태양광 발전용 솔라 시뮬레이터: 기초 및 측정 기술

태양전지는 만능 광량계가 아니라 파장 선택적 변환기입니다. 즉, 태양전지가 답하는 것은 얼마나 많은 복사가 도달하는지가 아니라 어떤 복사가 도달하는지입니다. 따라서 솔라 시뮬레이터는 1000 W/m²의 총 복사조도를 만들어내는 것만으로는 충분하지 않으며, 표준화된 기준 스펙트럼인 AM1.5G에 충분히 근접한 분광 분포를 재현해야 합니다. 핵심적인 과제는 편차가 분광 일치도, 공간 균일도, 시간 안정성이라는 세 가지 독립적인 차원에서 발생하며, 이들이 서로 상쇄되지 않는다는 점입니다. IEC 60904-9에 따른 이 세 가지 값의 표준화된 등급 분류만이 태양전지 및 모듈의 효율 측정을 여러 시험기관, 제조사, 인증기관 간에 비교 가능하게 합니다.

국제에너지기구(IEA)의 Global Energy Review 2026(IEA, 2026)에 따르면, 태양광 발전은 2025년에 처음으로 전 세계 설치 발전 기술 중 최대 규모에 도달했습니다. 전 세계 신규 설치량은 처음으로 600기가와트를 넘어섰고, 누적 설치 용량은 약 2,800기가와트에 달했으며, 태양광은 전 세계 신규 재생에너지 발전 용량의 4분의 3 이상을 차지했습니다. 시험 및 측정 기술의 관점에서 중요한 것은 이러한 물량이 아니라 그 배경에 있는 기술적 다변화입니다. 결정질 실리콘과 더불어 헤테로접합 셀, CdTe 및 CIGS 기반 박막 시스템, 페로브스카이트-실리콘 탠덤 셀이 자리를 잡아가고 있으며, 양면수광형(bifacial) 모듈의 비중도 증가하고 있습니다.

이로 인한 기술적 결과는 명확한 흐름을 따릅니다. 모듈의 다양성 증가와 셀 효율 향상은 시험 결과가 시험 광원의 분광 편차에 더욱 민감하게 반응하도록 만듭니다. 박막형, 양면수광형, 탠덤형 등 새로운 재료군이 추가될 때마다 고유한 분광 응답 곡선이 생겨나며, 이는 원래 표준이 설계된 대상인 1980년대의 단순한 단결정 실리콘 셀에 비해 태양광 시뮬레이터가 허용할 수 있는 오차 범위를 실질적으로 좁힙니다.

태양광 시뮬레이션의 측정 과제를 변화시키고 있는 다섯 가지 동향은 다음과 같습니다:

• 가스방전 램프에서 LED 기술로의 전환. LED 시뮬레이터는 더 긴 수명, 낮은 유지보수 비용, 그리고 광학적이 아닌 전기적으로 조정 가능한 분광 형성을 제공하기 때문에 제논 및 메탈할라이드 시스템을 점점 더 대체하고 있습니다. 그 결과 시험의 초점은 필터 광학에서 전자적 채널 제어와 개별 LED 그룹의 소프트웨어 기반 분광 교정으로 옮겨가고 있습니다.
• A+ 등급 및 선택적 분광 지표의 도입. IEC 60904-9:2020은 평가 엄격성을 두 배로 강화하고, 간극이 있는 LED 스펙트럼에 의한 등급 분류의 형식적 충족 가능성에 특별히 대응하는 지표인 SPC/SPD를 도입했습니다. 이로 인해 장비 제조사의 문서화 부담이 증가하고 있으며, 앞으로는 등급 표기뿐 아니라 커버리지 및 편차 값도 투명하게 명시해야 할 필요성이 커지고 있습니다.
• 탠덤 기술을 위한 다중 광원 시스템. 페로브스카이트-실리콘 탠덤 모듈의 시장 진입과 함께, 수십 개의 독립적으로 제어 가능한 분광 채널을 갖추고 1600 nm를 넘어서는 확장된 파장 범위를 지원하는 시뮬레이터가 등장하고 있습니다. 이는 각 서브셀마다 분광 설정을 개별적으로 결정해야 하므로, 시뮬레이터 교정과 셀 특성 평가 간의 결합을 더욱 긴밀하게 만듭니다.
• 양면수광형 시험 절차. 기술사양서 IEC TS 60904-1-2는 모의 조사(照射) 및 자연 조사(照射) 조건에서 양면수광형 모듈을 측정하는 절차를 공식화합니다. 이는 후면 조사(照射)를 위한 추가 센서 수요를 발생시키며, 모듈 양면을 동시에 제어된 방식으로 조사(照射)할 수 있는 시험 스탠드에 대한 필요성을 높이고 있습니다.
• 불안정한 소재를 위한 안정화 출력 프로토콜. 페로브스카이트 및 기타 준안정 셀 기술의 경우, 연속 조사(照射)와 시간 분해 출력 안정화를 포함하는 합의된 시험 프로토콜이 자리 잡아가고 있습니다. 그 결과 전형적인 플래시 측정의 단순한 스냅샷 방식에서 벗어나, 수 분에서 수 시간에 걸쳐 기록되는 출력 곡선으로 전환되고 있습니다.

