, Global), ספקטרום הנגזר חישובית ממודל אטמוספרי המייצג קווי רוחב שבין מרכז אירופה לצפון אמריקה בזווית זנית שמשית של 48.2°, ומנורמל לעצמת קרינה כוללת של 1000.4 W/m² (ASTM G173-03). מקור אור - בדרך כלל מנורת פריקת גז או שילוב של דיודות LED רבות - מעוצב באמצעות אופטיקה, מסננים ואלקטרוניקת בקרה כך שהעצמה, הספקטרום והאחידות במישור הדגימה יתקרבו ככל האפשר לספקטרום הייחוס הזה.

מבחינה פיזיקלית, מה שחשוב הוא שתא סולארי אינו משלב (מבצע אינטגרציה) את עצמת הקרינה עצמה, אלא את מכפלת עצמת הקרינה הספקטרלית ורגישותה הספקטרלית של התא, התלויה באורך הגל. שני מקורות אור בעלי עצמת קרינה כוללת זהה אך ספקטרום שונה מפיקים זרם פוטו שונה על אותו תא. לכן סימולטור שמש אינו מכויל ביציאת המנורה, אלא במישור הדגימה, באמצעות תא סולארי ייחוס מכויל בעקיבות מטרולוגית או ספקטרורדיומטר.

מנורות פריקת גז שלטו היסטורית מכיוון שבעת גיבוש התקן הרלוונטי הראשון ASTM E927 (1979), הן היו המקורות היחידים הזמינים בעלי ספקטרום רחב-פס דמוי-שמש במידה מספקת (ASTM E927-19). במשך כשני עשורים, מערכות מבוססות LED התבססו יותר ויותר וכיום דוחקות את טכנולוגיית הקסנון המסורתית מקווי ייצור ומעבדות.

בשל מאפייני רחב-הפס הטבעיים שלהן, מנורות קסנון נותרות נפוצות בייצור מודולים בשטח גדול, אך הן דורשות כוונון מחדש קבוע באמצעות סינון ספקטרלי, שכן קווי הפליטה שלהן, בפרט מעל 800 nm, מחמירים את הסיווג (IEC 60904-9:2020). במדידות השוואתיות של עקומות זרם-מתח של מודולים פוטו-וולטאיים, מערכות LED הראו ביצועים לפחות שווי-ערך, ובמקרים מסוימים עדיפים מבחינת יציבות וגמישות ספקטרלית, בהשוואה למקורות קסנון (Chojniak et al., 2024).

סימולטור שמש אינו נבחן על פי מדד יחיד, אלא על פי מספר גדלים פיזיקליים בלתי-תלויים זה בזה:

• התאמה ספקטרלית מתארת עד כמה עצמת הקרינה של הסימולטור בתחומי אורך גל מוגדרים תואמת את ספקטרום הייחוס AM1.5G. זהו גורם מכריע מכיוון שזרם הפוטו הנמדד של התא תלוי באינטגרל החפיפה בין ספקטרום המקור לרגישות הספקטרלית של התא - ולא בהספק הכולל של המקור.
• אי-אחידות מרחבית מכמתת את השונות בעצמת הקרינה על פני שטח הבדיקה. היא משפיעה בעיקר על מודולים גדולים ושרשראות תאים מחוברות בטור, מאחר שתת-השטח המואר בצורה החלשה ביותר עלול להגביל את הזרם הכולל.
• אי-יציבות זמנית מתעדת שינויים בעצמת הקרינה במהלך המדידה. עבור סימולטורים פועמים היא קריטית במיוחד, שכן הספקטרום ועוצמת המנורה ממשיכים להשתנות במהלך העלייה והדעיכה של שפופרת ההבזק.
• עצמת הקרינה הכוללת חייבת להיקבע לערך הייחוס של 1000 W/m², מכיוון שעקומת המאפיינים של תא סולארי תלויה באופן לא-ליניארי בעצמת הקרינה; סטייה אינה משפיעה באופן פרופורציונלי על כל פרמטרי העקומה.
• טמפרטורת התא נקבעת כקואורדינטה השלישית של תנאי הבדיקה הסטנדרטיים (STC), לצד הספקטרום והעוצמה (25 °C). היעילות של תאי סיליקון קריסטליים יורדת בדרך כלל ב-0.3 עד 0.5 נקודות אחוז לכל קלווין של עליית טמפרטורה, כך שבקרת טמפרטורה לא נאותה מעוותת את תוצאות המדידה מבלי שהדבר יבוא לידי ביטוי בספקטרום.
• הרגישות הספקטרלית של תא הייחוס ותא הבדיקה יחד עם ספקטרום המקור קובעות את מקדם אי-ההתאמה הספקטרלית (spectral mismatch factor) (ראו הסעיף שלהלן). זהו לא מאפיין קבוע של סוג תא, אלא תלוי במבנה השכבות, באטימה ובמצב ההזדקנות.

