Symulatory słoneczne w fotowoltaice: podstawy i technika pomiarowa

Ogniwo słoneczne nie jest uniwersalnym miernikiem światła, lecz przetwornikiem selektywnym widmowo: nie odpowiada na pytanie, ile promieniowania na nie pada, lecz jakie promieniowanie. Symulator słoneczny musi zatem wytworzyć więcej niż całkowite natężenie napromienienia wynoszące 1000 W/m² - musi odwzorować rozkład widmowy wystarczająco zbliżony do znormalizowanego widma odniesienia AM1.5G. Głównym wyzwaniem jest to, że odchylenia występują w trzech niezależnych wymiarach - dopasowaniu widmowym, jednorodności przestrzennej i stabilności czasowej - które się wzajemnie nie kompensują. Tylko znormalizowana klasyfikacja tych trzech wielkości zgodnie z IEC 60904-9 umożliwia porównywalność pomiarów sprawności ogniw i modułów słonecznych między laboratoriami, producentami i jednostkami certyfikującymi.

W 2025 roku fotowoltaika po raz pierwszy stała się największą pod względem zainstalowanej moc technologią wytwarzania energii elektrycznej na świecie: globalne przyrosty po raz pierwszy przekroczyły 600 gigawatów, moc kumulowana osiągnęła około 2 800 gigawatów, a energia słoneczna odpowiadała za ponad trzy czwarte nowych światowych zdolności wytwórczych ze źródeł odnawialnych – wynika z raportu Global Energy Review 2026 Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA, 2026). Dla techniki pomiarowej i badawczej istotna jest jednak nie skala, lecz stojące za nią zróżnicowanie technologiczne: obok krzemu krystalicznego utrwalają się ogniwa heterozłączowe, systemy cienkowarstwowe na bazie CdTe i CIGS oraz tandemowe ogniwa perowskitowo-krzemowe, a także rosnący udział modułów dwustronnych.

Techniczna konsekwencja układa się w wyraźny łańcuch: rosnąca różnorodność modułów i wyższe sprawności ogniw zwiększają czułość wyników badań na odchylenia widmowe źródła testowego. Każda kolejna klasa materiałów – cienkowarstwowa, dwustronna, tandemowa – wnosi własną charakterystykę czułości widmowej, co faktycznie zawęża dopuszczalny margines błędu symulatora słonecznego w porównaniu z prostszymi monokrystalicznymi ogniwami krzemowymi z lat 1980., dla których opracowano pierwotne normy.

Pięć kierunków rozwoju zmienia zadanie pomiarowe w symulacji promieniowania słonecznego:

• Przejście od lamp wyładowczych do technologii LED. Symulatory LED coraz częściej zastępują systemy ksenonowe i metalohalogenkowe, ponieważ oferują dłuższą trwałość, niższe koszty utrzymania oraz kształtowanie widma regulowane elektrycznie, a nie optycznie. Skutkiem jest przesunięcie punktu ciężkości badań z optyki filtrów w stronę elektronicznego sterowania kanałami i programowego wzorcowania widmowego poszczególnych grup LED.
• Wprowadzenie klasy A+ oraz opcjonalnych wskaźników widmowych. Norma IEC 60904-9:2020 podwoiła rygor oceny i wprowadziła SPC/SPD – narzędzie, które celowo przeciwdziała formalnej spełnialności klasyfikacji przedziałowej przez widma LED z lukami. Prowadzi to do rosnącego nakładu dokumentacyjnego u producentów urządzeń, którzy w coraz większym stopniu będą musieli podawać nie tylko oznaczenie klasy, lecz także w sposób przejrzysty wartości pokrycia i odchyleń.
• Systemy wielożródłowe dla technologii tandemowych. Wraz z wejściem na rynek tandemowych modułów perowskitowo-krzemowych powstają symulatory z kilkudziesięcioma niezależnie sterowanymi kanałami widmowymi i rozszerzonymi zakresami długości fali powyżej 1600 nanometrów. Powoduje to silniejsze sprzężenie wzorcowania symulatora z charakteryzacją ogniw, ponieważ nastawę widmową należy wyznaczać indywidualnie dla każdego podogniwa.
• Procedury badań modułów dwustronnych. Specyfikacja techniczna IEC TS 60904-1-2 formalizuje procedury pomiaru modułów dwustronnych w warunkach napromieniowania symulowanego i naturalnego. Wiąże się z tym dodatkowe zapotrzebowanie na czujniki napromieniowania od strony tylnej oraz rosnąca potrzeba stanowisk badawczych zdolnych do kontrolowanego, jednoczesnego oświetlania obu stron modułu.
• Protokoły ustabilizowanej mocy dla materiałów niestabilnych. W przypadku perowskitów i innych metastabilnych technologii ogniw utrwalają się uzgodnione protokoły badawcze z ciągłym oświetlaniem i rozdzielczą w czasie stabilizacją mocy. Konsekwencją jest odejście od czystej rejestracji chwilowej, typowej dla klasycznego pomiaru błyskowego, w stronę krzywej mocy dokumentowanej w skali minut do godzin.

Wielkości rynku, tempo wzrostu oraz źródła dla tego obszaru zastosowań zebrano na stronie Rozwój rynku techniki UV.