이 응용 분야의 시장 규모, 성장률 및 출처는 자외선(UV) 기술의 시장 동향 페이지에 정리되어 있습니다.

태양광 시뮬레이터는 정해진 대기 조건에서 자연광의 분광 복사조도를 재현하는 인공광을 생성합니다. 기준량은 AM1.5G 스펙트럼(Air Mass 1.5, Global)으로, 이는 대기 모델로부터 계산상 도출된 스펙트럼이며 태양천정각 48.2°에서 중부 유럽~북미 위도를 대표하고 적분 복사조도 1000.4 W/m²로 정규화되어 있습니다(ASTM G173-03). 광원 - 보통 가스 방전 램프 또는 다수의 LED 조합 - 은 광학계, 필터 및 제어 전자장치를 통해 형상화되어, 시료 평면에서의 세기, 스펙트럼 및 균일도가 이 기준 스펙트럼에 최대한 가까워지도록 합니다.

물리적으로 중요한 것은, 태양전지가 복사조도 자체를 적분하는 것이 아니라 분광 복사조도와 전지의 파장 의존적 분광 응답도의 곱을 적분한다는 점입니다. 총 복사조도는 동일하지만 스펙트럼이 다른 두 광원은 동일한 전지에서 서로 다른 광전류를 발생시킵니다. 따라서 태양광 시뮬레이터는 램프 출력단이 아니라 시료 평면에서, 측정 소급성이 확보된 교정된 기준 태양전지 또는 분광복사계를 사용하여 교정됩니다.

가스 방전 램프는 최초의 관련 표준인 ASTM E927 (1979)이 제정될 당시 태양광과 충분히 유사한 광대역 스펙트럼을 가진 유일한 광원이었기 때문에 역사적으로 주류를 이루었습니다(ASTM E927-19). 지난 약 20년간 LED 기반 시스템이 점점 더 자리를 잡으면서 생산 라인과 실험실에서 기존의 제논 기술을 대체하고 있습니다.

제논 램프는 본연의 광대역 특성 때문에 대면적 모듈 생산에서 여전히 널리 사용되고 있지만, 특히 800 nm 이상에서 나타나는 방출선이 등급 분류를 악화시키기 때문에 스펙트럼 필터링을 통한 정기적인 재조정이 필요합니다(IEC 60904-9:2020). 태양광 모듈의 전류-전압 곡선에 대한 비교 측정에서 LED 시스템은 제논 광원과 최소한 동등한 성능을 보였으며, 안정성과 스펙트럼 유연성 면에서는 경우에 따라 더 우수한 것으로 나타났습니다(Chojniak et al., 2024).

솔라 시뮬레이터는 단일 수치가 아니라 상호 독립적인 여러 물리량으로 평가됩니다:

• 분광 일치도(Spectral match)는 정의된 파장 구간에서 시뮬레이터의 복사조도가 AM1.5G 기준 스펙트럼과 얼마나 일치하는지를 나타냅니다. 셀에서 측정되는 광전류는 광원 스펙트럼과 셀 응답도의 중첩 적분값에 좌우되며, 광원의 총 출력과는 무관하기 때문에 이는 결정적인 요소입니다.
• 공간 불균일도(Spatial non-uniformity)는 시험 영역 전체에 걸친 복사조도의 편차를 나타냅니다. 이는 주로 대형 모듈과 직렬 연결된 셀 스트링에 영향을 미치는데, 가장 약하게 조사(照射)되는 하위 영역이 전체 전류를 제한할 수 있기 때문입니다.
• 시간적 불안정성(Temporal instability)은 측정 중 복사조도의 변화를 나타냅니다. 이는 펄스형 시뮬레이터에서 특히 중요한데, 플래시 램프의 상승 및 감쇠 구간에서 램프 스펙트럼과 강도가 계속 변화하기 때문입니다.
• 총 복사조도(Total irradiance)는 기준값인 1000 W/m²로 설정되어야 합니다. 태양전지의 특성 곡선은 복사조도에 비선형적으로 의존하므로, 편차가 있을 경우 모든 곡선 매개변수에 비례적으로 영향을 미치지 않기 때문입니다.
• 셀 온도(Cell temperature)는 스펙트럼 및 강도와 함께 표준 시험 조건(STC)의 세 번째 좌표로 고정됩니다(25 °C). 결정질 실리콘 셀의 효율은 일반적으로 온도가 1켈빈 상승할 때마다 0.3~0.5 퍼센트포인트 감소하므로, 온도 제어가 부적절하면 스펙트럼상으로는 드러나지 않으면서도 측정 결과가 왜곡될 수 있습니다.
• 기준 셀 및 시험 셀의 분광 응답도(Spectral responsivity)는 광원 스펙트럼과 함께 분광 불일치 계수(스펙트럼 미스매치 계수, 아래 섹션 참조)를 결정합니다. 이는 셀 유형의 고정된 특성이 아니라 층 구조, 봉지재 및 노화 상태에 따라 달라집니다.

실무에서 가장 흔한 오해는 램프의 전기 출력을 광학 복사조도와 동일시하는 것입니다. 이 두 값은 선형적으로 연결되어 있지 않습니다. 램프의 전기-광학 효율은 가동 시간, 노화, 필터 상태 및 온도에 따라 변화하므로, 명목상 일정한 전기 출력이라도 광학 복사조도는 변동할 수 있습니다. 마찬가지로, 조사 시간 단독으로는 그것이 어떤 복사조도를 기준으로 하는지 명확하지 않으면 의미가 없습니다. 조사량이나 세기 값이 함께 제시되지 않은 "조사 시간"은 기술적으로 불완전합니다.