אי-ההבנה הנפוצה ביותר בפועל היא השוואת הספק המנורה החשמלי לעצמת הקרינה האופטית. שני הגדלים אינם קשורים באופן לינארי: היעילות האלקטרו-אופטית של מנורה משתנה עם זמן ההפעלה, ההזדקנות, מצב המסננים והטמפרטורה, כך שהספק חשמלי קבוע לכאורה יכול לייצר עצמת קרינה אופטית נסחפת. באופן דומה, משך חשיפה כשלעצמו אינו בעל משמעות אלא אם ברור לאיזו עצמת קרינה הוא מתייחס - "משך חשיפה" ללא ציון מנת קרינה או עצמה נלווית הוא, מבחינה טכנית, בלתי שלם.

שגיאה נפוצה שנייה היא מדידה מחוץ למישור הדגימה בפועל. קריאה ביציאת המנורה או בחיישן ייחוס קבוע מחוץ לשדה הבדיקה מתארת את המקור, לא את ההקרנה בפועל של המתקן הנבדק; הבדלים באורך המסלול האופטי, אור פזור והצללה יכולים לגרום לסטיות של מספר אחוזים שאינן נראות בחיישן.

שלישית, לעיתים קרובות מוערך יתר על המידה העמידה הפורמלית לכאורה בסיווג. הסיווג לפי IEC 60904-9 מדרג את עצמת הקרינה בשישה עד שנים-עשר תחומי ספקטרום רחבים; בתוך תחום כזה אין הגדרה היכן בדיוק בתוך אותו טווח מצויה בפועל העצמה הנדרשת. סימולטור LED יכול אפוא להגיע פורמלית לדירוג A או A+ למרות שהספקטרום שלו מורכב משיאים צרים המופרדים על ידי פערים ספקטרליים. הערכות השוואתיות מראות מערכות מסחריות אמיתיות עם כיסוי ספקטרלי של 65 עד 79 אחוז בלבד, תוך השגת דירוג פורמלי גבוה בו-זמנית (IEC 60904-9:2020). עבור תאים בעלי רגישות ספקטרלית רחבה ורציפה - למשל תאי שכבה דקה או תאים רב-צמתיים - פער כזה רלוונטי מבחינה טכנית יותר מאשר עבור תא ייחוס בעל רגישות צרה.

רביעית, שיטת תא הייחוס, שבה עצמת הסימולטור מותאמת לזרם הקצר המכויל של תא הייחוס, תקפה רק בתנאים מגבילים: היא עוברת נכון לתא הנבדק רק אם לתא הייחוס ולתא הנבדק יש רגישות ספקטרלית זהה, או אם ספקטרום הסימולטור תואם במדויק את ספקטרום הייחוס. אף אחד מהתנאים הללו אינו מתקיים במלואו בפועל אי פעם; השגיאה השיטתית הנובעת מכך נקראת אי-התאמה ספקטרלית ויש לתקנה בחישוב, לא לכייל אותה החוצה (ASTM E948).

חמישית, ערכים אופייניים רבים תקפים רק בהנחה שהמתקן הנבדק וסביבתו נמצאים בשיווי משקל תרמי וחשמלי. עבור סימולטורים פועמים מבוססי קסנון עם משכי הבזק בטווח המילישניות, הזמן לרוב אינו מספיק כדי שהשפעות קיבוליות במודולים גדולי שטח, או ההתנהגות החולפת המושרית באור של חומרים לא יציבים כגון פרובסקיט, יתייצבו במלואן - העקומה הנמדדת מתארת אז מצב חולף, לא נקודת הפעלה יציבה.

הרגישות הספקטרלית של תא סולארי אינה גודל אוניברסלי; היא נקבעת על ידי פער האנרגיה (band gap), עובי השכבה וההפסדים האופטיים של חומר הספיגה הרלוונטי. סיליקון גבישי סופג באורכי גל שבין כ-400 עד 1100 nm; טווחי הגלים המקוריים של תקן ASTM E927 והמהדורות המוקדמות של IEC 60904-9 הוגדרו בדיוק עבור טווח זה. טכנולוגיות שכבה דקה כגון CdTe ו-CIGS - קצה הספיגה שלהן עדיין נמצא בתוך טווח זה, אך הן נהנות מהרחבת טווח ההערכה ל-300 עד 1200 nm בשנת 2020, מכיוון שכך נלכדת בצורה טובה יותר הרגישות שלהן באורכי גל קצרים (IEC 60904-9:2020).

אפילו הטווח המורחב אינו מספיק עבור תאי טנדם מסוג פרובסקיט-סיליקון ותאי צומת מרובה מסוג III-V: לתאי צומת מרובה מסוג III-V יש רוחבי פס ספיגה של עד 1800 nm. לתאי הטנדם יש מאפיין מבני ייחודי נוסף: תאי המשנה מחוברים בטור, כך שתא המשנה בעל זרם הפוטו הנמוך ביותר מגביל את זרם התא הכולל (תנאי התאמת הזרם). סטייה ספקטרלית של מקור הבדיקה אינה פועלת כאן כשגיאה אחידה על פני העקומה כולה, אלא משנה איזה תא משנה הופך למגביל - התוצאה היא עקומה אופיינית התואמת מצב הקרנה שאינו מתרחש תחת אור שמש טבעי. מסיבה זו, אפיון תאי טנדם מחייב התאמה ספקטרלית של ספקטרום הסימולטור, שבה כל תא משנה מכוונן במיוחד לזרם הפוטו שהיה מייצר בתנאי ייחוס (Chojniak et al., 2024).