Symulator słoneczny wytwarza sztuczne światło, które odwzorowuje widmowe natężenie napromienienia naturalnego światła słonecznego w określonych warunkach atmosferycznych. Wielkością odniesienia jest widmo AM1.5G (Air Mass 1.5, Global), widmo wyznaczone obliczeniowo na podstawie modelu atmosferycznego, które reprezentuje szerokości geograficzne środkowej Europy i Ameryki Północnej przy kącie zenitalnym Słońca wynoszącym 48,2° i jest znormalizowane do całkowitego natężenia napromienienia 1000,4 W/m² (ASTM G173-03). Źródło światła - zazwyczaj lampa wyładowcza gazowa lub kombinacja wielu diod LED - jest kształtowane za pomocą optyki, filtrów i elektroniki sterującej tak, aby natężenie, widmo i jednorodność w płaszczyźnie próbki były jak najbardziej zbliżone do tego widma odniesienia.

Z fizycznego punktu widzenia istotne jest to, że ogniwo słoneczne nie całkuje samego natężenia napromienienia, lecz iloczyn widmowego natężenia napromienienia i zależnej od długości fali czułości widmowej ogniwa. Dwa źródła światła o identycznym całkowitym natężeniu napromienienia, ale różnych widmach, generują różne fotoprądy w tym samym ogniwie. Dlatego symulator słoneczny nie jest wzorcowany na wyjściu lampy, lecz w płaszczyźnie próbki, przy użyciu spójnie pomiarowo wzorcowanego referencyjnego ogniwa słonecznego lub spektroradiometru.

Lampy wyładowcze historycznie dominowały, ponieważ w momencie opracowania pierwszej istotnej normy ASTM E927 (1979) były jedynymi dostępnymi źródłami o wystarczająco zbliżonym do słonecznego, szerokopasmowym widmie (ASTM E927-19). Od mniej więcej dwóch dekad systemy oparte na diodach LED coraz częściej się utrwalają i obecnie wypierają tradycyjną technologię ksenonową w liniach produkcyjnych i laboratoriach.

Ze względu na swoje naturalne szerokopasmowe właściwości lampy ksenonowe pozostają powszechnie stosowane w produkcji modułów wielkopowierzchniowych, jednak wymagają regularnej regulacji za pomocą filtracji widmowej, ponieważ ich linie emisyjne, zwłaszcza powyżej 800 nm, pogarszają klasyfikację (IEC 60904-9:2020). W pomiarach porównawczych charakterystyk prądowo-napięciowych modułów PV systemy LED wykazały wydajność co najmniej równoważną, a pod względem stabilności i elastyczności widmowej niekiedy lepszą niż źródła ksenonowe (Chojniak et al., 2024).

Symulator słoneczny nie jest oceniany na podstawie jednej wartości, lecz kilku, wzajemnie niezależnych wielkości fizycznych:

• Zgodność widmowa opisuje, jak dobrze natężenie napromienienia symulatora w określonych przedziałach długości fali zgadza się z widmem odniesienia AM1.5G. Ma to decydujące znaczenie, ponieważ zmierzony fotoprąd ogniwa zależy od całki nakładania się widma źródła i czułości widmowej ogniwa - a nie od całkowitej mocy źródła.
• Niejednorodność przestrzenna określa ilościowo zmienność natężenia napromienienia na powierzchni testowej. Dotyczy to głównie dużych modułów i łańcuchów ogniw połączonych szeregowo, ponieważ najsłabiej oświetlony obszar cząstkowy może ograniczać całkowity prąd.
• Niestabilność czasowa obejmuje zmiany natężenia napromienienia podczas pomiaru. W przypadku symulatorów impulsowych jest to szczególnie istotne, ponieważ widmo i natężenie lampy zmieniają się nieustannie podczas narastania i zanikania błysku lampy błyskowej.
• Całkowite natężenie napromienienia musi zostać ustawione na wartość odniesienia 1000 W/m², ponieważ krzywa charakterystyczna ogniwa słonecznego zależy nieliniowo od natężenia napromienienia; odchylenie nie wpływa proporcjonalnie na wszystkie parametry krzywej.
• Temperatura ogniwa jest ustalona jako trzecia współrzędna standardowych warunków testowych (STC), obok widma i natężenia (25 °C). Sprawność ogniw z krzemu krystalicznego typowo spada o 0,3 do 0,5 punktu procentowego na każdy kelwin wzrostu temperatury, dlatego niewystarczająca kontrola temperatury zniekształca wyniki pomiaru, choć nie jest to widoczne w widmie.
• Czułość widmowa ogniwa odniesienia i ogniwa badanego wraz z widmem źródła determinuje współczynnik niedopasowania widmowego (patrz sekcja poniżej). Nie jest to stała właściwość danego typu ogniwa, lecz zależy od struktury warstw, hermetyzacji i stanu starzenia.

Najczęstszym błędnym przekonaniem w praktyce jest utożsamianie mocy elektrycznej lampy z natężeniem napromienienia optycznym. Te dwie wielkości nie są powiązane liniowo: elektrooptyczna wydajność lampy zmienia się z czasem pracy, starzeniem, stanem filtra i temperaturą, więc nominalnie stała moc elektryczna może dawać zmienne w czasie natężenie napromienienia optyczne. Podobnie sam czas ekspozycji nie ma znaczenia, jeśli nie jest jasne, do jakiego natężenia napromienienia się odnosi - "czas trwania ekspozycji" bez towarzyszącej mu wartości dawki lub natężenia jest technicznie niekompletny.