두 번째로 흔한 오류는 실제 시료 평면 밖에서 측정하는 것입니다. 램프 출구나 시험 영역 밖의 고정 기준 센서에서 측정한 값은 광원의 특성을 나타낼 뿐, 피시험 장치(DUT)에 대한 실제 조사 상태를 나타내지 않습니다. 광학 경로 길이의 차이, 산란광, 비네팅으로 인해 센서에서는 보이지 않는 수 퍼센트의 편차가 발생할 수 있습니다.

셋째, 분류 등급의 형식적 충족은 흔히 과대평가됩니다. IEC 60904-9 분류는 복사조도를 6~12개의 넓은 분광 구간으로 평가하며, 구간 내에서 요구되는 세기가 실제로 어느 지점에 위치하는지는 규정되지 않습니다. 따라서 LED 시뮬레이터는 스펙트럼이 분광 간극으로 분리된 좁은 피크들로 구성되어 있더라도 형식적으로는 A등급 또는 A+등급에 도달할 수 있습니다. 비교 평가에 따르면 실제 상용 시스템이 65~79%의 분광 커버리지만 가지면서도 동시에 높은 형식적 등급(IEC 60904-9:2020)을 달성하는 경우가 있습니다. 박막 또는 다중접합 셀과 같이 넓고 연속적인 분광 응답도를 가진 셀의 경우, 이러한 간극은 좁은 응답 특성을 가진 기준 셀에 비해 기술적으로 더 큰 의미를 가집니다.

넷째, 시뮬레이터의 세기를 기준 셀의 교정된 단락 전류에 맞추는 기준 셀 방식은 제한적인 조건에서만 유효합니다. 즉, 기준 셀과 시험 셀의 분광 응답도가 동일하거나, 시뮬레이터 스펙트럼이 기준 스펙트럼과 정확히 일치하는 경우에만 시험 셀에 정확히 전이됩니다. 실무에서는 두 조건 모두 완전히 충족되는 경우가 없으며, 이로 인해 발생하는 계통 오차를 분광 불일치(spectral mismatch)라 하며, 이는 교정으로 제거할 수 없고 계산으로 보정해야 합니다(ASTM E948).

다섯째, 많은 특성값은 피시험 장치와 그 환경이 열적 및 전기적 평형 상태에 있다는 가정 하에서만 유효합니다. 밀리초 단위의 플래시 지속 시간을 가진 펄스형 제논 시뮬레이터의 경우, 대면적 모듈의 정전용량 효과나 페로브스카이트와 같은 불안정한 소재의 과도적인 광유도 거동이 완전히 안정화되기에는 시간이 충분하지 않은 경우가 많습니다. 이 경우 측정된 곡선은 안정된 동작점이 아니라 과도 상태를 나타내는 것입니다.

태양전지의 분광 응답도는 보편적인 수치가 아니며, 해당 흡수체 재료의 밴드갭, 층 두께 및 광학적 손실에 의해 결정됩니다. 결정질 실리콘은 대략 400~1100 nm 사이에서 흡수하며, ASTM E927과 초기 IEC 60904-9 판의 원래 분광 구간은 정확히 이 범위에 맞춰 정의되었습니다. CdTe 및 CIGS와 같은 박막 기술은 흡수단이 여전히 이 범위 내에 있지만, 단파장 응답도가 더 잘 포착되기 때문에 2020년에 300~1200 nm로 확장된 평가 범위의 이점을 누립니다(IEC 60904-9:2020).

확장된 범위조차도 페로브스카이트-실리콘 탠덤 셀과 III-V 다중접합 셀에는 충분하지 않습니다. III-V 다중접합 셀은 최대 1800 nm에 이르는 흡수 대역폭을 가집니다. 탠덤 셀에는 구조적 특이점이 하나 더 있습니다: 서브셀들이 직렬로 연결되어 있어, 광전류가 가장 낮은 서브셀이 전체 셀 전류를 제한합니다(전류 정합 조건). 시험 광원의 분광 편차는 여기서 전체 곡선에 걸쳐 균일한 오차로 작용하는 것이 아니라, 어느 서브셀이 제한 요소가 되는지를 바꾸어 놓습니다 - 그 결과 자연광 아래에서는 발생하지 않는 조사(照射) 상황에 해당하는 특성 곡선이 나타납니다. 이러한 이유로 탠덤 셀의 특성화에는 시뮬레이터 스펙트럼의 분광 조정이 필요하며, 이때 각 서브셀은 기준 조건에서 발생시킬 광전류에 맞추어 개별적으로 조정됩니다(Chojniak et al., 2024).

