Fotovoltaikte Güneş Simülatörleri: Temel Bilgiler ve Ölçüm Teknolojisi

Bir güneş pili evrensel bir ışık ölçer değildir, spektral olarak seçici bir dönüştürücüdür: kendisine ne kadar ışınım ulaştığını değil, hangi ışınımın ulaştığını yanıtlar. Bu nedenle bir güneş simülatörünün sadece 1000 W/m² toplam irradyans üretmesi yeterli değildir - standartlaştırılmış AM1.5G referans spektrumuna yeterince yakın bir spektral dağılım üretmesi gerekir. Buradaki temel zorluk, sapmaların üç bağımsız boyutta - spektral uyum, mekansal homojenlik ve zamansal kararlılık - ortaya çıkması ve bunların birbirini telafi etmemesidir. Bu üç büyüklüğün IEC 60904-9'a göre standartlaştırılmış sınıflandırılması, güneş pilleri ve modülleri üzerindeki verim ölçümlerinin laboratuvarlar, üreticiler ve sertifikasyon kuruluşları arasında karşılaştırılabilir olmasını sağlar.

Fotovoltaik, 2025 yılında ilk kez dünyanın en büyük kurulu elektrik üretim teknolojisi haline geldi: küresel ilaveler ilk kez 600 gigavatı geçti, kümülatif kapasite yaklaşık 2.800 gigavata ulaştı ve Uluslararası Enerji Ajansı'nın Global Energy Review 2026 (IEA, 2026) raporuna göre güneş enerjisi, dünyadaki yeni yenilenebilir üretim kapasitesinin dörtte üçünden fazlasını oluşturdu. Test ve ölçüm teknolojisi açısından önemli olan hacim değil, bunun ardındaki teknolojik çeşitlenmedir: kristal silisyumun yanı sıra heteroeklem hücreler, CdTe ve CIGS tabanlı ince film sistemleri ve perovskit-silisyum tandem hücreler, artan oranda bifasiyal modüllerle birlikte yaygınlaşmaktadır.

Teknik sonuç açık bir zincir izlemektedir: artan modül çeşitliliği ve daha yüksek hücre verimleri, test sonuçlarının test kaynağının spektral sapmalarına duyarlılığını artırmaktadır. Her ek malzeme sınıfı - ince film, bifasiyal, tandem - kendi spektral tepki eğrisini getirmekte olup, bu da bir güneş simülatörünün göz ardı edebileceği hata payını, orijinal standartların tasarlandığı 1980'lerin daha basit monokristal silisyum hücreleriyle karşılaştırıldığında etkin biçimde daraltmaktadır.

Güneş simülasyonundaki ölçüm görevini değiştiren beş gelişme bulunmaktadır:

• Gaz deşarjlı lambalardan LED teknolojisine geçiş. LED simülatörler, daha uzun ömür, daha düşük bakım ve optik yerine elektriksel olarak ayarlanabilen spektral şekillendirme sundukları için ksenon ve metal halojenür sistemlerin yerini artan oranda almaktadır. Bunun sonucunda test odağı filtre optiğinden elektronik kanal kontrolüne ve bireysel LED gruplarının yazılım tabanlı spektral kalibrasyonuna kaymaktadır.
• A+ sınıfının ve isteğe bağlı spektral metriklerin getirilmesi. IEC 60904-9:2020, değerlendirme sıkılığını iki katına çıkarmış ve boşluklu LED spektrumları tarafından bin sınıflandırmasının biçimsel olarak karşılanmasına özellikle karşı koyan bir araç olan SPC/SPD'yi getirmiştir. Bu durum, ekipman üreticileri için giderek artan bir dokümantasyon çabasına yol açmakta olup, üreticilerin yalnızca bir sınıf tanımı değil, aynı zamanda kapsam ve sapma değerlerini de şeffaf biçimde belirtmesi gerekecektir.
• Tandem teknolojiler için çok kaynaklı sistemler. Perovskit-silisyum tandem modüllerin pazara girmesiyle birlikte, birbirinden bağımsız olarak kontrol edilebilen onlarca spektral kanala ve 1600 nanometrenin üzerine uzanan genişletilmiş dalga boyu aralıklarına sahip simülatörler ortaya çıkmaktadır. Bu durum, spektral ayarın her alt hücre için ayrı ayrı belirlenmesi gerektiğinden, simülatör kalibrasyonu ile hücre karakterizasyonu arasında daha yakın bir bağlantı oluşturmaktadır.
• Bifasiyal test prosedürleri. IEC TS 60904-1-2 teknik şartnamesi, bifasiyal modüllerin simüle edilmiş ve doğal ışınlama altında ölçülmesine yönelik prosedürleri resmileştirmektedir. Bu durum, arka yüz ışınlaması için ek sensör talebi ve modülün her iki yüzünü aynı anda kontrollü biçimde ışınlayabilen test düzeneklerine yönelik artan bir gereksinim getirmektedir.
• Kararsız malzemeler için stabilize güç protokolleri. Perovskit ve diğer yarı kararlı hücre teknolojileri için sürekli ışınlama ve zaman çözünürlüklü güç stabilizasyonu içeren fikir birliğine dayalı test protokolleri yaygınlaşmaktadır. Bunun sonucunda, klasik flaş ölçümünün saf anlık görüntüsünden dakikalar ile saatler arasında belgelenen bir güç eğrisine geçiş yaşanmaktadır.

