Zonnesimulatoren in fotovoltaïsche toepassingen: grondbeginselen en meettechniek

Een zonnecel is geen universele lichtmeter maar een spectraal selectieve omvormer: hij geeft geen antwoord op de vraag hoeveel straling erop valt, maar welke straling. Een zonnesimulator moet daarom meer opleveren dan een totale bestralingssterkte van 1000 W/m² - hij moet een spectrale verdeling reproduceren die voldoende overeenkomt met het gestandaardiseerde referentiespectrum AM1.5G. De centrale uitdaging is dat afwijkingen optreden langs drie onafhankelijke dimensies - spectrale overeenkomst, ruimtelijke uniformiteit en temporele stabiliteit - die elkaar niet compenseren. Alleen de gestandaardiseerde classificatie van deze drie grootheden volgens IEC 60904-9 maakt rendementsmetingen aan zonnecellen en modules vergelijkbaar tussen laboratoria, fabrikanten en certificeringsinstanties.

Fotovoltaïsche energie werd in 2025 voor het eerst 's werelds grootste geïnstalleerde technologie voor elektriciteitsopwekking: wereldwijd kwam er voor het eerst meer dan 600 gigawatt bij, het cumulatieve vermogen bereikte ongeveer 2.800 gigawatt, en zonne-energie was verantwoordelijk voor meer dan driekwart van het nieuwe hernieuwbare opwekkingsvermogen in de wereld, volgens het Global Energy Review 2026 van het International Energy Agency (IEA, 2026). Voor test- en meettechniek gaat het relevante verhaal niet om het volume, maar om de technologische diversificatie erachter: naast kristallijn silicium raken heterojunctiecellen, dunnefilmsystemen op basis van CdTe en CIGS, en perovskiet-siliciumtandemcellen ingeburgerd, samen met een groeiend aandeel bifaciale modules.

Het technische gevolg volgt een duidelijke keten: een groeiende moduledeversiteit en hogere celrendementen verhogen de gevoeligheid van testresultaten voor spectrale afwijkingen van de testbron. Elke extra materiaalklasse - dunnefilm, bifaciaal, tandem - brengt zijn eigen spectrale gevoeligheidscurve met zich mee, wat de foutmarge die een zonnesimulator zich kan permitteren, effectief verkleint in vergelijking met de eenvoudigere monokristallijne siliciumcellen uit de jaren 1980, waarvoor de oorspronkelijke normen werden ontworpen.

Vijf ontwikkelingen veranderen de meettaak bij zonnesimulatie:

• Overgang van gasontladingslampen naar LED-technologie. LED-simulatoren vervangen in toenemende mate xenon- en metaalhalidesystemen, omdat ze een langere levensduur, minder onderhoud en spectrale vormgeving bieden die elektrisch in plaats van optisch instelbaar is. Het resultaat is een verschuiving van de testfocus van filteroptiek naar elektronische kanaalregeling en op software gebaseerde spectrale kalibratie van individuele LED-groepen.
• Introductie van de A+-klasse en optionele spectrale kengetallen. IEC 60904-9:2020 verdubbelde de beoordelingsstrengheid en introduceerde SPC/SPD, een instrument dat specifiek de formele haalbaarheid van binclassificatie door LED-spectra met hiaten tegengaat. Dit leidt tot een toenemende documentatie-inspanning voor fabrikanten van apparatuur, die steeds vaker niet alleen een klasseaanduiding, maar ook dekkings- en afwijkingswaarden transparant moeten vermelden.
• Multibronsystemen voor tandemtechnologieën. Met de marktintroductie van perovskiet-siliciumtandemmodules ontstaan simulatoren met enkele tientallen onafhankelijk regelbare spectrale kanalen en uitgebreide golflengtebereiken tot boven 1600 nanometer. Dit leidt tot een nauwere koppeling tussen simulatorkalibratie en celkarakterisering, omdat de spectrale instelling voor elke subcel afzonderlijk moet worden bepaald.
• Testprocedures voor bifaciale modules. De technische specificatie IEC TS 60904-1-2 formaliseert procedures voor het meten van bifaciale modules onder gesimuleerde en natuurlijke bestraling. Dit brengt een extra sensorbehoefte voor bestraling van de achterzijde met zich mee, en een groeiende behoefte aan testopstellingen die beide modulezijden gecontroleerd en gelijktijdig kunnen verlichten.
• Gestabiliseerde vermogensprotocollen voor instabiele materialen. Voor perovskiet en andere metastabiele celtechnologieën raken consensustestprotocollen met continue verlichting en tijdsopgeloste vermogensstabilisatie ingeburgerd. Het gevolg is een verschuiving van de zuivere momentopname van klassieke flitsmeting naar een vermogenscurve die over minuten tot uren wordt gedocumenteerd.

Marktomvang, groeicijfers en bronnen voor dit toepassingsgebied zijn samengevat op de pagina Marktontwikkeling van UV-technologie.