분광 불일치 계수 M은 시뮬레이터 스펙트럼, 기준 스펙트럼 그리고 기준 셀과 시험 셀의 분광 반응도가 서로 어긋날 때 발생하는 계통 오차를 보정합니다. 이는 ASTM E948 및 IEC 60904-7에 규범적으로 정의되어 있습니다:

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 ]

여기서 E_ref(λ)는 기준 분광 스펙트럼(일반적으로 AM1.5G)이며, E_sim(λ)는 시료 평면에서 태양광 시뮬레이터의 실제 스펙트럼이고, S_ref(λ)는 기준 셀의 상대 분광 반응도, S_t(λ)는 시험 셀의 상대 분광 반응도입니다. 이 식에는 상대적인 분광 형상만 포함되므로 절대 교정 계수는 상쇄되며, 곡선의 형상만이 중요합니다. 표준 시험 조건(Standard Test Conditions)에서 시험 셀의 M 보정 단락전류는 시뮬레이터 하에서 측정된 전류를 M으로 나누어 구합니다(ASTM E948).

적용을 위해서는 시뮬레이터 스펙트럼과 두 셀의 반응도가 관련 파장 범위에 걸쳐 충분한 분광 분해능으로 알려져 있어야 하며, 분광 반응도의 측정 불확도는 M의 불확도에 직접적으로 반영됩니다. 모델의 한계: 결정질 기준 셀에 대한 박막 셀처럼 분광 반응도가 크게 다르고 특히 구조가 뚜렷한 두 셀의 경우, M은 1에서 뚜렷하게 벗어날 수 있으며 동시에 광원의 작은 분광 변화에 더 민감해집니다. 체계적인 불확도 분석 결과, 불일치 계수의 합성 불확도는 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 입력 스펙트럼의 불확도로부터 도출할 수 있으며, 개별 불확도 기여분이 분광적으로 얼마나 강하게 상관되어 있는지에 크게 좌우되는 것으로 나타났습니다. 가정된 상관 정도에 따라 M의 확장 불확도는 0.06~1.26%의 범위였습니다(Maham, Kärhä & Ikonen, 2023). M은 고정된 기기 상수가 아니라 시뮬레이터, 기준 셀, 시험 셀의 모든 조합에 대해 새로 결정되어야 하며, 그 불확도는 교정 결과에 명시되어야 합니다.

가정. 분광 감응도가 알려진 결정질 실리콘 기준 셀을 사용하여 A등급 제논 태양광 시뮬레이터의 강도를 설정합니다. 시험 대상은 CIGS 박막 셀이며, 그 분광 감응도는 단파장 영역(400~600 nm)에서는 실리콘보다 높고 900 nm 이상에서는 더 낮습니다 - 이는 박막 기술에서 전형적으로 나타나며 문헌에도 반복적으로 기록된 패턴입니다.

모델. M은 위의 정의에 따라 네 개의 분광 적분값으로부터 산출됩니다.

계산(정성적, 공개된 크기 자릿수에 기초). 제논 스펙트럼이 고유 방출선으로 인해 800 nm 이상에서 AM1.5G 기준 스펙트럼과 수 퍼센트 차이가 날 경우, 이는 실리콘 기준 셀보다 CIGS 시험 셀에 더 크게 영향을 미치는데, 이는 이 분광 영역에서 두 셀의 상대적 가중치가 다르기 때문입니다. 기준 셀 교정의 계통적 불확도 연구에서는 분광적으로 상이한 셀 쌍의 경우 수 퍼센트 수준의 보정 계수와, 1% 미만에서 수 퍼센트에 이르는 분광 민감 불확도 기여분이 문서화되어 있습니다(Hohl-Ebinger & Warta, 2011).

해석. 따라서 보정되지 않은 효율 값은 곡선의 형태에서는 드러나지 않으면서도 체계적으로 지나치게 높거나 낮게 나타날 수 있으며, 그럼에도 타당해 보일 수 있습니다. 신뢰할 수 있는 효율 수치를 얻으려면, 분광 분해된 시뮬레이터 측정과 알려진 셀 감응도를 결합하는 것은 선택적인 추가 측정이 아니라 실제 곡선 측정의 일부입니다.

IEC 60904-9(독일에서는 DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9로 채택됨)에 따라 국제적으로 통일된 태양광 시뮬레이터 등급 분류는 세 가지 특성값을 서로 독립적으로 평가하며, 분광 일치도 - 공간 불균일도 - 시간 불안정도의 순서로 명명됩니다. 예를 들어 "class AAA" 또는 "class A+A+A+"와 같이 표기합니다:

출처: IEC 60904-9:2020.

2020년 개정판에서는 아직 등급 분류에는 사용되지 않는 두 가지 선택적 지표, 즉 분광 커버리지(SPC)와 분광 편차(SPD)가 추가로 도입되었습니다. SPC는 시뮬레이터의 복사조도가 AM1.5G 기준값의 10퍼센트 이상에 도달하는 300~1200 nm 사이 스펙트럼의 비율을 나타내며, SPD는 전체 구간에 걸친 분광 오차의 절대값을 합산한 값입니다. 이 두 지표가 도입된 이유는 앞 절에서 설명한 단순한 구간(bin) 분류 방식만으로는 스펙트럼에 공백이 있지만 "편의적으로 배치된" LED 시뮬레이터와 실제로 스펙트럼을 연속적으로 재현하는 시뮬레이터를 신뢰성 있게 구별할 수 없기 때문입니다.

위 절의 등급표는 허용 편차를 제시하지만 무엇으로부터의 편차인지는 알려주지 않습니다. 그 답은 다음과 같습니다. AM1.5G 기준 스펙트럼은 6개의 구간으로 나뉘며, 전체 복사조도에 대한 각 구간의 비율이 정해져 있고, 등급은 이 6개 비율의 평균이 아니라 가장 나쁜 값에 따라 결정됩니다. 오른쪽 열은 백분율 허용 오차를 절대 비율로 환산한 것이며, 등급 B(60~140%)는 가독성을 위해 생략되었습니다.