Bu uygulama alanına ilişkin pazar büyüklükleri, büyüme oranları ve kaynaklar UV teknolojisinin pazar gelişimi sayfasında özetlenmiştir.

Bir güneş simülatörü, tanımlanmış atmosferik koşullar altında doğal güneş ışığının spektral irradyansını yeniden üreten yapay ışık üretir. Referans büyüklük, 48,2°'lik bir güneş zenit açısında Orta Avrupa'dan Kuzey Amerika enlemlerine kadar olan bölgeyi temsil eden ve 1.000,4 W/m²'lik bir entegre irradyansa normalize edilmiş, bir atmosfer modelinden hesaplama yoluyla türetilen bir spektrum olan AM1.5G spektrumudur (Air Mass 1.5, Global) (ASTM G173-03). Genellikle bir gaz deşarj lambası veya çok sayıda LED'in bir kombinasyonu olan ışık kaynağı, numune düzlemindeki yoğunluk, spektrum ve homojenliğin bu referans spektruma mümkün olduğunca yakın olmasını sağlamak için optikler, filtreler ve kontrol elektroniği aracılığıyla şekillendirilir.

Fiziksel açıdan önemli olan, bir güneş pilinin irradyansın kendisini değil, spektral irradyans ile pilin dalga boyuna bağlı spektral duyarlılığının çarpımını integre etmesidir. Toplam irradyansı aynı ancak spektrumları farklı olan iki ışık kaynağı, aynı pil üzerinde farklı fotoakımlar üretir. Bu nedenle bir güneş simülatörü, lamba çıkışında değil, izlenebilir şekilde kalibre edilmiş bir referans güneş pili veya bir spektroradyometre kullanılarak numune düzleminde kalibre edilir.

Gaz deşarjlı lambalar tarihsel olarak hakim olmuştur, çünkü ilgili ilk standart olan ASTM E927 (1979) hazırlandığında, yeterince güneş benzeri geniş bant spektruma sahip mevcut tek kaynaklar bunlardı (ASTM E927-19). Yaklaşık yirmi yıldır LED tabanlı sistemler giderek yerleşiklik kazanmakta ve üretim hatları ile laboratuvarlarda geleneksel ksenon teknolojisinin yerini almaktadır.

Doğal geniş bant özellikleri nedeniyle ksenon lambaları büyük alanlı modül üretiminde yaygın olarak kullanılmaya devam etmektedir, ancak emisyon çizgileri, özellikle 800 nm'nin üzerinde, sınıflandırmayı kötüleştirdiğinden (IEC 60904-9:2020) spektral filtreleme yoluyla düzenli olarak yeniden ayarlanmaları gerekir. PV modüllerinin akım-voltaj eğrilerinin karşılaştırmalı ölçümlerinde, LED sistemleri en az ksenon kaynaklarıyla eşdeğer, kararlılık ve spektral esneklik açısından bazen daha üstün performans göstermiştir (Chojniak vd., 2024).

Bir güneş simülatörü tek bir değerle değil, birbirinden bağımsız birçok fiziksel büyüklükle değerlendirilir:

• Spektral eşleşme, simülatörün tanımlı dalga boyu aralıklarındaki irradyansının AM1.5G referans spektrumuyla ne kadar uyumlu olduğunu tanımlar. Belirleyicidir, çünkü bir hücrenin ölçülen foto akımı, kaynak spektrumu ile hücre duyarlılığının örtüşme integraline bağlıdır - kaynağın toplam gücüne değil.
• Uzaysal düzensizlik, test alanı boyunca irradyanstaki değişimi ölçer. Öncelikle büyük modülleri ve seri bağlı hücre dizilerini etkiler, çünkü en zayıf ışınlanan alt alan toplam akımı sınırlayabilir.
• Zamansal kararsızlık, ölçüm sırasında irradyanstaki değişimleri kapsar. Darbeli simülatörler için özellikle kritiktir, çünkü flaş tüpünün yükselme ve sönme süreçlerinde lamba spektrumu ve yoğunluğu sürekli değişir.
• Toplam irradyans, 1000 W/m² referans değerine ayarlanmalıdır, çünkü bir güneş hücresinin karakteristik eğrisi irradyansa doğrusal olmayan bir şekilde bağlıdır; bir sapma tüm eğri parametrelerini orantılı olarak etkilemez.
• Hücre sıcaklığı, spektrum ve yoğunluğun yanı sıra Standart Test Koşulları'nın (STC) üçüncü koordinatı olarak sabitlenir (25 °C). Kristal silikon hücrelerin verimi, sıcaklık artışının her kelvini için tipik olarak %0,3 ila %0,5 puan düşer, bu nedenle yetersiz sıcaklık kontrolü, spektrumda görünmeden ölçüm sonuçlarını bozar.
• Referans ve test hücresinin spektral duyarlılığı, kaynak spektrumuyla birlikte spektral uyumsuzluk faktörünü belirler (aşağıdaki bölüme bakınız). Bu, bir hücre tipinin sabit bir özelliği değildir; katman yapısına, kapsülleme ve yaşlanma durumuna bağlıdır.

Uygulamada en yaygın yanılgı, elektriksel lamba gücünü optik ışınım yoğunluğuyla eşdeğer tutmaktır. Bu iki büyüklük doğrusal olarak birbirine bağlı değildir: bir lambanın elektro-optik verimi çalışma süresi, yaşlanma, filtre durumu ve sıcaklıkla değişir, dolayısıyla nominal olarak sabit bir elektriksel güç sürüklenen bir optik irradyans üretebilir. Aynı şekilde, hangi irradyansa atıfta bulunduğu belirtilmedikçe bir ışınlama süresinin tek başına bir anlamı yoktur - beraberinde bir doz veya yoğunluk değeri olmayan bir "ışınlama süresi" teknik olarak eksiktir.