Drugim częstym błędem jest pomiar poza rzeczywistą płaszczyzną próbki. Odczyt na wyjściu lampy lub przy stałym czujniku odniesienia znajdującym się poza polem testowym opisuje źródło, a nie rzeczywiste napromieniowanie badanego urządzenia; różnice w długości drogi optycznej, światło rozproszone i winietowanie mogą powodować odchylenia rzędu kilku procent, które nie są widoczne na czujniku.

Po trzecie, pozorne formalne spełnienie klasyfikacji jest często przeceniane. Klasyfikacja IEC 60904-9 ocenia natężenie napromienienia w sześciu do dwunastu szerokich przedziałach widmowych; w ramach przedziału nie jest określone, w którym miejscu tego zakresu faktycznie znajduje się wymagane natężenie. Symulator LED może więc formalnie osiągnąć klasę A lub A+, mimo że jego widmo składa się z wąskich pików rozdzielonych przerwami widmowymi. Porównawcze oceny wykazują, że rzeczywiste systemy komercyjne mają pokrycie widmowe wynoszące tylko od 65 do 79 procent, jednocześnie uzyskując wysoką formalną klasę (IEC 60904-9:2020). Dla ogniw o szerokiej, ciągłej czułości widmowej - na przykład ogniw warstwowych lub wielozłączowych - taka przerwa jest technicznie istotniejsza niż w przypadku ogniwa referencyjnego o wąskiej czułości.

Po czwarte, metoda ogniwa referencyjnego, w której natężenie symulatora dopasowuje się do wzorcowanego prądu zwarcia ogniwa referencyjnego, jest ważna tylko w warunkach restrykcyjnych: przenosi się prawidłowo na ogniwo badane tylko wtedy, gdy albo ogniwo referencyjne i badane mają identyczną czułość widmową, albo widmo symulatora dokładnie odpowiada widmu odniesienia. W praktyce żaden z tych warunków nie jest nigdy w pełni spełniony; wynikający z tego systematyczny błąd nazywany jest niezgodnością widmową i musi być skorygowany obliczeniowo, a nie usunięty przez wzorcowanie (ASTM E948).

Po piąte, wiele wartości charakterystycznych jest ważnych tylko przy założeniu, że badane urządzenie i jego otoczenie znajdują się w równowadze termicznej i elektrycznej. W przypadku pulsacyjnych symulatorów ksenonowych o czasie trwania błysku w zakresie milisekund, czas często nie wystarcza, aby efekty kapacytancyjne w wielkopowierzchniowych modułach lub przejściowe, wywołane światłem zachowanie niestabilnych materiałów, takich jak perowskit, w pełni się ustabilizowały - zmierzona krzywa opisuje wtedy stan przejściowy, a nie ustalony punkt pracy.

Czułość widmowa ogniwa słonecznego nie jest wielkością uniwersalną; jest ona determinowana przez przerwę energetyczną, grubość warstwy i straty optyczne danego materiału absorbującego. Krzem krystaliczny absorbuje w przybliżeniu w zakresie od 400 do 1100 nanometrów; pierwotne przedziały widmowe normy ASTM E927 oraz wczesnych wydań normy IEC 60904-9 zostały zdefiniowane dokładnie dla tego zakresu. Technologie cienkowarstwowe, takie jak CdTe i CIGS, mają krawędź absorpcji wciąż w obrębie tego okna, jednak korzystają z zakresu oceny rozszerzonego w 2020 roku do 300-1200 nanometrów, ponieważ ich czułość widmowa przy krótszych długościach fali jest tam lepiej uchwycona (IEC 60904-9:2020).

Nawet rozszerzony zakres nie wystarcza dla tandemowych ogniw perowskitowo-krzemowych oraz wielozłączowych ogniw III-V: wielozłączowe ogniwa III-V mają pasma absorpcji sięgające nawet 1800 nanometrów. Ogniwa tandemowe wprowadzają szczególną cechę strukturalną: subogniwa są połączone szeregowo, więc subogniwo o najniższym fotoprądzie ogranicza całkowity prąd ogniwa (warunek dopasowania prądowego). Odchylenie widmowe źródła testowego nie działa tutaj jako jednolity błąd na całej krzywej, lecz przesuwa, które subogniwo staje się ograniczające - w rezultacie powstaje krzywa charakterystyczna odpowiadająca sytuacji napromieniowania, która nie występuje w naturalnym świetle słonecznym. Z tego powodu charakteryzowanie ogniw tandemowych wymaga widmowego dostosowania widma symulatora, w którym każde subogniwo jest dostrojone konkretnie do fotoprądu, jaki wytworzyłoby w warunkach odniesienia (Chojniak et al., 2024).

Współczynnik niedopasowania widmowego M koryguje błąd systematyczny powstający, gdy widmo symulatora, widmo odniesienia oraz widmowe czułości ogniwa odniesienia i ogniwa badanego różnią się od siebie. Jest on normatywnie zdefiniowany w ASTM E948 oraz 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 ]

Tutaj E_ref(λ) to widmowe widmo odniesienia (zwykle AM1.5G), E_sim(λ) to rzeczywiste widmo symulatora słonecznego w płaszczyźnie próbki, S_ref(λ) to względna czułość widmowa ogniwa odniesienia, a S_t(λ) to względna czułość widmowa ogniwa badanego. Ponieważ do równania wchodzą jedynie względne kształty widmowe, bezwzględne współczynniki wzorcowania się znoszą; liczy się jedynie kształt krzywej. Skorygowany współczynnikiem M prąd zwarcia ogniwa badanego w Standardowych Warunkach Testowych otrzymuje się, dzieląc prąd zmierzony pod symulatorem przez M (ASTM E948).