Een zonnesimulator produceert kunstlicht dat de spectrale bestralingssterkte van natuurlijk zonlicht onder gedefinieerde atmosferische omstandigheden reproduceert. De referentiegrootheid is het AM1.5G-spectrum (Air Mass 1.5, Global), een spectrum dat rekenkundig is afgeleid van een atmosferisch model dat Midden-Europese tot Noord-Amerikaanse breedtegraden vertegenwoordigt bij een zonshoek van 48,2° en genormaliseerd is op een geïntegreerde bestralingssterkte van 1000,4 W/m² (ASTM G173-03). Een lichtbron - meestal een gasontladingslamp of een combinatie van veel LED's - wordt via optiek, filters en besturingselektronica zodanig vormgegeven dat intensiteit, spectrum en uniformiteit in het monstervlak zo dicht mogelijk bij dit referentiespectrum komen.

Fysisch gezien is van belang dat een zonnecel niet zelf de bestralingssterkte integreert, maar het product van de spectrale bestralingssterkte en de golflengteafhankelijke spectrale gevoeligheid van de cel. Twee lichtbronnen met identieke totale bestralingssterkte maar verschillende spectra leveren verschillende fotostromen op bij dezelfde cel. Een zonnesimulator wordt daarom niet gekalibreerd bij de lampuitgang, maar in het vlak van het monster, met behulp van een metrologisch herleidbaar gekalibreerde referentiezonnecel of een spectroradiometer.

Gasontladingslampen waren historisch gezien dominant omdat ze, toen de eerste relevante norm ASTM E927 (1979) werd opgesteld, de enige beschikbare bronnen waren met een voldoende zonachtig breedbandspectrum (ASTM E927-19). Al ongeveer twee decennia zetten op LED gebaseerde systemen zich steeds meer door en verdringen ze de traditionele xenontechnologie in productielijnen en laboratoria.

Vanwege hun natuurlijke breedbandkarakteristiek blijven xenonlampen wijdverbreid in grootschalige moduleproductie, maar ze vereisen regelmatige bijstelling door middel van spectrale filtering, aangezien hun emissielijnen, met name boven 800 nm, de classificatie verslechteren (IEC 60904-9:2020). Bij vergelijkende metingen van de stroom-spanningscurven van pv-modules hebben LED-systemen prestaties laten zien die minstens gelijkwaardig zijn aan, en qua stabiliteit en spectrale flexibiliteit soms superieur zijn aan, xenonbronnen (Chojniak et al., 2024).

Een zonsimulator wordt niet beoordeeld op één enkel getal, maar op meerdere, onderling onafhankelijke fysische grootheden:

• Spectrale overeenstemming beschrijft hoe goed de bestralingssterkte van de simulator in gedefinieerde golflengte-intervallen overeenkomt met het AM1.5G-referentiespectrum. Dit is doorslaggevend omdat de gemeten fotostroom van een cel afhangt van de overlapintegraal van bronspectrum en celgevoeligheid - niet van het totale vermogen van de bron.
• Ruimtelijke niet-uniformiteit kwantificeert de variatie van de bestralingssterkte over het testoppervlak. Dit heeft vooral invloed op grote modules en in serie geschakelde celstrengen, omdat het zwakst belichte deelgebied de totale stroom kan beperken.
• Temporele instabiliteit beschrijft variaties in de bestralingssterkte tijdens de meting. Bij gepulseerde simulatoren is dit bijzonder kritisch, omdat het lampspectrum en de intensiteit tijdens het oplopen en afvallen van de flitsbuis voortdurend veranderen.
• Totale bestralingssterkte moet worden ingesteld op de referentiewaarde van 1000 W/m², omdat de karakteristieke curve van een zonnecel niet-lineair afhangt van de bestralingssterkte; een afwijking beïnvloedt niet alle curveparameters proportioneel.
• Celtemperatuur is vastgelegd als derde coördinaat van de Standard Test Conditions (STC), naast spectrum en intensiteit (25 °C). Het rendement van kristallijn silicium cellen daalt doorgaans met 0,3 tot 0,5 procentpunt per kelvin temperatuurstijging, waardoor onvoldoende temperatuurregeling de meetresultaten vertekent zonder dat dit in het spectrum zichtbaar is.
• Spectrale gevoeligheid van de referentie- en testcel bepaalt samen met het bronspectrum de spectrale mismatchfactor (zie de sectie hieronder). Dit is geen vaste eigenschap van een celtype, maar hangt af van laagstructuur, inkapseling en verouderingstoestand.

Het meest voorkomende misverstand in de praktijk is het gelijkstellen van het elektrische lampvermogen aan de optische bestralingssterkte. Deze twee grootheden zijn niet lineair aan elkaar gekoppeld: de elektro-optische efficiëntie van een lamp verandert met de bedrijfstijd, veroudering, filtertoestand en temperatuur, zodat een nominaal constant elektrisch vermogen kan leiden tot een driftende optische bestralingssterkte. Evenzo is een bestralingstijd op zichzelf niet zinvol, tenzij duidelijk is op welke bestralingssterkte deze betrekking heeft - een "bestralingsduur" zonder bijbehorende dosis of intensiteitswaarde is technisch onvolledig.