İkinci yaygın hata, gerçek numune düzleminin dışında ölçüm yapmaktır. Lamba çıkışında veya test alanının dışındaki sabit bir referans sensöründe alınan bir okuma, kaynağı tanımlar, test edilen cihazın gerçek ışınlanmasını değil; optik yol uzunluğu, kaçak ışık ve vinyetlemedeki farklar, sensörde görünmeyen yüzde birkaçlık sapmalara yol açabilir.

Üçüncü olarak, bir sınıflandırmanın görünürdeki formel olarak karşılanması genellikle fazla değerli görülmektedir. IEC 60904-9 sınıflandırması irradyansı altı ila on iki geniş spektral aralıkta değerlendirir; bir aralık içinde gereken yoğunluğun o aralığın neresinde bulunduğu belirtilmez. Bu nedenle bir LED simülatörü, spektrumu spektral boşluklarla ayrılmış dar tepe noktalarından oluşsa bile formel olarak A veya A+ sınıfına ulaşabilir. Karşılaştırmalı değerlendirmeler, gerçek ticari sistemlerin spektral kapsamının yalnızca %65 ila %79 olduğunu gösterirken aynı zamanda yüksek bir formel sınıf derecelendirmesine (IEC 60904-9:2020) ulaştığını göstermektedir. İnce film veya çok eklemli hücreler gibi geniş, sürekli spektral duyarlılığa sahip hücreler için böyle bir boşluk, dar duyarlılıklı bir referans hücresine kıyasla teknik olarak daha önemlidir.

Dördüncü olarak, simülatör yoğunluğunun bir referans hücrenin kalibre edilmiş kısa devre akımıyla eşleştirildiği referans hücre yöntemi, yalnızca kısıtlayıcı koşullar altında geçerlidir: bu yöntem test hücresine doğru şekilde aktarılabilmesi için ya referans ve test hücresinin spektral duyarlılığının aynı olması ya da simülatör spektrumunun referans spektrumuyla tam olarak eşleşmesi gerekir. Uygulamada bunların hiçbiri tam olarak karşılanmaz; ortaya çıkan sistematik hataya spektral uyumsuzluk denir ve bu, kalibrasyonla ortadan kaldırılamaz, hesaplama yoluyla düzeltilmelidir (ASTM E948).

Beşinci olarak, birçok karakteristik değer yalnızca test edilen cihazın ve ortamının termal ve elektriksel dengede olduğu varsayımı altında geçerlidir. Milisaniye aralığında flaş sürelerine sahip darbeli ksenon simülatörlerinde, büyük alanlı modüllerdeki kapasitif etkilerin veya perovskit gibi kararsız malzemelerin geçici, ışığa bağlı davranışının tam olarak yerleşmesi için genellikle yeterli zaman yoktur - ölçülen eğri o zaman kararlı bir çalışma noktasını değil, geçici bir durumu tanımlar.

Bir güneş pilinin spektral yanıtı evrensel bir büyüklük değildir; ilgili absorbe edici malzemenin bant aralığı, katman kalınlığı ve optik kayıpları tarafından belirlenir. Kristal silisyum kabaca 400 ile 1100 nanometre arasında absorpsiyon yapar; ASTM E927'nin ve IEC 60904-9'un erken baskılarının orijinal spektral aralıkları tam olarak bu aralık için tanımlanmıştır. CdTe ve CIGS gibi ince film teknolojilerinin absorpsiyon kenarı hâlâ bu pencerenin içindedir, ancak kısa dalga boyundaki yanıtları orada daha iyi yakalandığından 2020'de 300-1200 nanometreye genişletilen değerlendirme aralığından faydalanırlar (IEC 60904-9:2020).

Genişletilmiş aralık bile perovskit-silisyum tandem hücreler ve III-V çok eklemli hücreler için yeterli değildir: III-V çok eklemli hücreler 1800 nanometreye kadar absorpsiyon bant genişliklerine sahiptir. Tandem hücreler yapısal bir özelliği daha ekler: alt hücreler seri olarak bağlanmıştır, dolayısıyla en düşük fotoakıma sahip alt hücre toplam hücre akımını sınırlar (akım eşleştirme koşulu). Test kaynağının spektral bir sapması burada tüm eğri boyunca tek biçimli bir hata olarak etki etmez, bunun yerine hangi alt hücrenin sınırlayıcı hale geleceğini kaydırır - sonuç, doğal güneş ışığı altında meydana gelmeyen bir ışınlama durumuna karşılık gelen bir karakteristik eğridir. Bu nedenle tandem hücrelerin karakterizasyonu, her bir alt hücrenin referans koşullar altında üreteceği fotoakıma özel olarak ayarlandığı simülatör spektrumunun spektral bir uyarlamasını gerektirir (Chojniak vd., 2024).