מקדם חוסר ההתאמה הספקטרלית M מתקן את השגיאה השיטתית הנוצרת כאשר הספקטרום של הסימולטור, הספקטרום הייחוס ורגישויות הספקטרום היחסיות של תא הייחוס ותא הבדיקה סוטים זה מזה. הוא מוגדר נורמטיבית בתקנים ASTM E948 ו-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 ]

כאן E_ref(λ) הוא הספקטרום הספקטרלי הייחוס (בדרך כלל AM1.5G), E_sim(λ) הוא הספקטרום בפועל של סימולטור השמש במישור הדגימה, S_ref(λ) הוא הרגישות הספקטרלית היחסית של תא הייחוס, ו-S_t(λ) הוא הרגישות הספקטרלית היחסית של תא הבדיקה. מכיוון שרק צורות ספקטרליות יחסיות נכנסות למשוואה, מקדמי כיול מוחלטים מתבטלים; רק צורת העקומה חשובה. זרם הקצר המתוקן ב-M של תא הבדיקה בתנאי בדיקה סטנדרטיים מתקבל על ידי חילוק הזרם שנמדד תחת הסימולטור ב-M (ASTM E948).

התחולה מחייבת שהספקטרום של הסימולטור וכן שתי הרגישויות הספקטרליות של התאים יהיו ידועים ברזולוציה ספקטרלית מספקת על פני טווח אורכי הגל הרלוונטי; אי-הוודאויות במדידת הרגישות הספקטרלית מוזרמות ישירות לאי-הוודאות של M. מגבלות המודל: עבור שני תאים עם רגישות ספקטרלית שונה באופן משמעותי ובעלת מבנה מיוחד - למשל תא דק-שכבה לעומת תא ייחוס גבישי - M יכול לסטות באופן ניכר מ-1, ובמקביל להיות רגיש יותר לשינויים ספקטרליים קטנים במקור. ניתוח שיטתי של אי-הוודאות הראה כי אי-הוודאות המשולבת של מקדם חוסר ההתאמה ניתנת לגזירה מאי-הוודאויות של הספקטרומים הנכנסים באמצעות סימולציית מונטה קרלו, והיא תלויה במידה רבה במידת הקורלציה הספקטרלית בין תרומות אי-הוודאות הבודדות: אי-הוודאות המורחבת של M נעה, בהתאם לדרגת הקורלציה הנחשבת, בין 0.06 ל-1.26 אחוזים (Maham, Kärhä & Ikonen, 2023). M אינו קבוע מכשור קבוע אלא חייב להיקבע מחדש עבור כל שילוב של סימולטור, תא ייחוס ותא בדיקה, ואי-הוודאות שלו חייבת להיות מצוינת בתוצאת הכיול.

הנחות. תא ייחוס מסיליקון גבישי עם רגישות ספקטרלית ידועה משמש לכיול עצמת הקרינה של סימולטור שמש קסנון מסוג A. תא סרט דק מסוג CIGS עומד להיבדק; רגישותו הספקטרלית גבוהה מזו של הסיליקון בטווח אורכי הגל הקצרים (400–600 nm) ונמוכה ממנה מעל 900 nm - דוגמה טיפוסית לטכנולוגיות סרט דק, המתועדת שוב ושוב בספרות המקצועית.

מודל. M נבנה מארבע האינטגרלים הספקטרליים בהתאם להגדרה שלעיל.

חישוב (איכותני, מבוסס על סדרי גודל מהספרות). אם ספקטרום הקסנון סוטה מספקטרום הייחוס AM1.5G באחוזים בודדים מעל 800 nm בשל קווי פליטה טבעיים, הדבר משפיע על תא הבדיקה CIGS בעוצמה גדולה יותר מאשר על תא הייחוס מסיליקון, שכן משקלם היחסי שונה בטווח ספקטרלי זה. מחקרי אי-ודאות שיטתיים על כיולי תאי ייחוס תיעדו מקדמי תיקון של אחוזים בודדים, עם מרכיבי אי-ודאות רגישים ספקטרלית בטווח שבין מתחת לאחוז אחד לבין אחוזים בודדים, עבור זוגות תאים שאינם דומים ספקטרלית (Hohl-Ebinger & Warta, 2011).

פרשנות. ערך נצילות שלא תוקן עלול אפוא להיראות סביר בעת שהוא גבוה מדי או נמוך מדי באופן שיטתי, מבלי שהדבר ייראה בצורת העקומה. לשם קבלת ערכי נצילות אמינים, שילוב של מדידה ספקטרלית מפורקת של הסימולטור עם רגישות ידועה של התא אינו אפוא מדידה נוספת אופציונלית, אלא חלק ממדידת העקומה עצמה.