Een tweede veelvoorkomende fout is het meten buiten het feitelijke monstervlak. Een aflezing bij de lampuitgang of bij een vaste referentiesensor buiten het testveld beschrijft de bron, niet de daadwerkelijke bestraling van het te testen apparaat; verschillen in optische padlengte, strooilicht en vignettering kunnen afwijkingen van enkele procenten veroorzaken die bij de sensor niet zichtbaar zijn.

Ten derde wordt de schijnbare formele vervulling van een classificatie vaak overschat. De IEC 60904-9-classificatie beoordeelt de bestralingssterkte in zes tot twaalf brede spectrale bins; binnen een bin is niet vastgelegd waar in dat interval de vereiste intensiteit zich precies bevindt. Een LED-simulator kan daardoor formeel klasse A of A+ bereiken, ook al bestaat het spectrum uit smalle pieken die door spectrale hiaten van elkaar gescheiden zijn. Vergelijkende evaluaties tonen dat reële commerciële systemen slechts 65 tot 79 procent spectrale dekking bereiken, terwijl ze tegelijkertijd een hoge formele klassebeoordeling behalen (IEC 60904-9:2020). Voor cellen met een brede, continue spectrale gevoeligheid - bijvoorbeeld dunnefilm- of multi-junctioncellen - is een dergelijk hiaat technisch relevanter dan voor een nauw gevoelige referentiecel.

Ten vierde is de referentieceltmethode, waarbij de intensiteit van de simulator wordt afgestemd op de gekalibreerde kortsluitstroom van een referentiecel, alleen geldig onder beperkende voorwaarden: deze wordt alleen correct overgedragen naar de testcel als referentie- en testcel dezelfde spectrale gevoeligheid hebben, of als het spectrum van de simulator exact overeenkomt met het referentiespectrum. Geen van beide is in de praktijk ooit volledig vervuld; de resulterende systematische fout wordt spectrale mismatch genoemd en moet rekenkundig worden gecorrigeerd, niet weggekalibreerd (ASTM E948).

Ten vijfde zijn veel kenmerkende waarden alleen geldig onder de aanname dat het te testen apparaat en zijn omgeving zich in thermisch en elektrisch evenwicht bevinden. Bij gepulste xenonsimulatoren met flitsduren in het millisecondebereik is er vaak niet genoeg tijd voor capacitieve effecten in grootschalige modules, of voor het transiënte, door licht geïnduceerde gedrag van onstabiele materialen zoals perovskiet, om volledig tot rust te komen - de gemeten curve beschrijft dan een transiënte toestand, geen stabiel werkpunt.

De spectrale gevoeligheid van een zonnecel is geen universele grootheid; ze wordt bepaald door de bandafstand, laagdikte en optische verliezen van het betreffende absorbermateriaal. Kristallijn silicium absorbeert ongeveer tussen 400 en 1100 nanometer; de oorspronkelijke spectrale intervallen van ASTM E927 en de vroege edities van IEC 60904-9 waren precies voor dit bereik gedefinieerd. Dunnefilmtechnologieën zoals CdTe en CIGS hebben hun absorptierand nog binnen dit venster, maar profiteren van het in 2020 tot 300-1200 nanometer uitgebreide evaluatiebereik, omdat hun gevoeligheid bij korte golflengten daar beter wordt vastgelegd (IEC 60904-9:2020).

Zelfs het uitgebreide bereik is niet voldoende voor perovskiet-siliciumtandemcellen en III-V-multi-junctioncellen: III-V-multi-junctioncellen hebben absorptiebandbreedtes tot 1800 nanometer. Tandemcellen brengen een structurele bijzonderheid met zich mee: de subcellen zijn in serie geschakeld, zodat de subcel met de laagste fotostroom de totale celstroom begrenst (current-matching-voorwaarde). Een spectrale afwijking van de testbron werkt hier niet als een uniforme fout over de hele curve, maar verschuift welke subcel beperkend wordt - het resultaat is een karakteristieke curve die overeenkomt met een bestralingssituatie die onder natuurlijk zonlicht niet voorkomt. Daarom vereist de karakterisering van tandemcellen een spectrale aanpassing van het simulatorspectrum waarbij elke subcel specifiek wordt afgestemd op de fotostroom die deze onder referentieomstandigheden zou opwekken (Chojniak et al., 2024).