Spektral uyumsuzluk faktörü M, simülatör spektrumu, referans spektrumu ve referans ile test hücresinin spektral duyarlılıklarının birbirinden ayrışması durumunda ortaya çıkan sistematik hatayı düzeltir. Bu faktör ASTM E948 ve IEC 60904-7'de normatif olarak tanımlanmıştır:

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 ]

Burada E_ref(λ) spektral referans spektrumunu (genellikle AM1.5G), E_sim(λ) güneş simülatörünün numune düzlemindeki gerçek spektrumunu, S_ref(λ) referans hücrenin bağıl spektral duyarlılığını ve S_t(λ) test hücresinin bağıl spektral duyarlılığını ifade eder. Denkleme yalnızca bağıl spektral şekiller girdiğinden, mutlak kalibrasyon faktörleri birbirini götürür; yalnızca eğrinin şekli önem taşır. Test hücresinin Standart Test Koşulları altındaki M ile düzeltilmiş kısa devre akımı, simülatör altında ölçülen akımın M'ye bölünmesiyle elde edilir (ASTM E948).

Uygulanabilirlik için hem simülatör spektrumunun hem de her iki hücrenin duyarlılıklarının ilgili dalga boyu aralığında yeterli spektral çözünürlükle bilinmesi gerekir; spektral duyarlılıktaki ölçüm belirsizlikleri doğrudan M'nin belirsizliğine yansır. Modelin sınırları şöyledir: özellikle yapılandırılmış, birbirinden güçlü şekilde farklı spektral duyarlılığa sahip iki hücre için - örneğin kristal bir referans hücreye karşı ince film bir hücre - M değeri 1'den belirgin şekilde sapabilir ve aynı zamanda kaynaktaki küçük spektral değişikliklere karşı daha duyarlı hale gelir. Sistematik bir belirsizlik analizi, uyumsuzluk faktörünün bileşik belirsizliğinin, giriş spektrumlarının belirsizliklerinden Monte Carlo simülasyonu kullanılarak türetilebileceğini ve bunun, tek tek belirsizlik bileşenlerinin spektral olarak ne kadar güçlü korele olduğuna büyük ölçüde bağlı olduğunu göstermiştir: M'nin genişletilmiş belirsizliği, varsayılan korelasyon derecesine bağlı olarak %0,06 ila %1,26 arasında değişmiştir (Maham, Kärhä & Ikonen, 2023). M sabit bir cihaz sabiti değildir, her simülatör, referans hücre ve test hücresi kombinasyonu için yeniden belirlenmelidir ve belirsizliği kalibrasyon sonucunda belirtilmelidir.

Varsayımlar. Bilinen spektral responsivitesi olan kristal silikon bir referans hücre, A sınıfı bir ksenon güneş simülatörünün yoğunluğunu ayarlamak için kullanılır. Test edilecek CIGS ince film hücrenin spektral responsivitesi, kısa dalga boyu aralığında (400–600 nm) silikonunkinden daha yüksek, 900 nm üzerinde ise daha düşüktür - bu, ince film teknolojileri için tipik olan ve literatürde defalarca belgelenmiş bir örüntüdür.

Model. M, yukarıdaki tanıma göre dört spektral integralden oluşturulur.

Hesaplama (yayımlanmış büyüklük mertebelerine dayalı, niteliksel). Ksenon spektrumu, doğal emisyon çizgileri nedeniyle 800 nm üzerinde AM1.5G referans spektrumundan birkaç yüzde sapıyorsa, bu durum CIGS test hücresini silikon referans hücreden daha güçlü etkiler, çünkü bu spektral bölgede göreli ağırlıklandırmaları farklıdır. Referans hücre kalibrasyonlarına ilişkin sistematik belirsizlik çalışmaları, spektral olarak birbirinden farklı hücre çiftleri için birkaç yüzdelik düzeltme faktörlerini ve %1'in altından birkaç yüzdeye kadar değişen spektral duyarlı belirsizlik katkılarını belgelemiştir (Hohl-Ebinger & Warta, 2011).

Yorum. Bu nedenle düzeltilmemiş bir verim değeri, eğri şeklinde görünür olmadan sistematik olarak fazla ya da düşük olsa bile makul görünebilir. Güvenilir verim değerleri için, spektral olarak çözümlenmiş simülatör ölçümünün bilinen hücre responsivitesiyle birleştirilmesi, isteğe bağlı ek bir ölçüm değil, asıl eğri ölçümünün bir parçasıdır.

IEC 60904-9'a göre (Almanya'da DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9 olarak kabul edilmiştir) uluslararası olarak uyumlaştırılmış güneş simülatörü sınıflandırması, spektral uyum - mekansal homojensizlik - zamansal kararsızlık sırasıyla adlandırılan üç karakteristik değeri birbirinden bağımsız olarak derecelendirir; örneğin "sınıf AAA" veya "sınıf A+A+A+" gibi:

Kaynak: IEC 60904-9:2020.

2020 baskısı ayrıca henüz sınıflandırmada kullanılmayan iki opsiyonel metrik tanıtmıştır: spektral kapsama (SPC) ve spektral sapma (SPD). SPC, simülatörün irradyansının AM1.5G referans değerinin en az %10'una ulaştığı 300 ila 1200 nm arasındaki spektrum payını ifade eder; SPD ise tüm aralık boyunca mutlak spektral hataların toplamını verir. Her iki metrik de, önceki bölümde açıklanan salt bin (aralık) sınıflandırmasının, boşluklu ancak "uygun şekilde yerleştirilmiş" bir spektruma sahip LED simülatörlerini spektrumu gerçekten sürekli olarak yeniden üreten simülatörlerden güvenilir biçimde ayırt edememesi nedeniyle getirilmiştir.