등급만으로는 알 수 없는 세 가지 사실이 있습니다.

• 단 하나의 구간이 결정합니다. 6개 구간 중 5개에서 95퍼센트, 나머지 하나에서 130퍼센트인 시뮬레이터는 등급 B이며, 이는 모든 구간에서 130퍼센트인 시뮬레이터보다 나을 것이 없습니다. 등급은 최저 기준일 뿐 성적표가 아닙니다.
• 400 nm 이하는 A, B, C 등급에서 평가되지 않습니다. 이 세 등급의 평가 범위는 400 nm에서 시작합니다. 시뮬레이터가 등급 A이면서도 자외선 영역에서 너무 적거나 너무 많은 양을 낼 수 있습니다 - 실리콘 I-V 측정에는 무관하지만, 노화, 황변 또는 봉지재에 관한 어떠한 진술에는 그렇지 않습니다. 오직 A+ 등급만 300 nm부터 평가합니다.
• 비율의 합은 100퍼센트입니다. 한 구간에서 너무 많으면 필연적으로 다른 구간에서는 너무 적게 됩니다. 따라서 LED 시뮬레이터는 개별 채널을 올린다고 해서 개선될 수 없습니다 - 등급은 스펙트럼의 높이가 아니라 형태를 평가하기 때문입니다.

AM1.5G 기준 스펙트럼에 대한 비율은 IEC 60904-9에 따른 것이며, 기준이 되는 것은 해당 표준의 최신판입니다.

A등급 태양광 시뮬레이터는 400~1100 nm 사이의 태양광 스펙트럼을 재현합니다. 이는 실리콘 셀이 전류를 발생시키는 범위입니다. I-V 측정에는 정확히 맞는 범위입니다. 그러나 모듈이 얼마나 오래 지속되는지에 대한 질문에는 잘못된 파장 범위입니다: 봉지재의 황변, 박리, 백시트의 분화(chalking) 및 에지실의 파손은 UV, 특히 400 nm 이하에서 유발됩니다 - 이는 A, B, C 등급 분류에서는 전혀 다루지 않는 영역입니다.

모듈 표준은 이러한 이유로 두 가지를 구분합니다. IEC 61215는 280~400 nm 범위에서 15 kWh/m²의 UV 전처리를 요구하며, 이 중 최소 5 kWh/m²는 280~320 nm 사이여야 합니다. 모듈 온도 60 ± 5 °C에서, 모듈이 열순환 및 고온고습-동결 시퀀스에 들어가기 전에 이루어져야 합니다. 어떤 태양광 시뮬레이터도 이러한 전처리를 만들어낼 수 없습니다. 이를 위해 제작된 램프를 갖춘 UV 시험 챔버만이 가능합니다.

바로 이 지점에 Opsytec의 조사 챔버가 자리하고 있습니다:

• BS-04 - UVA-351, UVB-313, UVC 간 전환이 가능한 대형 UV 시험 챔버입니다. 여기서 핵심은 전환 가능성입니다: UVB에서의 5 kWh/m²는 UVA 전용 램프로는 도달할 수 없습니다.
• BS-05 - 시료 면적 전체에서 높은 균일도를 갖춘 노화 및 광안정성용 UV 시험 챔버입니다. 조사량은 수 주에 걸쳐 누적되므로, 불균일성은 결과에 그대로 반영됩니다: 면적 전체에서 10퍼센트의 편차는 최종적으로 10퍼센트의 조사량 차이를 의미하며, 평균화되어 사라지는 잡음이 아닙니다.

두 챔버 모두 UV-MAT를 통해 조사량 제어 방식으로 운전됩니다 - 시험은 며칠이라는 일수가 아니라 kWh/m² 단위로 도달한 조사량에서 종료됩니다. 이것이 요구값을 실제로 입증하는 시험과 단지 추정하는 시험의 차이입니다: 램프는 노화되며, 6주 동안 일정하다고 가정된 복사조도는 실제로 일정한 것이 아닙니다.

셀 및 모듈 제조. 산업 생산에서 플래시 테스터는 모의 조사(照射) 하에 측정된 성능을 기준으로 모듈을 출력 등급별로 분류합니다. 여기서 가장 중요한 것은 짧은 플래시 지속 시간 동안의 시간적 안정성이며, 처리량과 재현성은 플래시의 반복 정밀도에 직접적으로 좌우되기 때문입니다.

연구 개발. 대학 및 연구기관 실험실에서는 - 예를 들어 새로운 흡수체 재료를 개발할 때 - 스펙트럼적으로 유연한 시뮬레이터가 필요하며, 이는 흔히 연속적으로 작동합니다. 페로브스카이트-실리콘 탠덤과 같은 새로운 셀 구조는 준안정 효과를 파악하기 위해 정의된 정상 상태 조사 하에서 특성을 평가해야 하기 때문입니다. 여기서 결정적인 공정 파라미터는 각 서브셀에 대한 스펙트럼 조정 가능성입니다.