De spectrale mismatchfactor M corrigeert de systematische fout die ontstaat wanneer het spectrum van de simulator, het referentiespectrum en de spectrale gevoeligheden van de referentie- en testcel van elkaar afwijken. Hij wordt normatief gedefinieerd in ASTM E948 en 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 ]

Hierbij is E_ref(λ) het spectrale referentiespectrum (meestal AM1.5G), E_sim(λ) het werkelijke spectrum van de zonnesimulator in het monstervlak, S_ref(λ) de relatieve spectrale gevoeligheid van de referentiecel en S_t(λ) de relatieve spectrale gevoeligheid van de testcel. Omdat alleen relatieve spectrale vormen in de vergelijking voorkomen, vallen absolute kalibratiefactoren tegen elkaar weg; alleen de vorm van de curve is van belang. De M-gecorrigeerde kortsluitstroom van de testcel onder Standaard Testcondities wordt verkregen door de onder de simulator gemeten stroom te delen door M (ASTM E948).

Toepasbaarheid vereist dat zowel het spectrum van de simulator als beide celgevoeligheden met voldoende spectrale resolutie over het relevante golflengtebereik bekend zijn; meetonzekerheden in de spectrale gevoeligheid werken rechtstreeks door in de onzekerheid van M. Beperkingen van het model: bij twee cellen met sterk verschillende, in het bijzonder gestructureerde spectrale gevoeligheid - bijvoorbeeld een dunnefilmcel tegenover een kristallijne referentiecel - kan M merkbaar van 1 afwijken en is de factor tegelijkertijd gevoeliger voor kleine spectrale veranderingen van de bron. Een systematische onzekerheidsanalyse heeft aangetoond dat de gecombineerde onzekerheid van de mismatchfactor met behulp van Monte Carlo-simulatie kan worden afgeleid uit de onzekerheden van de invoerspectra, en sterk afhangt van de mate waarin de afzonderlijke onzekerheidsbijdragen spectraal gecorreleerd zijn: de uitgebreide onzekerheid van M lag, afhankelijk van de aangenomen mate van correlatie, tussen 0,06 en 1,26 procent (Maham, Kärhä & Ikonen, 2023). M is geen vaste instrumentconstante, maar moet voor elke combinatie van simulator, referentiecel en testcel opnieuw worden bepaald, en de bijbehorende onzekerheid moet in het kalibratieresultaat worden vermeld.

Uitgangspunten. Een kristallijnsiliciumreferentiecel met bekende spectrale gevoeligheid wordt gebruikt om de intensiteit van een klasse-A xenon-zonsimulator in te stellen. Een CIGS-dunnefilmcel moet worden getest; de spectrale gevoeligheid daarvan is hoger dan die van silicium in het kortegolflengtegebied (400–600 nm) en lager boven 900 nm - een patroon dat typisch is voor dunnefilmtechnologieën en herhaaldelijk in de literatuur is gedocumenteerd.

Model. M wordt gevormd uit de vier spectrale integralen volgens de definitie hierboven.

Berekening (kwalitatief, gebaseerd op gepubliceerde ordes van grootte). Als het xenonspectrum boven 800 nm door natuurlijke emissielijnen enkele procenten afwijkt van het AM1.5G-referentiespectrum, beïnvloedt dit de CIGS-testcel sterker dan de siliciumreferentiecel, omdat hun relatieve weging in dit spectrale gebied verschilt. Systematische onzekerheidsstudies van kalibraties van referentiecellen hebben correctiefactoren van enkele procenten gedocumenteerd, met spectraal gevoelige onzekerheidsbijdragen variërend van minder dan één tot enkele procenten, voor spectraal ongelijksoortige celparen (Hohl-Ebinger & Warta, 2011).

Interpretatie. Een ongecorrigeerde rendementswaarde kan daardoor plausibel lijken, terwijl deze systematisch te hoog of te laag is, zonder dat dit zichtbaar is in de vorm van de curve. Voor betrouwbare rendementscijfers is het combineren van een spectraal opgeloste simulatormeting met de bekende celgevoeligheid daarom geen optionele extra meting, maar onderdeel van de daadwerkelijke curvemeting.

De internationaal geharmoniseerde classificatie van zonnesimulatoren volgens IEC 60904-9 (in Duitsland overgenomen als DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9) beoordeelt drie kenmerkende waarden onafhankelijk van elkaar, genoemd in de volgorde spectrale overeenkomst - ruimtelijke non-uniformiteit - temporele instabiliteit, bijvoorbeeld als "klasse AAA" of "klasse A+A+A+":

Bron: IEC 60904-9:2020.

De editie van 2020 introduceerde bovendien twee optionele metrieken, die nog niet voor classificatie worden gebruikt: spectrale dekking (SPC) en spectrale afwijking (SPD). SPC geeft het aandeel van het spectrum tussen 300 en 1200 nm aan waarin de bestralingssterkte van de simulator ten minste 10 procent van de AM1.5G-referentiewaarde bereikt; SPD telt de absolute spectrale fouten over het gehele interval op. Beide metrieken zijn geïntroduceerd omdat pure binclassificatie - zoals beschreven in de voorgaande sectie - geen betrouwbaar onderscheid maakt tussen LED-simulatoren met een onderbroken maar "gunstig geplaatst" spectrum en simulatoren die het spectrum daadwerkelijk continu reproduceren.