Yukarıdaki bölümdeki sınıf tablosu izin verilen sapmayı vermektedir, ancak neyden sapıldığını vermez. İşte burada: AM1.5G referans spektrumu altı aralığa bölünmüştür, toplam irradyansın payı her biri için sabittir ve sınıf, altı oranın ortalamasından değil, altı oranın en kötüsünden belirlenir. Sağdaki sütunlar yüzde toleranslarını mutlak paylara dönüştürmektedir; okunabilirlik açısından B sınıfı (%60–140) dışarıda bırakılmıştır.

Bundan, yalnızca bir sınıf derecesinin ortaya koymadığı üç şey ortaya çıkmaktadır:

• Tek bir aralık belirleyicidir. Beş aralıkta %95'te, altıncı aralıkta ise %130'da bulunan bir simülatör B sınıfındadır – her yerde %130'da olan bir simülatörden daha iyi değildir. Sınıf bir minimumdur, bir not değildir.
• 400 nm'nin altında A, B ve C için hiçbir değerlendirme yapılmaz. Bu üç sınıfın değerlendirme aralığı 400 nm'de başlar. Bir simülatör A sınıfı olabilir ve UV'de çok az ya da çok fazla ışınım sağlayabilir – bu, silikon üzerinde bir I-V ölçümü için önemsizdir, ancak yaşlanma, sararma veya kapsülleme hakkındaki herhangi bir ifade için önemlidir. Yalnızca A+ 300 nm'den itibaren değerlendirme yapar.
• Paylar toplamda %100 eder. Bir aralıktaki fazlalık zorunlu olarak başka bir aralıktaki eksiklik anlamına gelir. Bu nedenle bir LED simülatörü tek tek kanalları yükselterek iyileştirilemez – sınıflandırma spektrumun yüksekliğini değil, şeklini değerlendirir.

Paylar, AM1.5G referans spektrumu için IEC 60904-9'a göredir; geçerli olan, standardın güncel baskısıdır.

Sınıf A bir güneş simülatörü, 400 ila 1100 nm arasındaki güneş spektrumunu yeniden üretir – bu, bir silikon hücrenin akım ürettiği aralıktır. Bir I-V ölçümü için bu tam olarak doğrudur. Modülün ne kadar dayandığı sorusu için ise bu yanlış dalga boyu aralığıdır: kapsülleme malzemesinin sararması, delaminasyon, arka yüzey tabakasının tebeşirleşmesi ve kenar sızdırmazlığının bozulması UV'de ve ağırlıklı olarak 400 nm'nin altında tetiklenir – A, B veya C sınıflandırması bu bölgeye hiç bakmaz.

Modül standardı bu nedenle ikisini birbirinden ayırır. IEC 61215, 280 ila 400 nm aralığında 15 kWh/m²'lik UV ön koşullandırma gerektirir; bunun en az 5 kWh/m²'si 280 ila 320 nm arasında olmalıdır, modül sıcaklığı 60 ± 5 °C'de – bu, modül termal döngü ve nem-donma dizisine girmeden önce gerçekleşir. Hiçbir güneş simülatörü bu ön koşullandırmayı üretmez; bunun için özel olarak üretilmiş lambalara sahip bir UV test kabini gerekir.

Opsytec ışınlama kabinleri tam olarak burada devreye girer:

• BS-04 – UVA-351, UVB-313 ve UVC arasında geçiş yapılabilen büyük UV test kabini. Buradaki kilit nokta geçiş yapılabilirliktir: UVB'deki 5 kWh/m²'ye yalnızca UVA'lı bir lambayla ulaşılamaz.
• BS-05 – numune alanı genelinde yüksek homojenliğe sahip, yaşlandırma ve fotostabilite için UV test kabini. Bir doz haftalar boyunca biriktiği için, herhangi bir homojensizlik doğrudan sonuca yansır: alandaki %10'luk bir sapma, sonunda dozda %10'luk bir farka dönüşür; bu ortalamaya oturan bir gürültü değildir.

Her ikisi de UV-MAT üzerinden doz kontrollü çalışır – test, belirli bir gün sayısından sonra değil, kWh/m² cinsinden ulaşılan bir dozda sona erer. Bu, gerekli değeri kanıtlayan bir test ile onu yalnızca tahmin eden bir test arasındaki farktır: lambalar yaşlanır ve altı hafta boyunca sabit varsayılan bir irradyans, sabit değildir.

Hücre ve modül üretimi. Endüstriyel üretimde, flaş test cihazları simüle edilmiş ışınlama altında ölçülen performansa göre modülleri güç sınıflarına ayırır. Burada önemli olan, her şeyden önce kısa flaş süresi boyunca zamansal kararlılıktır, çünkü verim ve tekrarlanabilirlik doğrudan flaşın tekrarlanabilirliğine bağlıdır.

Araştırma ve geliştirme. Üniversite ve kurumsal laboratuvarlar - örneğin yeni absorber malzemeleri geliştirirken - genellikle sürekli çalışan, spektral olarak esnek simülatörlere ihtiyaç duyar, çünkü perovskit-silikon tandemler gibi yeni hücre konseptlerinin metastabil etkileri yakalayabilmek için tanımlı sabit durum ışığı altında karakterize edilmesi gerekir. Kritik proses parametresi, ilgili alt hücreye göre spektral ayarlanabilirliktir.