Warunkiem stosowalności jest to, aby zarówno widmo symulatora, jak i obie czułości ogniw były znane z wystarczającą rozdzielczością widmową w istotnym zakresie długości fali; niepewności pomiarowe czułości widmowej wpływają bezpośrednio na niepewność M. Ograniczenia modelu: dla dwóch ogniw o silnie różniącej się, szczególnie strukturalnej czułości widmowej - na przykład ogniwa cienkowarstwowego względem krystalicznego ogniwa odniesienia - M może odbiegać zauważalnie od 1 i jednocześnie jest bardziej wrażliwy na niewielkie zmiany widmowe źródła. Systematyczna analiza niepewności wykazała, że złożoną niepewność współczynnika niedopasowania można wyznaczyć z niepewności widm wejściowych za pomocą symulacji Monte Carlo, i że zależy ona silnie od tego, jak silnie skorelowane widmowo są poszczególne składowe niepewności: rozszerzona niepewność M wynosiła, w zależności od przyjętego stopnia korelacji, od 0,06 do 1,26 procent (Maham, Kärhä & Ikonen, 2023). M nie jest stałą przyrządu, lecz musi być wyznaczany na nowo dla każdej kombinacji symulatora, ogniwa odniesienia i ogniwa badanego, a jego niepewność musi być podana w wyniku wzorcowania.

Założenia. Krystaliczne ogniwo krzemowe o znanej czułości widmowej służy do ustawienia natężenia symulatora słonecznego ksenonowego klasy A. Do badania przeznaczone jest ogniwo cienkowarstwowe CIGS; jego czułość widmowa jest wyższa niż krzemu w zakresie krótkofalowym (400–600 nm), a niższa powyżej 900 nm - jest to wzorzec typowy dla technologii cienkowarstwowych, wielokrotnie udokumentowany w literaturze.

Model. Wartość M jest tworzona z czterech całek widmowych zgodnie z powyższą definicją.

Obliczenie (jakościowe, na podstawie opublikowanych rzędów wielkości). Jeśli widmo ksenonowe odbiega od widma referencyjnego AM1.5G o kilka procent powyżej 800 nm ze względu na naturalne linie emisyjne, wpływa to silniej na badane ogniwo CIGS niż na krzemowe ogniwo referencyjne, ponieważ ich względne wagi różnią się w tym zakresie widmowym. Systematyczne badania niepewności wzorcowań ogniw referencyjnych udokumentowały współczynniki korekcyjne rzędu kilku procent, przy czym wkłady niepewności zależne od widma wahają się od poniżej jednego do kilku procent w przypadku par ogniw o odmiennej charakterystyce widmowej (Hohl-Ebinger & Warta, 2011).

Interpretacja. Nieskorygowana wartość sprawności może zatem wydawać się wiarygodna, będąc jednocześnie systematycznie zbyt wysoką lub zbyt niską, bez widocznego odzwierciedlenia tego w kształcie krzywej. Dla uzyskania wiarygodnych wartości sprawności połączenie pomiaru symulatora rozdzielonego widmowo ze znaną czułością ogniwa nie jest zatem opcjonalnym pomiarem dodatkowym, lecz częścią właściwego pomiaru krzywej.

Zharmonizowana na poziomie międzynarodowym klasyfikacja symulatorów promieniowania słonecznego zgodnie z IEC 60904-9 (przyjęta w Niemczech jako DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9) ocenia trzy wartości charakterystyczne niezależnie od siebie, wymieniane w kolejności: zgodność widmowa - niejednorodność przestrzenna - niestabilność czasowa, na przykład jako „klasa AAA" lub „klasa A+A+A+":

Źródło: IEC 60904-9:2020.

Wydanie z 2020 roku wprowadziło dodatkowo dwa opcjonalne wskaźniki, które nie są jeszcze wykorzystywane do klasyfikacji: pokrycie widmowe (SPC) i odchylenie widmowe (SPD). SPC określa udział widma między 300 a 1200 nm, w którym natężenie napromienienia symulatora osiąga co najmniej 10 procent wartości referencyjnej AM1.5G; SPD sumuje bezwzględne błędy widmowe w całym przedziale. Oba wskaźniki wprowadzono, ponieważ czysta klasyfikacja przedziałowa - opisana w poprzedniej sekcji - nie pozwala wiarygodnie odróżnić symulatorów LED o nieciągłym, ale „wygodnie rozmieszczonym" widmie od tych, które rzeczywiście odwzorowują widmo w sposób ciągły.

Tabela klas w powyższej sekcji podaje dopuszczalne odchylenie, ale nie mówi, od czego. Oto odpowiedź: widmo odniesienia AM1.5G jest podzielone na sześć przedziałów, udział w całkowitym natężeniu napromienienia jest ustalony dla każdego z nich, a klasa wynika z najgorszego z sześciu współczynników – nie z ich średniej. Kolumny po prawej stronie przeliczają tolerancje procentowe na wartości bezwzględne udziałów; klasa B (60–140 %) została pominięta dla przejrzystości.