De klassentabel in de sectie hierboven geeft de toegestane afwijking, maar niet waarvan. Hier is het antwoord: het AM1.5G-referentiespectrum is verdeeld in zes intervallen, het aandeel van de totale bestralingssterkte is voor elk vastgelegd, en de klasse volgt uit de slechtste van de zes verhoudingen – niet uit hun gemiddelde. De kolommen rechts zetten de procentuele toleranties om in absolute aandelen; klasse B (60–140 %) is weggelaten voor de leesbaarheid.

Hieruit volgen drie dingen die een klassenbeoordeling alleen niet laat zien:

• Eén interval is beslissend. Een simulator die in vijf intervallen op 95 procent zit en in het zesde op 130, is klasse B – niet beter dan een simulator die overal op 130 zit. De klasse is een minimum, geen cijfer.
• Onder 400 nm wordt niets beoordeeld voor A, B en C. Het evaluatiebereik van die drie klassen begint bij 400 nm. Een simulator kan klasse A zijn en in het UV veel te weinig of te veel leveren – irrelevant voor een I-V-meting op silicium, maar niet voor een uitspraak over veroudering, vergeling of inkapseling. Alleen A+ evalueert vanaf 300 nm.
• De aandelen samen zijn 100 procent. Te veel in één interval betekent noodzakelijkerwijs te weinig in een ander. Een LED-simulator kan daarom niet worden verbeterd door individuele kanalen hoger te zetten – de klassering beoordeelt de vorm van het spectrum, niet de hoogte ervan.

Aandelen volgens IEC 60904-9 voor het AM1.5G-referentiespectrum; bepalend is de actuele uitgave van de norm.

Een klasse A-zonnesimulator reproduceert het zonnespectrum tussen 400 en 1100 nm – het bereik waarin een siliciumcel stroom opwekt. Voor een I-V-meting is dat precies goed. Voor de vraag hoe lang de module meegaat, is het echter het verkeerde golflengtebereik: vergeling van het inkapselingsmateriaal, delaminatie, verpoedering van de backsheet en falen van de randafdichting worden veroorzaakt door UV, en vooral onder 400 nm – een gebied waar de classificatie in A, B of C helemaal niet naar kijkt.

De modulenorm maakt daarom onderscheid tussen beide. IEC 61215 vereist een UV-voorbehandeling van 15 kWh/m² in het bereik van 280 tot 400 nm, waarvan minstens 5 kWh/m² tussen 280 en 320 nm, bij een moduletemperatuur van 60 ± 5 °C – nog voordat de module aan de thermische cyclus- en vocht-vriessequentie wordt onderworpen. Geen zonnesimulator produceert deze voorbehandeling; een UV-testkamer met daarvoor ontwikkelde lampen doet dat wel.

Precies daar vinden de Opsytec-bestralingskamers hun plaats:

• BS-04 – grote UV-testkamer, omschakelbaar tussen UVA-351, UVB-313 en UVC. Die omschakelbaarheid is hier het punt: de 5 kWh/m² in het UVB-bereik kan niet worden bereikt met een lamp die uitsluitend UVA afgeeft.
• BS-05 – UV-testkamer voor veroudering en fotostabiliteit met hoge uniformiteit over het monsteroppervlak. Omdat een dosis zich over weken opbouwt, werkt elke onregelmatigheid rechtstreeks door in het resultaat: 10 procent afwijking over het oppervlak betekent 10 procent verschil in dosis aan het einde, geen ruis die uitmiddelt.

Beide werken dosisgestuurd via UV-MAT – de test eindigt bij een bereikte dosis in kWh/m², niet na een bepaald aantal dagen. Dat is het verschil tussen een test die de vereiste waarde aantoont en een test die deze schat: lampen verouderen, en een bestralingssterkte die over zes weken als constant wordt aangenomen, is dat niet.

Cel- en moduleproductie. In de industriële productie sorteren flashtesters modules in vermogensklassen op basis van hun prestaties, gemeten onder gesimuleerde bestraling. Hierbij is vooral de temporele stabiliteit tijdens de korte flitsduur van belang, omdat de doorvoer en reproduceerbaarheid direct afhangen van de herhaalbaarheid van de flits.

Onderzoek en ontwikkeling. Universitaire en institutionele laboratoria - bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van nieuwe absorbermaterialen - hebben behoefte aan spectraal flexibele simulatoren die vaak continu draaien, omdat nieuwe celconcepten zoals perovskiet-siliciumtandems moeten worden gekarakteriseerd onder gedefinieerd stationair licht om metastabiele effecten vast te leggen. De kritische procesparameter is de spectrale afstembaarheid op de betreffende subcel.

Geaccrediteerde kalibratie- en certificeringslaboratoria. Fabrikantonafhankelijke rendementsverificatie vereist herleidbare referentiecellen en een gedocumenteerde, spectraal opgeloste karakterisering van de simulatorbron. De kritische procesparameter is de meetonzekerheid van de spectral mismatch factor, die in het kalibratiecertificaat moet worden vermeld.