Akredite kalibrasyon ve sertifikasyon laboratuvarları. Üreticiden bağımsız verim doğrulaması, izlenebilir referans hücreler ve simülatör kaynağının belgelenmiş, spektral olarak çözümlenmiş karakterizasyonunu gerektirir. Kritik proses parametresi, kalibrasyon sertifikasında belirtilmesi gereken spektral uyumsuzluk faktörünün ölçüm belirsizliğidir.

Uzay fotovoltaikleri. Uydu ve uzay aracı hücreleri için referans, AM1.5G değil, yaklaşık 1367 W/m² ışınım yoğunluğuna ve AM1.5G'den daha güçlü bir kısa dalga boylu bileşene sahip olan uzay dışı AM0 spektrumudur, çünkü Dünya atmosferi artık spektrumu filtrelemez. Burada belirleyici olan, UV ve mavi bölgedeki spektral uyumdur.

Konsantratör fotovoltaikleri (CPV). Güneş ışığını optik olarak yoğunlaştıran sistemler, birkaç yüzden birkaç bine kadar "güneş"e karşılık gelen yüksek irradyansa sahip simülatörler gerektirir. Kritik proses parametresi, yoğun şekilde odaklanmış ışık noktasının homojenliğidir, çünkü yüksek konsantrasyonda meydana gelen homojensizlikler orantısız şekilde yerel ısıl ve elektriksel etkilere dönüşür.

Malzeme yaşlanması ve kaplama (encapsulation). Elektriksel performans testinin yanında, kaplama filmlerinin, yapıştırıcıların, arka yüzey malzemelerinin ve yansıma önleyici kaplamaların UV ışınlaması altında hızlandırılmış yaşlanma testi de bulunur. Burada önemli olan elektriksel verim değil, fotokimyasal etkidir - daha fazla bilgi için UV yaşlanması, renk haslığı ve fotostabilite konusundaki derinlemesine bilgilere bakınız.

Tandem ve çok eklemli güneş pilleri, tipik olarak birbirinden bağımsız kontrol edilebilen birkaç düzine spektral kanala sahip çok kaynaklı simülatörler gerektirir. Fraunhofer Güneş Enerjisi Sistemleri Enstitüsü ISE'de perovskit-silikon tandem moduller için geliştirilen bir sistem, 320 ila 1650 nanometre dalga boyu aralığını kapsayan toplam 18.400 LED'den oluşan 40 ışık kaynağı üzerinde 28 spektral olarak ayarlanabilir ışık kanalını bir araya getirmekte ve ayrıca farklı günün saatleri ile konum spektrumlarının simüle edilmesine imkân sağlamaktadır (Fraunhofer ISE, 2023).

Çift yüzlü moduller, sahadaki ek arka yüz verimi difüz ve yansıyan radyasyona bağlı olduğundan, hem ön hem de arka yüzün kontrollü ışınlanmasını gerektirir. IEC TS 60904-1-2 teknik şartnamesi, çift yüzlü hücre ve modullerin karakteristik eğrilerinin hem doğal hem de simüle edilmiş ışınlama altında ölçülmesine yönelik prosedürleri tanımlamaktadır.

Kararsız malzemeler (perovskit). Silikon üretiminden gelen klasik flaş simülatörler perovskit tabanlı hücreler için kolaylıkla kullanılamaz, çünkü kısa flaş süresi bu malzeme sınıfının ışığa bağlı, metastabil davranışını yakalamaya yetmemektedir. Tanımlı bir süre boyunca stabilize edilmiş güç ölçümüyle sürekli aydınlatma altında karakterizasyon gerekmektedir - uluslararası bir araştırma konsorsiyumu tarafından üzerinde uzlaşılan bir prosedür, diğerlerinin yanı sıra kaynağın spektral özelliklerinin belgelenmesiyle birlikte 800 ila 1000 W/m² ışık yoğunluklarını önermektedir (Khenkin ve ark., 2020).

Yoğunlaştırılmış ışınlama. CPV sistemleri için, homojenleştirici çubuk ve kolimasyon optikleri içeren sürekli ksenon simülatörler veya test edilen cihazı termal olarak aşırı yüklemeden kısa süreliğine birkaç yüz güneş üreten darbeli yüksek akılı düzenekler kullanılmaktadır.

Herhangi bir güneş simülatörü karakterizasyonunun başlangıç noktası, hangi cihazın kullanılabilir olduğu değil, ilgili uygulama için hangi ölçüm büyüklüğünün gerçekten anlamlı olduğu sorusudur. Günlük üretimde salt yoğunluk izleme için, kaynak spektrumunun bilindiği ve kararlı olduğu koşuluyla, numune düzleminde kalibre edilmiş bir silikon veya termopil sensörle yapılan geniş bantlı radyometrik bir ölçüm genellikle yeterlidir. Bir güneş simülatörü yeni devreye alındığında, lamba değişiminden sonra yeniden yeterlilik kazandırıldığında veya sertifikasyon amacıyla kullanıldığında, spektral çözünürlüklü bir ölçüm gerekli hale gelir; çünkü ancak bu ölçüm IEC 60904-9'a göre sınıflandırmayı ve spektral uyumsuzluk faktörünün belirlenmesini mümkün kılar.

Test alanı kaynağın homojenlik bölgesine kıyasla büyük olduğunda - örneğin tek tek hücreler yerine tam moduller için - konumsal ölçümler gerekli hale gelir; standart, tanımlanmış konumlarda minimum sayıda ızgara (raster) ölçümü yapılmasını gerektirir. Yoğunluğun ve bazen spektrumun ölçüm penceresi içinde değişebilmesi nedeniyle, darbeli kaynaklar veya termal ısınma süresine bağlı kaynaklar için zamana bağlı ölçümler kaçınılmazdır.