Z tego wynikają trzy kwestie, których sama ocena klasy nie ujawnia:

• Decyduje pojedynczy przedział. Symulator osiągający 95 procent w pięciu przedziałach i 130 w szóstym otrzymuje klasę B – nie lepszą niż symulator osiągający wszędzie 130. Klasa to wartość minimalna, a nie ocena ogólna.
• Poniżej 400 nm nic nie jest oceniane dla klas A, B i C. Zakres oceny tych trzech klas zaczyna się od 400 nm. Symulator może mieć klasę A i dostarczać zdecydowanie za mało lub za dużo promieniowania UV – nieistotne dla pomiaru I-V na krzemie, ale istotne dla wszelkich stwierdzeń dotyczących starzenia, żółknięcia czy hermetyzacji. Tylko A+ obejmuje ocenę od 300 nm.
• Udziały sumują się do 100 procent. Zbyt duży udział w jednym przedziale musi oznaczać zbyt mały udział w innym. Dlatego symulatora LED nie można poprawić, zwiększając poszczególne kanały – klasyfikacja ocenia kształt widma, a nie jego wysokość.

Udziały zgodnie z IEC 60904-9 dla widma odniesienia AM1.5G; obowiązuje aktualne wydanie normy.

Symulator słoneczny klasy A odtwarza widmo słoneczne w zakresie od 400 do 1100 nm – w zakresie, w którym ogniwo krzemowe generuje prąd. Dla pomiaru I-V jest to dokładnie właściwy zakres. Dla pytania, jak długo moduł wytrzyma, jest to niewłaściwy zakres długości fali: żółknięcie enkapsulanta, delaminacja, kredowanie folii tylnej i degradacja uszczelnienia krawędziowego są wywoływane przez promieniowanie UV, przeważnie poniżej 400 nm – tam, gdzie klasyfikacja na A, B lub C w ogóle nie sięga.

Z tego właśnie powodu norma dotycząca modułów rozdziela te dwa zagadnienia. IEC 61215 wymaga wstępnej kondycjonowania UV o wartości 15 kWh/m² w zakresie od 280 do 400 nm, z czego co najmniej 5 kWh/m² między 280 a 320 nm, przy temperaturze modułu 60 ± 5 °C – zanim moduł w ogóle wejdzie w sekwencję cykli termicznych i testu wilgoć-mróz. Żaden symulator słoneczny nie zapewnia takiego kondycjonowania; robi to komora badawcza UV z lampami do tego przeznaczonymi.

Dokładnie w tym miejscu swoje zastosowanie znajdują komory napromieniowania Opsytec:

• BS-04 – duża komora badawcza UV, przełączalna między UVA-351, UVB-313 i UVC. Przełączalność jest tu kluczowa: 5 kWh/m² w zakresie UVB nie da się osiągnąć za pomocą lampy wyłącznie UVA.
• BS-05 – komora badawcza UV do starzenia i badania fotostabilności o wysokiej jednorodności na powierzchni próbki. Ponieważ dawka kumuluje się przez wiele tygodni, każda niejednorodność przekłada się bezpośrednio na wynik: 10-procentowe odchylenie na powierzchni oznacza 10-procentową różnicę dawki na końcu, a nie szum, który się uśrednia.

Obie pracują w trybie kontroli dawki za pomocą UV-MAT – badanie kończy się po osiągnięciu dawki wyrażonej w kWh/m², a nie po upływie określonej liczby dni. To różnica między badaniem, które wykazuje wymaganą wartość, a takim, które ją tylko szacuje: lampy się starzeją, a natężenie napromienienia zakładane jako stałe przez sześć tygodni takim nie jest.

Produkcja ogniw i modułów. W produkcji przemysłowej testery błyskowe sortują moduły na klasy mocy na podstawie ich wydajności zmierzonej pod symulowanym napromieniowaniem. Kluczowe znaczenie ma tu przede wszystkim stabilność czasowa w krótkim czasie trwania błysku, ponieważ wydajność i powtarzalność zależą bezpośrednio od powtarzalności błysku.

Badania i rozwój. Laboratoria uniwersyteckie i instytucjonalne - na przykład przy opracowywaniu nowych materiałów absorbujących - potrzebują symulatorów o elastycznym widmie, które często pracują w trybie ciągłym, ponieważ nowe koncepcje ogniw, takie jak tandemy perowskitowo-krzemowe, muszą być charakteryzowane w warunkach zdefiniowanego światła stacjonarnego, aby uchwycić efekty metastabilne. Krytycznym parametrem procesowym jest przestrajalność widmowa dopasowana do danego podogniwa.

Akredytowane laboratoria wzorcujące i certyfikujące. Niezależna od producenta weryfikacja sprawności wymaga spójnych pomiarowo ogniw referencyjnych oraz udokumentowanej, rozdzielczej widmowo charakterystyki źródła symulatora. Krytycznym parametrem procesowym jest niepewność pomiaru współczynnika niedopasowania widmowego, który musi być podany w świadectwie wzorcowania.