공인 교정 및 인증 기관. 제조사와 독립적인 효율 검증을 위해서는 소급성이 확보된 기준 셀과 시뮬레이터 광원에 대한 스펙트럼 분해 특성 평가 문서가 필요합니다. 여기서 결정적인 공정 파라미터는 교정 증명서에 기재되어야 하는 분광 불일치 계수의 측정 불확도입니다.

우주용 태양광 발전. 위성 및 우주선용 셀의 경우 기준은 AM1.5G가 아니라 지구 대기권 외의 AM0 스펙트럼이며, 복사조도는 약 1367 W/m²이고 단파장 성분이 AM1.5G보다 강합니다. 지구 대기가 더 이상 스펙트럼을 필터링하지 않기 때문입니다. 여기서 결정적인 것은 UV 및 청색 영역에서의 스펙트럼 일치도입니다.

집광형 태양광 발전(CPV). 태양광을 광학적으로 집광하는 시스템은 수백 배에서 수천 배의 "suns"에 이르는 높은 복사조도를 가진 시뮬레이터를 필요로 합니다. 여기서 결정적인 공정 파라미터는 강하게 집중된 광점의 균일성이며, 높은 집광도에서는 불균일성이 국부적인 열적 및 전기적 효과로 불균형하게 전환되기 때문입니다.

재료 노화 및 봉지재. 전기적 성능 테스트와 인접한 분야로 봉지재 필름, 접착제, 백시트 재료 및 반사방지 코팅에 대한 UV 조사(照射) 하의 가속 노화 시험이 있습니다. 여기서 중요한 것은 전기적 수율이 아니라 광화학적 효과입니다 - 자세한 배경은 자외선 노화, 색상 견뢰도 및 광안정성을 참조하십시오.

탠덤 및 다중접합 태양전지는 일반적으로 수십 개의 독립적으로 제어 가능한 분광 채널을 갖춘 다중 광원 시뮬레이터를 필요로 합니다. 프라운호퍼 태양광에너지시스템연구소(Fraunhofer ISE)에서 페로브스카이트-실리콘 탠덤 모듈용으로 제작한 시스템은 40개의 광원에 걸쳐 28개의 분광 조절 가능한 광 채널을 결합하며, 총 18,400개의 LED가 320~1650 nm의 파장 범위를 포괄하고, 추가로 다양한 시각 및 지역별 스펙트럼을 시뮬레이션할 수 있습니다(Fraunhofer ISE, 2023).

양면 모듈은 전면과 후면 모두에 대한 제어된 조사(照射)를 필요로 하는데, 이는 실제 현장에서의 추가적인 후면 발전량이 확산광 및 반사광에 좌우되기 때문입니다. 기술사양서 IEC TS 60904-1-2에는 자연광 및 모의 조사 조건 모두에서 양면 셀 및 모듈의 특성 곡선을 측정하는 절차가 기술되어 있습니다.

불안정한 소재(페로브스카이트). 실리콘 제조 분야의 전형적인 플래시 시뮬레이터는 페로브스카이트 기반 셀에는 그대로 사용할 수 없는데, 짧은 플래시 지속시간으로는 이 소재군 특유의 광유도 준안정 거동을 포착하기에 충분하지 않기 때문입니다. 정해진 기간 동안 안정화된 출력 측정과 함께 연속 조명 하에서의 특성화가 필요하며, 국제 연구 컨소시엄이 합의한 절차에서는 광원의 분광 특성을 문서화한 상태에서 800~1000 W/m²의 광강도를 사용할 것을 권고하고 있습니다(Khenkin et al., 2020).

집광 조사. CPV 시스템의 경우, 균질화 로드와 시준 광학계를 갖춘 연속형 제논 시뮬레이터, 또는 피시험 장치에 열적 과부하를 가하지 않으면서 순간적으로 수백 배의 태양광 강도를 만들어내는 펄스형 고광속 장치가 사용됩니다.

모든 태양광 시뮬레이터 특성 평가의 출발점은 어떤 측정 기기가 마침 사용 가능한가가 아니라, 해당 응용 분야에서 실제로 의미 있는 측정량이 무엇인가라는 질문입니다. 일상적인 생산 공정에서 순수한 강도 모니터링을 위해서는, 광원 스펙트럼이 알려져 있고 안정적이라는 전제하에 시료 평면에서 교정된 실리콘 또는 열전퇴 센서를 이용한 광대역 복사 측정으로 충분한 경우가 많습니다. 태양광 시뮬레이터를 새로 가동하거나, 램프 교체 후 재검증하거나, 인증에 사용하는 경우에는 분광 분해 측정이 필요해집니다. 이는 IEC 60904-9에 따른 등급 분류 및 분광 불일치 계수 산출을 가능하게 하는 유일한 방법이기 때문입니다.

시험 면적이 광원의 균일성 영역에 비해 클 경우, 예를 들어 개별 셀이 아닌 전체 모듈을 대상으로 하는 경우 공간적 측정이 필요해지며, 해당 표준은 정의된 최소 개수의 위치에서 격자 측정을 요구합니다. 시간 분해 측정은 펄스 광원이나 열적 예열 과정에 의존하는 광원의 경우 필수적입니다. 측정 구간 동안 강도, 그리고 경우에 따라 스펙트럼까지 변할 수 있기 때문입니다.