Ruimtevaartfotovoltaïsche toepassingen. Voor cellen van satellieten en ruimtevaartuigen geldt niet AM1.5G als referentie, maar het extraterrestrische AM0-spectrum, met een bestralingssterkte van circa 1367 W/m² en een sterkere kortegolfcomponent dan bij AM1.5G, omdat de aardatmosfeer het spectrum niet langer filtert. Doorslaggevend hierbij is de spectrale overeenkomst in het UV- en blauwe bereik.

Concentrator-fotovoltaïsche systemen (CPV). Systemen die zonlicht optisch concentreren, vereisen simulatoren met een hoge bestralingssterkte, van enkele honderden tot enkele duizenden "zonnen". De kritische procesparameter is de uniformiteit van de sterk gefocuste lichtvlek, omdat inhomogeniteiten bij hoge concentratie disproportioneel doorwerken in lokale thermische en elektrische effecten.

Materiaalveroudering en inkapseling. Naast de elektrische prestatietest is er de versnelde verouderingstest van inkapselingsfolies, lijmen, achterplaatmaterialen en antireflectiecoatings onder UV-bestraling. Hierbij gaat het niet om de elektrische opbrengst, maar om het fotochemische effect - zie de verdiepende achtergrond over UV-veroudering, kleurechtheid en fotostabiliteit voor meer informatie.

Tandem- en multi-junctionzonnecellen vereisen multisourcesimulatoren met doorgaans enkele tientallen onafhankelijk regelbare spectrale kanalen. Een systeem dat is ontwikkeld bij het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE voor perovskiet-siliciumtandemmodules combineert 28 spectraal instelbare lichtkanalen verdeeld over 40 lichtbronnen met in totaal 18.400 LED's over een golflengtebereik van 320 tot 1650 nanometer, en maakt het bovendien mogelijk verschillende tijdstippen van de dag en locatiespectra te simuleren (Fraunhofer ISE, 2023).

Bifaciale modules vereisen gecontroleerde bestraling van zowel de voor- als de achterzijde, omdat de extra opbrengst aan de achterzijde in het veld afhankelijk is van diffuse en gereflecteerde straling. De technische specificatie IEC TS 60904-1-2 beschrijft procedures voor het meten van de karakteristieke curven van bifaciale cellen en modules onder zowel natuurlijke als gesimuleerde bestraling.

Instabiele materialen (perovskiet). Klassieke flitssimulatoren uit de siliciumproductie kunnen niet zonder meer worden gebruikt voor op perovskiet gebaseerde cellen, omdat de korte flitsduur niet voldoende is om het lichtgeïnduceerde, metastabiele gedrag van deze materiaalklasse vast te leggen. Karakterisering onder continue verlichting met gestabiliseerde vermogensmeting over een gedefinieerde periode is vereist - een procedure die is overeengekomen door een internationaal onderzoeksconsortium adviseert onder andere lichtintensiteiten van 800 tot 1000 W/m² met gedocumenteerde spectrale kenmerken van de bron (Khenkin et al., 2020).

Geconcentreerde bestraling. Voor CPV-systemen worden continue xenonsimulatoren met een homogeniserende staaf en collimatieoptiek gebruikt, of gepulseerde high-fluxopstellingen die kortstondig enkele honderden zonnen genereren zonder het te testen apparaat thermisch te overbelasten.

Het uitgangspunt voor elke karakterisering van een zonnesimulator is de vraag welke meetgrootheid daadwerkelijk relevant is voor de betreffende toepassing - niet welk instrument nu eenmaal beschikbaar is. Voor zuivere intensiteitsbewaking in de dagelijkse productie is een breedbandige radiometrische meting met een gekalibreerde silicium- of thermopile-sensor in het monstervlak vaak voldoende, mits het spectrum van de bron bekend en stabiel is. Zodra een zonnesimulator nieuw in bedrijf wordt gesteld, na een lampwissel opnieuw wordt gekwalificeerd of wordt gebruikt voor certificering, is een spectraal oplossende meting noodzakelijk, omdat alleen daarmee classificatie volgens IEC 60904-9 en bepaling van de spectrale mismatchfactor mogelijk is.

Ruimtelijke metingen worden noodzakelijk zodra het testoppervlak groot is ten opzichte van de uniformiteitszone van de bron - bijvoorbeeld voor complete modules in plaats van individuele cellen; de norm vereist een rastermeting op een minimumaantal gedefinieerde posities. Tijdopgeloste metingen zijn onmisbaar bij gepulste bronnen of bronnen die afhankelijk zijn van een thermische opwarmfase, omdat de intensiteit en soms ook het spectrum tijdens het meetvenster kunnen veranderen.