הסיווג המתואם בין-לאומית של מדמי שמש לפי IEC 60904-9 (מאומץ בגרמניה כ-DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9) מדרג שלושה ערכים מאפיינים באופן בלתי תלוי זה בזה, בסדר: התאמה ספקטרלית - אי-אחידות מרחבית - חוסר יציבות זמנית, לדוגמה כ"סיווג AAA" או "סיווג A+A+A+":

מקור: IEC 60904-9:2020.

מהדורת 2020 הוסיפה בנוסף שני מדדים אופציונליים, שאינם משמשים עדיין לסיווג: כיסוי ספקטרלי (SPC) וסטייה ספקטרלית (SPD). SPC מציין את החלק היחסי של הספקטרום שבין 300 ל-1200 nm שבו עצמת הקרינה של המדמה מגיעה לפחות ל-10 אחוזים מערך הייחוס AM1.5G; SPD מסכם את השגיאות הספקטרליות המוחלטות על פני כל המרווח. שני המדדים הוכנסו מכיוון שסיווג בינים טהור - כמתואר בסעיף הקודם - אינו מבחין באופן אמין בין מדמי LED בעלי ספקטרום עם פערים אך "ממוקם בנוחות" לבין אלה המשחזרים בפועל את הספקטרום באופן רציף.

טבלת הסיווג בסעיף שלמעלה נותנת את הסטייה המותרת אך לא ממה היא נמדדת. הנה זה: ספקטרום הייחוס AM1.5G מחולק לשישה תחומים, חלקו של כל תחום מתוך עצמת הקרינה הכוללת קבוע, והסיווג נגזר מהיחס הגרוע ביותר מבין השישה – לא מהממוצע שלהם. העמודות מימין מתרגמות את סבילויות האחוזים לחלקים מוחלטים; מחלקה B (60 עד 140 %) הושמטה לשם קריאות.

שלושה דברים נובעים מכך שדירוג מחלקה בלבד אינו חושף:

• תחום בודד קובע. מדמה שנמצא ב-95 אחוזים בחמישה תחומים וב-130 בתחום השישי הוא מחלקה B – לא טוב יותר ממדמה שנמצא ב-130 בכל התחומים. הסיווג הוא מינימום, לא ציון.
• מתחת ל-400 nm שום דבר לא מדורג עבור A, B ו-C. טווח ההערכה של שלוש המחלקות הללו מתחיל ב-400 nm. מדמה יכול להיות מחלקה A ולספק הרבה מעט מדי או הרבה יותר מדי בטווח ה-UV – דבר לא רלוונטי למדידת I-V על סיליקון, אך רלוונטי מאוד לכל טענה בנוגע להזדקנות, הצהבה או אנקפסולציה. רק A+ מוערך מ-300 nm.
• החלקים מסתכמים ל-100 אחוזים. יותר מדי בתחום אחד פירושו בהכרח פחות מדי בתחום אחר. לכן לא ניתן לשפר מדמה LED על ידי הגברת ערוצים בודדים – הסיווג מדרג את צורת הספקטרום, לא את גובהו.

חלקים לפי IEC 60904-9 לספקטרום הייחוס AM1.5G; הקובע הוא המהדורה הנוכחית של התקן.

מדמה שמש class A משחזר את הספקטרום הסולארי בין 400 ל-1100 nm – הטווח שבו תא סיליקון מייצר זרם. עבור מדידת I-V זה בדיוק נכון. לשאלה כמה זמן המודול יחזיק מעמד, זהו טווח אורכי הגל הלא נכון: הצהבה של חומר האנקפסולציה, התקלפות (delamination), התפוררות (chalking) של יריעת הגב ופירוק אטם הקצה מופעלים על ידי קרינת UV, בעיקר מתחת ל-400 nm – שם הסיווג ל-A, B או C כלל לא בוחן.

לכן תקן המודול מפריד בין השניים. IEC 61215 דורש הכנה מוקדמת (preconditioning) בקרינת UV של 15 kWh/m² בטווח 280 עד 400 nm, מתוכם לפחות 5 kWh/m² בין 280 ל-320 nm, בטמפרטורת מודול של 60 ± 5 °C – עוד לפני שהמודול נכנס לרצף מחזורי החום ולחות-הקפאה. אף מדמה שמש אינו מייצר את ההכנה המוקדמת הזו; תא בדיקת UV עם מנורות שנבנו לכך כן מייצר אותה.

בדיוק שם נמצאים תאי ההקרנה של Opsytec:

• BS-04 – תא בדיקת UV גדול, הניתן למעבר בין UVA-351, UVB-313 ו-UVC. יכולת המעבר היא הנקודה המרכזית כאן: לא ניתן להגיע ל-5 kWh/m² ב-UVB עם מנורת UVA בלבד.
• BS-05 – תא בדיקת UV להזדקנות וליציבות פוטוכימית עם אחידות גבוהה על פני שטח הדגימה. מכיוון שמנת קרינה מצטברת לאורך שבועות, כל אי-אחידות משפיעה ישירות על התוצאה: סטייה של 10% על פני השטח היא הבדל של 10% במנת הקרינה בסוף, ולא רעש שמתאזן.