자동화된 생산 라인에서 태양광 시뮬레이터는 대개 인라인 플래시 테스터의 일부로서, 라미네이션 후 짧은 광 펄스로 모든 모듈을 시험하고 측정된 곡선을 기반으로 자동으로 출력 등급으로 분류합니다. 기술적으로 중요한 것은 단순한 네트워크 연결성이 아니라, 수천 번의 시험 주기에 걸쳐 광원의 분광적 및 강도 관련 안정성을 모니터링해야 한다는 점입니다. 램프 노화, 광학 소자의 오염, 열적 드리프트는 장비의 외관상으로는 드러나지 않으면서도 유효 복사조도를 서서히 변화시킵니다.

따라서 생산 지향적인 모니터링 개념은 더 긴 간격으로 수행하는 완전한 분광 기준 측정과, 전체 교정 주기 사이에 고정된 파장 범위에서 연속적으로 수행하는 광대역 제어 측정을 결합합니다. 이를 통해 매번의 시험 주기마다 시간이 많이 소요되는 완전한 분광 측정을 수행하지 않고도, 점진적인 분광 이동을 조기에 감지할 수 있습니다. 이러한 제어 측정을 설비 제어 시스템에 통합하면, 잘못 분류된 모듈로 나타나기 전에 저장된 기준 스펙트럼으로부터의 편차를 자동으로 감지할 수 있습니다.

이러한 각 측정에 대해서는 측정 불확도를 명시적으로 고려해야 합니다. 이는 센서의 교정 불확도, 기준 스펙트럼에 대한 센서 자체의 분광 불일치, 그리고 산출된 효율 값의 경우 불일치 계수의 불확도를 포함합니다. 사용된 측정 기기가 국가 또는 국제 표준에 대해 측정 소급성을 갖는 것은, 서로 다른 시험소들이 애초에 비교 가능한 값을 보고할 수 있기 위한 전제 조건입니다.

다음 논문은 탠덤 태양전지를 위해 LED 기반 다중 광원 시뮬레이터의 스펙트럼을 정밀하게 조정하는 방법을 개발하였으며, 이에 따라 페로브스카이트-실리콘 모듈의 측정 기술과 직접적으로 관련이 있습니다:

"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.

이 연구는 관련 스펙트럼들의 불확도로부터 몬테카를로 방법을 이용하여 분광 부정합 인자의 불확도를 계산하는 방법을 체계적으로 조사하며, 교정 불확도 예산에 대한 정량적 기반을 제공합니다:

"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.

다음의 자주 인용되는 기초 연구는 표준시험조건(STC)에서 분광 부정합 인자의 불확도를 최초로 체계적으로 다룬 것으로, 오늘날까지도 교정기관들에게 방법론적 기준 자료로 활용되고 있습니다:

"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.

이 국제적으로 합의된 포지션 페이퍼는 페로브스카이트 태양전지의 안정성 시험을 위한 측정 및 보고 프로토콜을 정의하며, 특히 단시간 플래시 측정 대신 연속적이며 분광적으로 문서화된 조사(照射)가 필요함을 뒷받침합니다:

"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.

태양광 발전 분야는 모듈 봉지재의 자외선 노화부터 셀 층의 자외선 처리, 우주비행용 태양전지 어레이 시험에 이르기까지 당사 고객 발표 자료에서도 여러 측면으로 등장합니다.

세계에서 가장 자외선 강도가 높은 모듈 노화 시험장 중 하나인 아타카마 사막에서 태양광 모듈용 봉지재 4종을 자외선 조사(照射) 하에서 비교합니다.
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.

실리콘 이종접합 셀의 패시베이션 접점에서 자외선에 의한 열화가 어떻게 진행되는지 조사합니다 - 이 페이지에서 분광적으로 구분되는 셀 기술로 명시적으로 언급한 사례입니다.
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).

페로브스카이트 태양전지의 층 선택적 어닐링을 위해 자외선 LED 조사(照射)를 의도적으로 사용하고 필요한 결정화 에너지를 결정합니다 - 자외선이 시험 방법일 뿐만 아니라 제조 도구로도 사용되는 사례입니다.
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.

유기 태양전지의 정밀 제어된 가속 광열화를 위한 전용 고복사조도 장치를 개발합니다 - 이 페이지에서 설명하는 집광형 태양광용 고광속 태양광 시뮬레이터와 방법론적으로 관련이 있습니다.
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.

ESA BepiColombo 임무의 태양전지 어레이용 재료를 고강도, 고온 조건에서 시험합니다 - 이 페이지의 응용 분야 섹션에서 설명하는 우주용 태양광 발전의 실제 사례입니다.
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.

관련 주제 분야의 추가 자료는 주제별로 정리된 고객 발표 자료에 모아져 있습니다.

발표 자료 검색기에는 당사가 알고 있는 모든 태양광 발전 관련 발표 자료가 기기, 분야 및 키워드로 검색 가능하도록 목록화되어 있습니다.

• IEC 60904-9:2020, Photovoltaic devices - Part 9: Solar simulator performance requirements (national: DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9); 추가로 IEC TS 60904-1-2:2024 (양면 모듈) 및 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

태양광 발전에서 솔라 시뮬레이터는 어떻게 작동합니까?
솔라 시뮬레이터는 정의된 기준 조건(일반적으로 AM1.5G, 1000 W/m², 셀 온도 25 °C)에서 태양광의 분광 복사조도를 재현합니다. 광원은 광학계, 필터 또는 LED 시스템의 경우 전자식 채널 제어를 통해 조정되어 복사조도의 스펙트럼, 공간 분포 및 시간 거동이 표준에서 정한 한계 내에 머무르도록 합니다.