Fotowoltaika kosmiczna. W przypadku ogniw dla satelitów i statków kosmicznych punktem odniesienia nie jest AM1.5G, lecz pozaziemskie widmo AM0, o natężeniu napromienienia wynoszącym około 1367 W/m² i silniejszym udziale krótkofalowym niż w AM1.5G, ponieważ atmosfera ziemska nie filtruje już widma. Decydujące znaczenie ma tu dopasowanie widmowe w zakresie UV i niebieskim.

Fotowoltaika koncentratorowa (CPV). Systemy optycznie koncentrujące światło słoneczne wymagają symulatorów o wysokim natężeniu napromienienia, od kilkuset do kilku tysięcy „słońc". Krytycznym parametrem procesowym jest jednorodność silnie skupionej plamki światła, ponieważ niejednorodności przy wysokiej koncentracji przekładają się nieproporcjonalnie na lokalne efekty termiczne i elektryczne.

Starzenie materiałów i hermetyzacja. Obok testów wydajności elektrycznej istotne jest przyspieszone badanie starzenia folii hermetyzujących, klejów, materiałów tylnej warstwy oraz powłok przeciwodblaskowych pod wpływem napromieniowania UV. Liczy się tu nie wydajność elektryczna, lecz efekt fotochemiczny - więcej informacji na ten temat znajduje się w artykule starzenie UV, trwałość barw i fotostabilność.

Ogniwa tandemowe i wielozłączowe wymagają wieloźródłowych symulatorów z zazwyczaj kilkudziesięcioma niezależnie sterowanymi kanałami widmowymi. System zbudowany w Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE dla modułów tandemowych perowskit-krzem łączy 28 spektralnie regulowanych kanałów świetlnych obejmujących 40 źródeł światła z łącznie 18 400 diodami LED, obejmujących zakres długości fali od 320 do 1650 nanometrów, a dodatkowo umożliwia symulację widm odpowiadających różnym porom dnia i lokalizacjom (Fraunhofer ISE, 2023).

Moduły bifacjalne wymagają kontrolowanego napromieniowania zarówno strony przedniej, jak i tylnej, ponieważ dodatkowy uzysk energii z tylnej strony w warunkach terenowych zależy od promieniowania rozproszonego i odbitego. Specyfikacja techniczna IEC TS 60904-1-2 opisuje procedury pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych ogniw i modułów bifacjalnych zarówno w warunkach naturalnego, jak i symulowanego napromieniowania.

Materiały niestabilne (perowskit). Klasyczne symulatory błyskowe stosowane w produkcji krzemowej nie nadają się bezpośrednio do ogniw na bazie perowskitu, ponieważ krótki czas trwania błysku nie wystarcza do uchwycenia indukowanego światłem, metastabilnego zachowania tej klasy materiałów. Wymagana jest charakteryzacja przy ciągłym oświetleniu ze stabilizowanym pomiarem mocy w określonym czasie - procedura uzgodniona przez międzynarodowe konsorcjum badawcze zaleca między innymi natężenia napromienienia od 800 do 1000 W/m² z udokumentowaną charakterystyką widmową źródła (Khenkin et al., 2020).

Napromieniowanie skoncentrowane. W systemach CPV stosuje się ciągłe symulatory ksenonowe z prętem homogenizującym i optyką kolimującą lub pulsacyjne układy o wysokim strumieniu, które przez krótki czas wytwarzają natężenie odpowiadające kilkuset słońcom, nie przegrzewając przy tym badanego urządzenia.

Punktem wyjścia dla każdej charakteryzacji symulatora słonecznego jest pytanie, która wielkość pomiarowa jest rzeczywiście istotna dla danego zastosowania - a nie to, jaki przyrząd akurat jest dostępny. Do samego monitorowania natężenia w codziennej produkcji często wystarcza szerokopasmowy pomiar radiometryczny za pomocą wzorcowanego czujnika krzemowego lub termostosowego w płaszczyźnie próbki, pod warunkiem że widmo źródła jest znane i stabilne. Gdy tylko symulator słoneczny jest nowo uruchamiany, ponownie kwalifikowany po wymianie lampy lub wykorzystywany do certyfikacji, konieczny staje się pomiar spektralnie rozdzielony, ponieważ tylko on umożliwia klasyfikację zgodnie z IEC 60904-9 oraz wyznaczenie współczynnika niedopasowania widmowego (mismatch factor).

Pomiary przestrzenne stają się konieczne, gdy powierzchnia badana jest duża w stosunku do strefy jednorodności źródła - na przykład dla całych modułów, a nie pojedynczych ogniw; norma wymaga wówczas pomiaru rastrowego w minimalnej liczbie zdefiniowanych pozycji. Pomiary rozdzielone w czasie są niezbędne w przypadku źródeł impulsowych lub źródeł zależnych od rozgrzewania termicznego, ponieważ natężenie, a czasem także widmo, może się zmieniać w oknie pomiarowym.

W zautomatyzowanych liniach produkcyjnych symulator słoneczny jest zazwyczaj częścią liniowego testera flash (inline flash tester), który po laminacji testuje każdy moduł krótkim impulsem świetlnym i automatycznie sortuje go do klas mocy na podstawie zmierzonej krzywej. Z technicznego punktu widzenia liczy się mniej sama łączność sieciowa, a bardziej konieczność monitorowania spektralnej i intensywnościowej stabilności źródła w ciągu tysięcy cykli testowych: starzenie się lampy, zanieczyszczenie elementów optycznych i dryf termiczny stopniowo zmieniają efektywne natężenie napromienienia, nie będąc przy tym widoczne z zewnętrznego wyglądu urządzenia.