Otomatik üretim hatlarında güneş simülatörü genellikle, laminasyondan sonra her modülü kısa bir ışık darbesiyle test eden ve ölçülen eğriye dayanarak otomatik olarak güç sınıflarına ayıran satır içi (inline) bir flaş test cihazının bir parçasıdır. Teknik açıdan önemli olan, salt ağ bağlantısı değil, kaynağın spektral ve yoğunlukla ilgili kararlılığının binlerce test döngüsü boyunca izlenmesi gerekliliğidir: lamba yaşlanması, optik elemanların kirlenmesi ve termal kayma, ekipmanın dış görünüşünden fark edilmeksizin etkin irradyansı kademeli olarak değiştirir.

Bu nedenle üretime yönelik izleme konseptleri, daha uzun aralıklarla yapılan eksiksiz bir spektral referans ölçümünü, tam kalibrasyon döngüleri arasında sabit bir dalga boyu aralığında sürekli, geniş bantlı bir kontrol ölçümüyle birleştirir. Bu sayede, her tek test döngüsünde eksiksiz ve zaman alıcı bir spektral ölçüm yapmak zorunda kalmadan, kademeli bir spektral kaymanın erken tespit edilmesi mümkün olur. Bu tür kontrol ölçümlerinin tesis kontrol sistemine entegre edilmesi, kaydedilmiş bir referans spektrumdan sapmaların, yanlış sınıflandırılmış modüllerde ortaya çıkmadan önce otomatik olarak tespit edilmesini sağlar.

Bu ölçümlerin her biri için ölçüm belirsizliği açıkça dikkate alınmalıdır: bu belirsizlik, sensörün kalibrasyon belirsizliğini, sensörün referans spektruma göre kendi spektral uyumsuzluğunu ve - türetilmiş verim değerleri için - uyumsuzluk faktörünün belirsizliğini kapsar. Kullanılan cihazların ulusal veya uluslararası standartlara metrolojik izlenebilirliği, farklı laboratuvarların karşılaştırılabilir değerler bildirebilmesinin ön koşuludur.

Aşağıdaki yayın, LED tabanlı çok kaynaklı simülatörlerin spektrumunu özellikle tandem güneş pilleri için hassas biçimde ayarlamaya yönelik bir yöntem geliştirmektedir ve bu nedenle perovskit-silikon modüllerin ölçüm teknolojisiyle doğrudan ilgilidir:

"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.

Bu çalışma, ilgili spektrumların belirsizliklerinden spektral uyumsuzluk faktörünün belirsizliğinin Monte Carlo yöntemleriyle nasıl hesaplanabileceğini sistematik olarak incelemekte ve kalibrasyon belirsizliği bütçeleri için nicel bir temel sunmaktadır:

"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.

Sık atıf yapılan aşağıdaki temel çalışma, Standart Test Koşulları altında spektral uyumsuzluk faktörünün belirsizliğinin ilk sistematik olarak ele alınışıdır ve günümüzde kalibrasyon laboratuvarları için metodolojik bir referans olma özelliğini sürdürmektedir:

"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.

Uluslararası düzeyde mutabakata varılan bu görüş bildirisi, perovskit güneş pillerinin kararlılık testleri için ölçüm ve raporlama protokollerini tanımlamakta ve diğer hususların yanı sıra kısa flaş ölçümleri yerine sürekli, spektral olarak belgelenmiş ışınlama gerekliliğinin dayanağını oluşturmaktadır:

"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.

Fotovoltaik, kendi müşteri yayınlarımızda da modül kapsülleme malzemelerinin UV yaşlanmasından hücre katmanlarının UV ile işlenmesine, uzay uçuşu kullanımı için güneş panellerinin test edilmesine kadar birçok yönüyle karşımıza çıkıyor.

Fotovoltaik modüller için dört farklı kapsülleme malzemesini, dünyanın modül yaşlandırma açısından UV yoğunluğu en yüksek test alanlarından biri olan Atacama Çölü'nde UV ışınlaması altında karşılaştırıyor.
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.

Silikon heteroeklem hücrelerin pasifleştirilmiş kontaklarında UV kaynaklı bozulmanın nasıl geliştiğini araştırıyor - bu sayfanın spektral olarak farklı bir sınıf olarak açıkça belirttiği hücre teknolojilerinden biri.
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).

Perovskit güneş hücrelerinin katman seçici tavlanması için UV-LED ışınlamasını kasıtlı olarak kullanıyor ve gereken kristalleşme enerjisini belirliyor - UV'nin sadece bir test yöntemi değil, bir üretim aracı olarak kullanıldığı bir örnek.
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.

Organik güneş hücrelerinin hassas kontrollü, hızlandırılmış fotobozunması için özel bir yüksek irradyans düzeneği geliştiriyor - metodolojik olarak bu sayfada açıklanan konsantratör fotovoltaikleri için yüksek akılı güneş simülatörleriyle ilişkili.
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 görevine ait güneş paneli malzemelerini yüksek yoğunluk ve yüksek sıcaklık altında test ediyor - bu sayfanın uygulama alanları bölümünde açıklanan uzay fotovoltaikleri için pratik bir örnek.
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.