광기전 시험에 적합한 파장 범위 또는 스펙트럼은 무엇입니까?
AM1.5G는 지상 응용을 위한 표준이며, AM0은 우주비행 응용을 위한 표준입니다. 관련 파장 범위는 셀 유형에 따라 다릅니다: 기존 실리콘의 경우 400~1100 nm, 박막 및 최신 실리콘 셀의 경우 300~1200 nm, III-V 다중접합 셀의 경우 최대 1800 nm까지입니다.

표준 시험 조건에는 어떤 복사조도가 필요합니까?
표준 시험 조건(STC)은 셀 온도 25 °C에서 1000 W/m² AM1.5G 복사조도를 규정합니다. 이 세 가지 값 - 스펙트럼, 강도, 온도 - 은 모두 함께 충족되어야 하며, 셋 중 하나라도 누락되면 측정 결과를 다른 측정과 비교할 수 없습니다.

클래스 AAA와 클래스 A+A+A+의 차이점은 무엇입니까?
두 등급 모두 IEC 60904-9에 따른 최고 등급 또는 확장된 등급을 나타냅니다. 클래스 AAA는 세 가지 기준(스펙트럼, 균일성, 안정성) 모두에서 클래스 A를 충족합니다. 클래스 A+는 2020년에 도입되었으며, 클래스 A보다 두 배 엄격한 허용오차를 요구하고, 300~1200 nm의 확장된 분광 범위에서 입증되어야 합니다.

램프 전력이 명목상 충분함에도 솔라 시뮬레이터가 잘못된 측정값을 산출하는 이유는 무엇입니까?
전기적 램프 전력과 시료 평면에서의 광학적 복사조도는 선형적으로 연결되어 있지 않으며, 노화, 필터 상태 및 온도가 전기-광학 효율을 변화시킵니다. 또한 광원 스펙트럼과 셀 응답도가 기준 조건과 편차를 보일 경우 분광 불일치 오차가 발생할 수 있으며, 이 오차는 강도와 무관하며 계산을 통해 보정되어야 합니다. 전기적 전력에서 전기-광학 효율을 거쳐 작용 지점에서의 측정량에 이르는 일반적인 유도 과정은 복사 측정량에서 설명되어 있습니다.

솔라 시뮬레이터의 분광 복사조도는 어떻게 측정합니까?
분광 특성화는 시료 평면에서 교정된 분광복사계로 수행되며, 공간 균일성을 확인하기 위한 시험 영역 전체의 격자 측정과, 펄스 광원의 경우 플래시 지속 시간 동안의 시간 분해 측정으로 보완됩니다.

탠덤 태양전지에 적합한 시뮬레이터 기술은 무엇입니까?
페로브스카이트-실리콘 탠덤 및 다중접합 태양전지는 독립적으로 제어 가능한 분광 채널을 갖춘 다중 광원 LED 시뮬레이터를 필요로 합니다. 각 서브셀이 개별적으로 기준 광전류에 맞춰 조정되어야 하기 때문입니다. 기존의 단일 또는 이중 램프 제논 시스템은 일반적으로 이러한 요구사항을 충족할 수 없습니다.

페로브스카이트 셀에 플래시 테스터의 스냅샷만으로 충분하지 않은 이유는 무엇입니까?
페로브스카이트 소재는 준안정적이며 광유도 거동을 보이는데, 이는 수 초에서 수 분 동안의 연속 조사(照射) 후에야 안정화됩니다. 밀리초 단위의 플래시는 과도 상태만을 포착하므로, 합의된 시험 프로토콜에서는 정상 상태 광원 하에서의 시간 분해 출력 측정을 요구합니다.

태양광의 재현을 제어하는 것은 여러 분야에서 필요합니다: 광 및 디스플레이 측정은 분광복사계 측정과 교정 체계를 공유하며, 전자 및 반도체 제조는 셀이 생산되는 공정을 제공하고, 광촉매 수소 생산은 효율을 비교할 수 있도록 동일한 AM1.5 조건을 사용합니다. 전체 내용은 UV 응용 분야 개요에서 확인할 수 있습니다.

공칭 등급 표시만으로는 태양광 시뮬레이터가 실제 운전 중에 얼마나 안정적이고 분광학적으로 균일한지 알기 어렵습니다. 셀, 모듈 또는 신소재의 신뢰할 수 있는 효율 수치가 필요한 분은 시료 평면에서의 분광 특성 분석과 이에 사용되는 계측기의 소급성 있는 교정을 피할 수 없습니다. 태양광 시뮬레이터 및 전천 일사량의 분광 특성 분석을 위해서는 SR900을, 전체 교정 주기 사이 특정 파장 범위의 연속 모니터링을 위해서는 RMD Pro를, 봉지재의 제어된 자외선(UV) 조사(照射) 시험을 위해서는 UV-MAT를 통한 조사량 제어 운전이 가능한 조사 챔버를 이용하실 수 있습니다. 귀사의 시험 요구 사항에 대해 문의하여 주시기 바랍니다.