Zorientowane na produkcję koncepcje monitorowania łączą zatem kompletny referencyjny pomiar spektralny wykonywany w dłuższych odstępach czasu z ciągłym, szerokopasmowym pomiarem kontrolnym w stałym zakresie długości fali pomiędzy pełnymi cyklami wzorcowania. Pozwala to na wczesne wykrycie stopniowego przesunięcia widmowego bez konieczności wykonywania pełnego, czasochłonnego pomiaru spektralnego przy każdym pojedynczym cyklu testowym. Włączenie takich pomiarów kontrolnych do systemu sterowania instalacją umożliwia automatyczne wykrywanie odchyleń od zapisanego widma referencyjnego, zanim ujawnią się one w postaci nieprawidłowo sklasyfikowanych modułów.

Dla każdego z tych pomiarów należy wprost uwzględnić niepewność pomiaru: obejmuje ona niepewność wzorcowania czujnika, własne niedopasowanie widmowe czujnika względem widma odniesienia oraz - w przypadku wyprowadzonych wartości sprawności - niepewność współczynnika niedopasowania. Spójność pomiarowa stosowanej aparatury z normami krajowymi lub międzynarodowymi jest warunkiem koniecznym, aby różne laboratoria mogły w ogóle podawać porównywalne wartości.

Poniższa publikacja opracowuje metodę precyzyjnego dostosowania widma symulatorów wielosource'owych opartych na LED specjalnie dla tandemowych ogniw słonecznych, i jest tym samym bezpośrednio istotna dla technologii pomiarowej modułów perowskitowo-krzemowych:

"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.

Ta praca systematycznie bada, w jaki sposób niepewność współczynnika niedopasowania widmowego można obliczyć z niepewności zaangażowanych widm za pomocą metod Monte Carlo, dostarczając ilościowej podstawy dla budżetów niepewności wzorcowania:

"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.

Poniższa, często cytowana praca podstawowa była pierwszym systematycznym opracowaniem niepewności współczynnika niedopasowania widmowego w warunkach standardowych (STC) i pozostaje do dziś metodologicznym punktem odniesienia dla laboratoriów wzorcujących:

"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.

Ten uzgodniony na poziomie międzynarodowym dokument stanowiskowy definiuje protokoły pomiarowe i sprawozdawcze dla testów stabilności perowskitowych ogniw słonecznych i uzasadnia między innymi konieczność ciągłego, dokumentowanego widmowo oświetlenia zamiast krótkich pomiarów błyskowych:

"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.

Fotowoltaika pojawia się w wielu aspektach również w publikacjach naszych klientów – od starzenia UV enkapsulacji modułów, poprzez przetwarzanie UV warstw ogniw, aż po testowanie paneli słonecznych do zastosowań kosmicznych.

Porównuje cztery materiały enkapsulujące dla modułów fotowoltaicznych pod wpływem napromieniowania UV na Pustyni Atacama – jednym z najbardziej intensywnych pod względem promieniowania UV pól testowych do starzenia modułów na świecie.
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.

Badane jest, jak rozwija się degradacja wywołana promieniowaniem UV na pasywowanych kontaktach ogniw heterozłączowych z krzemu – jednej z technologii ogniw, którą ta strona wymienia wprost jako spektralnie odrębną klasę.
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).

Wykorzystuje napromieniowanie diodami UV-LED celowo do selektywnego wygrzewania warstw ogniw perowskitowych i wyznacza energię potrzebną do krystalizacji – przykład zastosowania UV jako narzędzia produkcyjnego, nie tylko jako metody testowej.
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.

Opracowuje dedykowany układ o wysokim natężeniu napromienienia do precyzyjnie kontrolowanej, przyspieszonej fotodegradacji ogniw organicznych – metodologicznie związany z symulatorami słonecznymi o dużym strumieniu dla fotowoltaiki koncentratorowej opisanymi na tej stronie.
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.

Testuje materiały paneli słonecznych z misji ESA BepiColombo w warunkach wysokiej intensywności i wysokiej temperatury – praktyczny przykład fotowoltaiki kosmicznej opisanej w sekcji tej strony dotyczącej obszarów zastosowań.
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.

Dalsze prace z powiązanych obszarów tematycznych zostały zestawione w publikacjach klientów, sortowanych według tematu.

Wyszukiwarka publikacji zawiera wszystkie znane nam publikacje dotyczące fotowoltaiki – z możliwością wyszukiwania według urządzenia, obszaru i słowa kluczowego.

• IEC 60904-9:2020, Photovoltaic devices - Part 9: Solar simulator performance requirements (national: DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9); dodatkowo IEC TS 60904-1-2:2024 (moduły bifacjalne) oraz 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

Jak działa symulator słoneczny w fotowoltaice?
Symulator słoneczny odwzorowuje widmowe natężenie napromienienia światła słonecznego w zdefiniowanych warunkach odniesienia (zazwyczaj AM1.5G, 1000 W/m², temperatura ogniwa 25 °C). Źródło światła jest regulowane za pomocą optyki, filtrów lub - w systemach LED - elektronicznego sterowania kanałami, tak aby widmo, rozkład przestrzenny i zachowanie w czasie natężenia napromienienia pozostawały w granicach określonych przez normę.