שני התאים פועלים בבקרת מנת קרינה באמצעות UV-MAT – הבדיקה מסתיימת כשמגיעים למנת קרינה מסוימת ב-kWh/m², ולא לאחר מספר ימים קבוע. זהו ההבדל בין בדיקה שמוכיחה את הערך הנדרש לבין בדיקה שמעריכה אותו: מנורות מזדקנות, ועצמת קרינה הנחשבת קבועה לאורך שישה שבועות אינה כזו באמת.

ייצור תאים ומודולים. בייצור תעשייתי, בוחני הבזק (flash testers) ממיינים מודולים לפי רמות הספק בהתאם לביצועיהם הנמדדים תחת הקרנה מדומה. מה שחשוב כאן הוא בעיקר יציבות זמנית במהלך משך ההבזק הקצר, שכן קצב הייצור והשחזוריות תלויים במישרין ביכולת החזרה של ההבזק.

מחקר ופיתוח. מעבדות אקדמיות ומכוניות - לדוגמה בפיתוח חומרי סופחים חדשים - נדרשות לסימולטורים בעלי גמישות ספקטרלית שפועלים לרוב באופן רציף, שכן קונספטים חדשים של תאים כגון טנדם פרובסקיט-סיליקון חייבים להיאופיין תחת אור יציב ומוגדר כדי ללכוד אפקטים מטא-סטביליים. הפרמטר התהליכי הקריטי הוא כוונון ספקטרלי לתת-התא הרלוונטי.

מעבדות כיול והסמכה מוכרות. אימות נצילות בלתי תלוי-יצרן מחייב תאי ייחוס עם עקיבות מטרולוגית ואפיון מתועד ומופרד ספקטרלית של מקור הסימולטור. הפרמטר התהליכי הקריטי הוא אי-הוודאות במדידה של מקדם חוסר ההתאמה הספקטרלי (spectral mismatch factor), שיש לציין בתעודת הכיול.

פוטו-וולטאיקה לחלל. עבור תאים בלוויינים ובכלי חלל, הייחוס אינו AM1.5G אלא הספקטרום החוץ-אטמוספרי AM0, עם עצמת קרינה נופלת של כ-1367 W/m² ומרכיב קצר-גל חזק יותר מזה של AM1.5G, שכן האטמוספרה של כדור הארץ אינה מסננת יותר את הספקטרום. המכריע כאן הוא ההתאמה הספקטרלית בטווח ה-UV והכחול.

פוטו-וולטאיקה מרוכזת (CPV). מערכות המרכזות אור שמש באופן אופטי דורשות סימולטורים עם עצמת קרינה נופלת גבוהה, מכמה מאות ועד כמה אלפי "שמשות". הפרמטר התהליכי הקריטי הוא אחידות כתם האור המרוכז בעוצמה, שכן אי-הומוגניות בריכוז גבוה מתורגמת באופן לא פרופורציוני לאפקטים תרמיים וחשמליים מקומיים.

הזדקנות חומרים ואנקפסולציה. בסמוך לבדיקות ביצועים חשמליים, נמצאות בדיקות הזדקנות מואצת של קרומי אנקפסולציה, דבקים, חומרי גיליון גב וציפויים נגד השתקפות תחת הקרנת UV. כאן לא התשואה החשמלית היא הקובעת, אלא האפקט הפוטוכימי - לפרטים נוספים ראו את הרקע המעמיק בהזדקנות בקרינת UV, עמידות צבע ויציבות פוטוכימית.

תאים סולאריים מסוג טנדם ורב-מעבר מחייבים סימולטורים מרובי מקורות, בעלי בדרך כלל עשרות ערוצים ספקטרליים הניתנים לשליטה עצמאית. מערכת שנבנתה במכון פרנהופר למערכות אנרגיה סולארית (ISE) עבור מודולי טנדם מסוג פרובסקיט-סיליקון משלבת 28 ערוצי אור המכוילים ספקטרלית על פני 40 מקורות אור, בסך הכול 18,400 נוריות LED, בטווח אורכי גל מ-320 עד 1650 ננומטר, ומאפשרת בנוסף לדמות שעות שונות ביום וספקטרלים שונים של מיקום גיאוגרפי (Fraunhofer ISE, 2023).

מודולים ביפייסיאליים מחייבים הקרנה מבוקרת של הצד הקדמי והצד האחורי כאחד, שכן התנובה הנוספת מהצד האחורי בשטח תלויה בקרינה מפוזרת ומוחזרת. המפרט הטכני IEC TS 60904-1-2 מתאר שיטות למדידת עקומות המאפיין של תאים ומודולים ביפייסיאליים תחת הקרנה טבעית וגם תחת הקרנה מדומה.

חומרים לא יציבים (פרובסקיט). סימולטורי הבזק קלאסיים מייצור סיליקון אינם ניתנים לשימוש פשוט עבור תאים מבוססי פרובסקיט, מכיוון שמשך ההבזק הקצר אינו מספיק ללכידת ההתנהגות המטהסטבילית המושפעת מאור האופיינית לסוג חומרים זה. יש צורך באפיון תחת תאורה רציפה עם מדידת הספק מיוצב על פני פרק זמן מוגדר - נוהל שהוסכם עליו על ידי קונסורציום מחקר בין-לאומי ממליץ, בין היתר, על עצמות קרינה של 800 עד 1000 W/m² עם מאפיינים ספקטרליים מתועדים של המקור (Khenkin et al., 2020).