In geautomatiseerde productielijnen maakt de zonnesimulator meestal deel uit van een inline flashtester, die na laminering elke module met een korte lichtpuls test en op basis van de gemeten curve automatisch in vermogensklassen sorteert. Technisch gezien is minder de zuivere netwerkconnectiviteit van belang dan de noodzaak om de spectrale en intensiteitsgerelateerde stabiliteit van de bron over duizenden testcycli te bewaken: lampveroudering, vervuiling van optische elementen en thermische drift veranderen geleidelijk de effectieve bestralingssterkte zonder dat dit aan de buitenkant van de apparatuur zichtbaar is.

Productiegerichte bewakingsconcepten combineren daarom een volledige spectrale referentiemeting op langere intervallen met een continue, breedbandige controlemeting binnen een vast golflengtebereik tussen volledige kalibratiecycli door. Zo kan een geleidelijke spectrale verschuiving vroeg worden vastgesteld, zonder dat bij elke afzonderlijke testcyclus een volledige, tijdrovende spectrale meting moet worden uitgevoerd. Door dergelijke controlemetingen te integreren in het besturingssysteem van de installatie kunnen afwijkingen van een opgeslagen referentiespectrum automatisch worden gedetecteerd voordat ze zich uiten in verkeerd geclassificeerde modules.

Voor elk van deze metingen moet de meetonzekerheid expliciet in beschouwing worden genomen: deze omvat de kalibratieonzekerheid van de sensor, de eigen spectrale mismatch van de sensor ten opzichte van het referentiespectrum en - voor afgeleide rendementswaarden - de onzekerheid van de mismatchfactor. Metrologische herleidbaarheid van de gebruikte meetapparatuur naar nationale of internationale normen is de voorwaarde om verschillende laboratoria überhaupt vergelijkbare waarden te laten rapporteren.

De volgende publicatie ontwikkelt een methode voor het nauwkeurig instellen van het spectrum van op LED gebaseerde multibronsimulatoren specifiek voor tandem-zonnecellen, en is daarom direct relevant voor de meettechniek van perovskiet-siliciummodules:

"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.

Dit werk onderzoekt systematisch hoe de onzekerheid van de spectrale mismatchfactor kan worden berekend uit de onzekerheden van de betrokken spectra met behulp van Monte Carlo-methoden, en biedt zo een kwantitatieve basis voor onzekerheidsbudgetten bij kalibratie:

"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.

Het volgende, veelvuldig geciteerde grondleggende werk was de eerste systematische behandeling van de onzekerheid van de spectrale mismatchfactor onder Standard Test Conditions en blijft vandaag de dag een methodologische referentie voor kalibratielaboratoria:

"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.

Dit internationaal overeengekomen standpuntdocument definieert meet- en rapportageprotocollen voor stabiliteitstests van perovskiet-zonnecellen en onderbouwt onder andere de noodzaak van continue, spectraal gedocumenteerde belichting in plaats van korte flitsmetingen:

"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.

Fotovoltaïsche toepassingen komen ook in meerdere facetten voor in onze eigen klantpublicaties - van UV-veroudering van moduleomhulling, via UV-verwerking van cellagen, tot het testen van zonnepanelen voor gebruik in de ruimtevaart.

Vergelijkt vier omhullingsmaterialen voor fotovoltaïsche modules onder UV-bestraling in de Atacamawoestijn - een van de meest UV-intensieve testvelden ter wereld voor moduleveroudering.
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.

Onderzoekt hoe UV-geïnduceerde degradatie ontstaat bij de passiverende contacten van silicium-heterojunctiecellen - een van de celtechnologieën die op deze pagina expliciet als spectraal onderscheiden klasse worden genoemd.
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).

Gebruikt UV-LED-bestraling doelbewust voor laagselectief annealen van perovskiet-zonnecellen en bepaalt de daarvoor benodigde kristallisatie-energie - een voorbeeld van UV als productiemiddel, niet alleen als testmethode.
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.

Ontwikkelt een speciale opstelling met hoge bestralingssterkte voor nauwkeurig gecontroleerde, versnelde fotodegradatie van organische zonnecellen - methodologisch verwant aan de zonnesimulatoren met hoge flux voor concentrator-fotovoltaïek die op deze pagina worden beschreven.
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.

Test materialen voor zonnepanelen van de ESA-missie BepiColombo onder hoge intensiteit en hoge temperatuur - een praktisch voorbeeld van fotovoltaïek in de ruimte zoals beschreven in het gedeelte over toepassingsgebieden van deze pagina.
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.

Verder werk uit verwante onderwerpgebieden is samengebracht in de publicaties van klanten, gesorteerd op onderwerp.

De publicatiezoeker geeft alle publicaties over fotovoltaïek weer die wij kennen – doorzoekbaar op apparaat, vakgebied en trefwoord.

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

Hoe werkt een zonnesimulator in de fotovoltaïsche techniek?
Een zonnesimulator reproduceert de spectrale bestralingssterkte van zonlicht onder gedefinieerde referentieomstandigheden (meestal AM1,5G, 1000 W/m², 25 °C celtemperatuur). Een lichtbron wordt via optiek, filters of - bij LED-systemen - elektronische kanaalsturing zodanig aangepast dat het spectrum, de ruimtelijke verdeling en het tijdgedrag van de bestralingssterkte binnen de door de norm vastgelegde grenzen blijven.