Jaki zakres długości fali lub widmo jest odpowiedni do badań fotowoltaicznych?
AM1.5G jest standardem dla zastosowań naziemnych, AM0 dla zastosowań kosmicznych. Odpowiedni zakres długości fali zależy od typu ogniwa: 400–1100 nm dla klasycznego krzemu, 300–1200 nm dla cienkowarstwowych i nowoczesnych ogniw krzemowych, do 1800 nm dla wielozłączowych ogniw III-V.

Jakie natężenie napromienienia jest wymagane dla Standardowych Warunków Testowych?
Standardowe Warunki Testowe (STC) określają natężenie napromienienia 1000 W/m² AM1.5G przy temperaturze ogniwa 25 °C. Te trzy wielkości - widmo, natężenie, temperatura - muszą być spełnione łącznie; brak którejkolwiek z tych trzech sprawia, że wynik pomiaru jest nieporównywalny z innymi pomiarami.

Jaka jest różnica między klasą AAA a klasą A+A+A+?
Obie oznaczają najwyższą lub rozszerzoną klasyfikację zgodnie z normą IEC 60904-9. Klasa AAA spełnia klasę A we wszystkich trzech kryteriach (widmo, jednorodność, stabilność). Klasa A+ została wprowadzona w 2020 roku, wymaga tolerancji dwukrotnie ściślejszych niż klasa A i musi zostać wykazana w rozszerzonym zakresie widmowym od 300 do 1200 nm.

Dlaczego symulator słoneczny generuje nieprawidłowe wartości pomiarowe pomimo nominalnie wystarczającej mocy lampy?
Moc elektryczna lampy i optyczne natężenie napromienienia w płaszczyźnie próbki nie są powiązane liniowo; starzenie, stan filtra i temperatura zmieniają sprawność elektrooptyczną. Ponadto może wystąpić błąd niedopasowania widmowego, gdy widmo źródła i czułość ogniwa odbiegają od przypadku odniesienia - błąd ten jest niezależny od natężenia i musi zostać skorygowany obliczeniowo. Ogólne wyprowadzenie – od mocy elektrycznej poprzez sprawność elektrooptyczną aż do wielkości mierzonej w punkcie działania – przedstawiono w rozdziale wielkości radiometryczne.

Jak mierzy się widmowe natężenie napromienienia symulatora słonecznego?
Charakterystyka widmowa jest wykonywana za pomocą wzorcowanego spektroradiometru w płaszczyźnie próbki, uzupełnionego pomiarem rastrowym na powierzchni badanej w celu określenia jednorodności przestrzennej oraz, w przypadku źródeł impulsowych, pomiarem rozdzielczym w czasie podczas czasu trwania błysku.

Jaka technologia symulatora jest odpowiednia dla tandemowych ogniw słonecznych?
Tandemowe ogniwa słoneczne perowskitowo-krzemowe oraz wielozłączowe ogniwa słoneczne wymagają symulatorów LED z wieloma źródłami o niezależnie sterowanych kanałach widmowych, ponieważ każde podogniwo musi być indywidualnie dostrojone do swojego referencyjnego fotoprądu. Klasyczne systemy ksenonowe z jedną lub dwiema lampami zazwyczaj nie spełniają tego wymagania.

Dlaczego pojedynczy pomiar z testera błyskowego nie wystarcza dla ogniw perowskitowych?
Materiały perowskitowe wykazują metastabilne, indukowane światłem zachowanie, które stabilizuje się dopiero po kilku sekundach do kilku minut ciągłego naświetlania. Błysk w zakresie milisekund rejestruje jedynie stan przejściowy; uzgodnione protokoły badawcze wymagają zatem pomiaru mocy rozdzielczego w czasie w warunkach ustalonego oświetlenia.

Kontrolowane odtwarzanie światła słonecznego jest potrzebne w kilku dziedzinach: pomiar światła i wyświetlaczy korzysta ze spektroradiometrii i łańcucha wzorcowania, produkcja elektroniki i półprzewodników dostarcza procesów, z których pochodzą ogniwa, a fotokatalityczna produkcja wodoru pracuje w tych samych warunkach AM1.5, aby wydajności były porównywalne. Pełny obraz znajduje się w przeglądzie zastosowań UV.

Nominalne oznaczenie klasy niewiele mówi o tym, jak stabilny i jednorodny widmowo jest symulator słoneczny w rzeczywistości podczas ciągłej pracy. Każdy, kto potrzebuje wiarygodnych danych o wydajności ogniw, modułów lub nowych klas materiałów, nie może obejść się bez widmowo rozdzielczej charakteryzacji w płaszczyźnie próbki - oraz spójnego pomiarowo wzorcowania stosowanej do tego aparatury. Do widmowej charakteryzacji symulatorów słonecznych i natężenia napromienienia globalnego dostępny jest SR900; do ciągłego monitorowania ustalonego zakresu długości fali pomiędzy pełnymi cyklami wzorcowania - RMD Pro; a do kontrolowanych badań ekspozycji UV materiałów hermetyzujących - komory napromieniowania z pracą kontrolowaną dawką za pomocą UV-MAT. Prosimy o kontakt w sprawie Państwa wymagań testowych.