הקרנה מרוכזת. במערכות CPV נעשה שימוש בסימולטורי קסנון רציפים בעלי מוט הומוגניזציה ואופטיקת קולימציה, או בתצורות פועם בעלות שטף גבוה המייצרות לזמן קצר מאות "שמשות" מבלי להעמיס תרמית מוגזמת על התקן הבדיקה.

נקודת המוצא לכל אפיון של סימולטור סולארי היא השאלה אילו גודל מדידה משמעותי בפועל עבור האפליקציה הנתונה - ולא איזה מכשיר נמצא באקראי בהישג יד. לפיקוח פשוט על עצמת הקרינה בייצור השוטף, מדידה רדיומטרית רחבת-פס באמצעות חיישן סיליקון או תרמופיל מכויל במישור הדגימה מספיקה לרוב, בתנאי שהספקטרום של המקור ידוע ויציב. ברגע שסימולטור סולארי מופעל לראשונה, מוכשר מחדש לאחר החלפת מנורה, או משמש לצורכי הסמכה, נדרשת מדידה ספקטרלית מפורקת, שכן רק היא מאפשרת סיווג לפי IEC 60904-9 וקביעת מקדם אי-ההתאמה הספקטרלית (spectral mismatch factor).

מדידות מרחביות נדרשות ברגע ששטח הבדיקה גדול יחסית לאזור האחידות של המקור - למשל עבור מודולים שלמים ולא עבור תאים בודדים; התקן מחייב מדידת רשת (raster) במספר מזערי של מיקומים מוגדרים. מדידות תלויות-זמן הן הכרחיות עבור מקורות פועמים או מקורות התלויים בעלייה תרמית, שכן עצמת הקרינה, ולעיתים גם הספקטרום, יכולים להשתנות במהלך חלון המדידה.

בקווי ייצור אוטומטיים, הסימולטור הסולארי הוא בדרך כלל חלק מבודק הבזק inline (inline flash tester) שבודק כל מודול בפולס אור קצר לאחר הלמינציה ומסווג אותו אוטומטית לקטגוריות הספק על סמך עקומת המדידה. מבחינה טכנית, החשוב אינו כל כך קישוריות הרשת אלא הצורך לפקח על היציבות הספקטרלית ועצמת הקרינה של המקור על פני אלפי מחזורי בדיקה: הזדקנות המנורות, זיהום אלמנטים אופטיים וסחיפה תרמית משנים בהדרגה את עצמת הקרינה האפקטיבית מבלי שהדבר ניתן לזיהוי מהמראה החיצוני של הציוד.

לכן, תפיסות פיקוח מכוונות-ייצור משלבות מדידת יחוס ספקטרלית מלאה במרווחי זמן ארוכים יותר עם מדידת בקרה רחבת-פס מתמשכת בטווח אורך גל קבוע בין מחזורי כיול מלאים. כך ניתן לזהות מוקדם שינוי ספקטרלי הדרגתי, מבלי לבצע מדידה ספקטרלית מלאה וגוזלת זמן בכל מחזור בדיקה בודד. שילוב מדידות בקרה כאלה במערכת הבקרה של המפעל מאפשר לזהות אוטומטית סטיות מספקטרום היחוס השמור בטרם הן מתבטאות במודולים המסווגים באופן שגוי.

בכל אחת מהמדידות הללו יש להביא בחשבון באופן מפורש את אי-הוודאות במדידה: היא כוללת את אי-הוודאות בכיול החיישן, את אי-ההתאמה הספקטרלית העצמית של החיישן ביחס לספקטרום היחוס, ועבור ערכי נצילות נגזרים - את אי-הוודאות של מקדם אי-ההתאמה. עקיבות מטרולוגית של מכשירי המדידה בהם נעשה שימוש לתקנים לאומיים או בין-לאומיים היא תנאי מוקדם לכך שמעבדות שונות יוכלו לדווח כלל על ערכים דומים וניתנים להשוואה.

הפרסום הבא מפתח שיטה לכיוונון מדויק של הספקטרום של סימולטורים רב-מקוריים מבוססי LED, המיועדת במיוחד לתאים סולאריים טנדם, ולכן רלוונטית ישירות לטכנולוגיית המדידה של מודולי פרובסקיט-סיליקון:

"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.

עבודה זו בוחנת באופן שיטתי כיצד ניתן לחשב את אי-הוודאות של גורם אי-ההתאמה הספקטרלית מתוך אי-הוודאויות של הספקטרומים המעורבים בעזרת שיטות מונטה קרלו, ומספקת בסיס כמותי לתקציבי אי-ודאות בכיול:

"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.

עבודת היסוד הבאה, המצוטטת רבות, הייתה הטיפול השיטתי הראשון באי-הוודאות של גורם אי-ההתאמה הספקטרלית בתנאי הבדיקה הסטנדרטיים (STC), והיא נותרת עד היום מקור מתודולוגי למעבדות כיול:

"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.