Welk golflengtebereik of spectrum is geschikt voor fotovoltaïsche tests?
AM1,5G is de standaard voor terrestrische toepassingen, AM0 voor ruimtevaarttoepassingen. Het relevante golflengtebereik hangt af van het celtype: 400–1100 nm voor klassiek silicium, 300–1200 nm voor dunnefilm- en moderne siliciumcellen, tot 1800 nm voor III-V multi-junctioncellen.

Welke bestralingssterkte is vereist voor Standard Test Conditions?
Standard Test Conditions (STC) schrijven een bestralingssterkte van 1000 W/m² AM1,5G voor bij 25 °C celtemperatuur. Deze drie grootheden - spectrum, intensiteit, temperatuur - moeten allemaal gezamenlijk worden nageleefd; ontbreekt een van de drie, dan is een meetresultaat niet vergelijkbaar met andere metingen.

Wat is het verschil tussen klasse AAA en klasse A+A+A+?
Beide duiden op de hoogste, respectievelijk een uitgebreide, classificatie volgens IEC 60904-9. Klasse AAA voldoet aan klasse A op alle drie de criteria (spectrum, uniformiteit, stabiliteit). Klasse A+ werd in 2020 geïntroduceerd, vereist tolerantiegrenzen die twee keer zo strikt zijn als bij klasse A, en moet worden aangetoond over een uitgebreid spectraal bereik van 300–1200 nm.

Waarom levert een zonnesimulator onjuiste meetwaarden op ondanks een nominaal toereikend lampvermogen?
Elektrisch lampvermogen en optische bestralingssterkte in het monstervlak zijn niet lineair aan elkaar gekoppeld; veroudering, filtertoestand en temperatuur veranderen het elektro-optische rendement. Daarnaast kan een spectraal mismatch-fout optreden wanneer het bronspectrum en de spectrale responsiviteit van de cel afwijken van het referentiegeval - deze fout is onafhankelijk van de intensiteit en moet rekenkundig worden gecorrigeerd. De algemene afleiding - van elektrisch vermogen via elektro-optisch rendement tot de meetgrootheid op het werkingspunt - staat beschreven onder radiometrische grootheden.

Hoe wordt de spectrale bestralingssterkte van een zonnesimulator gemeten?
De spectrale karakterisering gebeurt met een gekalibreerde spectroradiometer in het monstervlak, aangevuld met een rastermeting over het testoppervlak om de ruimtelijke uniformiteit te bepalen en, bij gepulste bronnen, met een tijdsopgeloste meting tijdens de flitsduur.

Welke simulatortechnologie is geschikt voor tandem-zonnecellen?
Perovskiet-silicium-tandemcellen en multi-junctionzonnecellen vereisen LED-simulatoren met meerdere bronnen en onafhankelijk regelbare spectrale kanalen, omdat elke subcel afzonderlijk moet worden afgestemd op zijn referentiefotostroom. Klassieke systemen met één of twee xenonlampen kunnen doorgaans niet aan deze eis voldoen.

Waarom volstaat een momentopname met een flitstester niet voor perovskietcellen?
Perovskietmaterialen vertonen metastabiel, lichtgeïnduceerd gedrag dat pas na enkele seconden tot minuten van continue belichting stabiliseert. Een flits in de orde van milliseconden legt slechts een overgangstoestand vast; overeengekomen testprotocollen schrijven daarom een tijdsopgeloste vermogensmeting onder stationair licht voor.

Gecontroleerde reproductie van zonlicht is op meerdere gebieden nodig: licht- en displaymeting deelt de spectroradiometrie en de kalibratieketen, elektronica- en halfgeleiderfabricage levert de processen waaruit de cellen voortkomen, en fotokatalytische waterstofproductie werkt met dezelfde AM1.5-condities om de efficiënties vergelijkbaar te maken. Het volledige beeld vindt u in het overzicht UV-toepassingen.

Een nominale klasseaanduiding zegt weinig over hoe stabiel en spectraal uniform een solar simulator daadwerkelijk is tijdens het lopende gebruik. Iedereen die betrouwbare rendementscijfers voor cellen, modules of nieuwe materiaalklassen nodig heeft, kan niet om een spectraal opgeloste karakterisering in het monstervlak heen - en herleidbare kalibratie van de daarbij gebruikte meetapparatuur. Voor de spectrale karakterisering van solar simulators en globale bestraling is de SR900 beschikbaar; voor continue bewaking van een vast golflengtebereik tussen volledige kalibratiecycli een RMD Pro; en voor gecontroleerde UV-belastingstests van inkapselingsmaterialen, bestralingskamers met dosisgestuurde werking via UV-MAT. Neem contact met ons op over uw testbehoefte.