נייר עמדה זה, המוסכם ברמה בין-לאומית, מגדיר פרוטוקולי מדידה ודיווח לבדיקות יציבות של תאים סולאריים מסוג פרובסקיט, ומהווה בסיס, בין היתר, לצורך בהקרנה רציפה ומתועדת ספקטרלית במקום מדידות הבזק קצרות:

"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.

פוטו-וולטאיקה מופיעה גם היא בכמה היבטים בפרסומי הלקוחות שלנו - החל מהזדקנות בקרינת UV של חומרי האנקפסולציה במודולים, דרך עיבוד שכבות התאים בקרינת UV, ועד לבדיקת מערכי סולאריים לשימוש בטיסות חלל.

משווה בין ארבעה חומרי אנקפסולציה למודולים פוטו-וולטאיים תחת קרינת UV במדבר אטקמה - אחד משדות הבדיקה האינטנסיביים ביותר בעולם מבחינת קרינת UV להזדקנות מודולים.
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.

בוחן כיצד מתפתחת התדרדרות המושרית על ידי UV במגעים המפוסבים (passivated) של תאי הטרו-מעבר של סיליקון - אחת מטכנולוגיות התאים שדף זה מציין במפורש כמחלקה נבדלת מבחינה ספקטרלית.
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).

משתמש בהקרנת UV-LED באופן מכוון לחישול סלקטיבי לשכבה של תאי פרובסקיט סולאריים וקובע את אנרגיית ההתגבשות הנדרשת - דוגמה לשימוש ב-UV ככלי ייצור, לא רק כשיטת בדיקה.
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.

מפתח מתקן ייעודי בעל עצמת קרינה גבוהה לפוטודגרדציה מואצת ומבוקרת בדייקנות של תאים סולאריים אורגניים - קשור מבחינה מתודולוגית לסימולטורים סולאריים בעלי שטף גבוה לפוטו-וולטאיקה מרוכזת המתוארים בדף זה.
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.

בודק חומרים ממערכים סולאריים של משימת ESA BepiColombo תחת עצמה גבוהה וטמפרטורה גבוהה - דוגמה מעשית לפוטו-וולטאיקה לשימוש בחלל כפי שמתואר בקטע שדות היישום של דף זה.
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.

עבודות נוספות מתחומי נושא קשורים מרוכזות בפרסומים של לקוחות, ממוינים לפי נושא.

מנוע החיפוש לפרסומים מציג את כל הפרסומים בנושא פוטו-וולטאיקה שידועים לנו - ניתן לחפש לפי מכשיר, תחום ומילת מפתח.

• IEC 60904-9:2020, התקנים פוטו-וולטאיים - חלק 9: דרישות ביצועים לסימולטור שמש (בתקינה הלאומית: DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9); בנוסף IEC TS 60904-1-2:2024 (מודולים דו-פניים) וכן ASTM E927-19 / ASTM G173-03.
• International Energy Agency (IEA): סקירת האנרגיה העולמית 2026 - טכנולוגיה: פוטו-וולטאיקה סולרית ואנרגיית רוח, 2026. https://www.iea.org/reports/global-energy-review-2026/technology-solar-pv-and-wind
• Khenkin, M. V.; Katz, E. A.; Abate, A. ואחרים: הצהרת קונצנזוס להערכת יציבות ולדיווח עבור פוטו-וולטאיקה מבוססת פרובסקיט על פי נהלי ISOS, Nature Energy 5(1), 35-49, 2020. https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5
• Chojniak, D.; Schachtner, M.; Reichmuth, S. K. ואחרים: שיטה מדויקת לכיוונון ספקטרלי של סימולטורי שמש מבוססי LED ומבוססי מקורות אור מרובים, Progress in Photovoltaics 32(6), 372-389, 2024. https://doi.org/10.1002/pip.3776
• Hohl-Ebinger, J.; Warta, W.: אי-ודאות של מקדם התיקון לאי-התאמה ספקטרלית במדידות STC בהתקנים פוטו-וולטאיים, Progress in Photovoltaics 19(5), 573-579, 2011. https://doi.org/10.1002/pip.1059
• Maham, K.; Kärhä, P.; Ikonen, E.: הערכת אי-ודאות של אי-התאמה ספקטרלית בכיול תאים סולריים באמצעות סימולציית מונטה קרלו, IEEE Journal of Photovoltaics 13(6), 899-904, 2023. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2023.3311890

כיצד פועל מדמה שמש בפוטו-וולטאיקה?
מדמה שמש משחזר את עצמת הקרינה הספקטרלית של אור השמש בתנאי התייחסות מוגדרים (בדרך כלל AM1.5G, 1000 W/m², טמפרטורת תא 25 °C). מקור אור מותאם באמצעות אופטיקה, מסננים או - במערכות LED - בקרת ערוצים אלקטרונית, כך שהספקטרום, ההתפלגות המרחבית וההתנהגות בזמן של עצמת הקרינה נשארים בגבולות שקבע התקן.

אילו תחום אורכי גל או ספקטרום מתאימים לבדיקות פוטו-וולטאיות?
AM1.5G הוא התקן לישומים יבשתיים, ו-AM0 לישומי טיסות חלל. תחום אורכי הגל הרלוונטי תלוי בסוג התא: 400–1100 nm לתאי סיליקון קלאסיים, 300–1200 nm לתאי שכבה דקה ותאי סיליקון מודרניים, ועד 1800 nm לתאי צומת מרובה מסוג III-V.

איזו עצמת קרינה נדרשת לתנאי בדיקה סטנדרטיים?
תנאי בדיקה סטנדרטיים (STC) קובעים עצמת קרינה של 1000 W/m² AM1.5G בטמפרטורת תא של 25 °C. שלושת הגדלים הללו - ספקטרום, עצמה, טמפרטורה - חייבים להתקיים כולם יחד; היעדר אחד מהשלושה הופך את תוצאת המדידה לבלתי-ניתנת להשוואה עם מדידות אחרות.

מה ההבדל בין סיווג AAA לסיווג A+A+A+?
שני הסיווגים מציינים את הדרגה הגבוהה ביותר, או דרגה מורחבת, לפי IEC 60904-9. סיווג AAA עומד בדרגת A בכל שלושת הקריטריונים (ספקטרום, אחידות, יציבות). סיווג A+ הוצג ב-2020, מחייב סבילויות הדוקות פי שניים מדרגת A, וחייב להיות מוכח על פני תחום ספקטרלי מורחב של 300–1200 nm.

מדוע מדמה שמש מפיק ערכי מדידה שגויים חרף הספק מנורה נומינלי מספק?
הספק חשמלי של המנורה ועצמת הקרינה האופטית במישור הדגימה אינם מקושרים באופן לינארי; הזדקנות, מצב המסננים וטמפרטורה משנים את הנצילות האלקטרו-אופטית. בנוסף, עלולה להתקבל שגיאת אי-התאמה ספקטרלית (spectral mismatch) כאשר הספקטרום של המקור ורגישות התא סוטים ממקרה ההתייחסות - שגיאה זו אינה תלויה בעצמה ויש לתקנה בחישוב. הגזירה הכללית - מהספק חשמלי, דרך הנצילות האלקטרו-אופטית, ועד לגודל הנמדד בנקודת הפעולה - מוצגת תחת גדלים רדיומטריים.

כיצד נמדדת עצמת הקרינה הספקטרלית של מדמה שמש?
האפיון הספקטרלי מתבצע באמצעות ספקטרורדיומטר מכויל במישור הדגימה, ומשלים אותו מדידת רשת על פני שטח הבדיקה לקביעת האחידות המרחבית, ולמקורות פועמים - מדידה מופרדת בזמן במהלך משך ההבזק.

איזו טכנולוגיית הדמיה מתאימה לתאי שמש טנדם?
תאי שמש טנדם מסוג פרובסקיט-סיליקון ותאי צומת מרובה דורשים מדמים מבוססי LED עם מספר מקורות וערוצים ספקטרליים הניתנים לבקרה עצמאית, שכן יש לכוון כל תת-תא בנפרד לזרם הפוטו-חשמלי ההתייחסותי שלו. מערכות קסנון קלאסיות בעלות מנורה אחת או שתיים אינן יכולות בדרך כלל לעמוד בדרישה זו.

מדוע תמונת מצב מבודק הבזק אינה מספיקה לתאי פרובסקיט?
חומרי פרובסקיט מציגים התנהגות מטא-יציבה, מושרת אור, המתייצבת רק לאחר תאורה רציפה של כמה שניות עד דקות. הבזק בטווח המילישניות תופס רק מצב חולף; פרוטוקולי בדיקה מוסכמים דורשים לכן מדידת הספק מופרדת בזמן בתנאי אור יציב במצב עומד.

שחזור מבוקר של אור השמש נדרש במספר תחומים: מדידת אור ותצוגות חולק ספקטרורדיומטריה ושרשרת כיול, ייצור אלקטרוניקה ומוליכים למחצה מספק את התהליכים שמהם מקורם התאים, וייצור מימן פוטוקטליטי פועל באותם תנאי AM1.5 כדי להשוות בין נצילויות. התמונה המלאה מופיעה בסקירת יישומי UV.

סיווג נומינלי בלבד אומר מעט על מידת היציבות והאחידות הספקטרלית של סימולטור שמש בפועל במהלך הפעלה שוטפת. מי שזקוק לנתוני נצילות אמינים עבור תאים, מודולים או סוגי חומרים חדשים, אינו יכול להימנע מאפיון ספקטרלי מדויק במישור הדגימה - ומכיול עקיב מטרולוגית של מכשור המדידה המשמש לכך. לאפיון ספקטרלי של סימולטורי שמש ועצמת קרינה כוללת, זמין SR900; לניטור רציף של טווח אורכי גל קבוע בין מחזורי כיול מלאים, זמין RMD Pro; ולבדיקות חשיפה מבוקרת ל-UV של חומרי אנקפסולציה, זמינים תאי הקרנה עם הפעלה מבוקרת מנת קרינה באמצעות UV-MAT. צרו איתנו קשר בנוגע לדרישות הבדיקה שלכם.