İlgili konu alanlarından diğer çalışmalar konuya göre sıralanmış müşteri yayınlarında derlenmiştir.

Yayın bulucu, bildiğimiz tüm fotovoltaik yayınlarını listeler – cihaza, alana ve anahtar kelimeye göre aranabilir.

• IEC 60904-9:2020, Photovoltaic devices - Part 9: Solar simulator performance requirements (ulusal: DIN EN IEC 60904-9 VDE 0126-4-9); ayrıca IEC TS 60904-1-2:2024 (bifasiyal moduller) ve 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

Fotovoltaikte bir güneş simülatörü nasıl çalışır?
Bir güneş simülatörü, tanımlanmış referans koşulları altında (genellikle AM1.5G, 1000 W/m², 25 °C hücre sıcaklığı) güneş ışığının spektral irradyansını yeniden üretir. Bir ışık kaynağı, optikler, filtreler veya - LED sistemlerde - elektronik kanal kontrolü aracılığıyla ayarlanır; böylece ışınım yoğunluğunun spektrumu, uzaysal dağılımı ve zamansal davranışı standart tarafından belirlenen sınırlar içinde kalır.

Fotovoltaik testler için hangi dalga boyu aralığı veya spektrum uygundur?
Karasal uygulamalar için AM1.5G, uzay uygulamaları için AM0 standarttır. İlgili dalga boyu aralığı hücre tipine bağlıdır: klasik silikon için 400–1100 nm, ince film ve modern silikon hücreler için 300–1200 nm, III-V çok eklemli hücreler için 1800 nm'ye kadar.

Standart Test Koşulları için gereken ışınım yoğunluğu nedir?
Standart Test Koşulları (STC), 25 °C hücre sıcaklığında 1000 W/m² AM1.5G ışınım yoğunluğunu belirtir. Bu üç büyüklüğün - spektrum, yoğunluk, sıcaklık - hepsinin birlikte karşılanması gerekir; üçünden birinin eksik olması ölçüm sonucunu diğer ölçümlerle karşılaştırılamaz hale getirir.

A sınıfı AAA ile A+A+A+ sınıfı arasındaki fark nedir?
Her ikisi de IEC 60904-9'a göre en yüksek veya genişletilmiş bir sınıflandırmayı ifade eder. AAA sınıfı, üç kriterin (spektrum, homojenlik, kararlılık) tümünde A sınıfını karşılar. A+ sınıfı 2020'de tanıtılmıştır, A sınıfının iki katı sıkı toleranslar gerektirir ve 300–1200 nm'lik genişletilmiş bir spektral aralıkta kanıtlanmalıdır.

Nominal olarak yeterli lamba gücüne rağmen bir güneş simülatörü neden yanlış ölçüm değerleri üretir?
Elektriksel lamba gücü ile numune düzlemindeki optik ışınım yoğunluğu doğrusal olarak bağlı değildir; yaşlanma, filtre durumu ve sıcaklık elektro-optik verimi değiştirir. Ayrıca, kaynak spektrumu ve hücre duyarlılığı referans durumdan saptığında bir spektral uyumsuzluk hatası (spectral mismatch error) ortaya çıkabilir - bu hata yoğunluktan bağımsızdır ve hesaplama yoluyla düzeltilmelidir. Elektriksel güçten elektro-optik verim üzerinden etki noktasındaki ölçülen büyüklüğe kadar genel türetme, radyometrik büyüklükler altında verilmiştir.

Bir güneş simülatörünün spektral irradyansı nasıl ölçülür?
Spektral karakterizasyon, numune düzleminde kalibre edilmiş bir spektroradyometre ile gerçekleştirilir; uzaysal homojenliği belirlemek için test alanı boyunca bir tarama ölçümü ve darbeli kaynaklar için flaş süresi boyunca zaman-çözünürlüklü bir ölçüm ile tamamlanır.

Tandem güneş hücreleri için hangi simülatör teknolojisi uygundur?
Perovskit-silikon tandem ve çok eklemli güneş hücreleri, bağımsız olarak kontrol edilebilir spektral kanallara sahip çok kaynaklı LED simülatörler gerektirir, çünkü her alt hücrenin kendi referans fotoakımına ayrı ayrı ayarlanması gerekir. Klasik tek veya çift lambalı ksenon sistemler genellikle bu gereksinimi karşılayamaz.

Perovskit hücreler için flaş test cihazından alınan bir anlık görüntü neden yeterli değildir?
Perovskit malzemeler, birkaç saniyeden dakikalara kadar süren sürekli ışınlamadan sonra ancak kararlı hale gelen metastabil, ışığa bağlı bir davranış gösterir. Milisaniye aralığındaki bir flaş yalnızca geçici bir durumu yakalar; bu nedenle üzerinde anlaşılan test protokolleri, kararlı durum ışığı altında zaman-çözünürlüklü bir güç ölçümü gerektirir.

Güneş ışığının kontrollü olarak yeniden üretilmesi birçok alanda gereklidir: ışık ve ekran ölçümü spektroradyometriyi ve kalibrasyon zincirini paylaşır, elektronik ve yarı iletken üretimi hücrelerin kaynaklandığı süreçleri sağlar ve fotokatalitik hidrojen üretimi verimliliklerin karşılaştırılabilir olması için aynı AM1.5 koşullarıyla çalışır. Tüm resmi UV uygulamaları genel bakışında bulabilirsiniz.

Nominal bir sınıf tanımı, bir güneş simülatörünün sürekli çalışma sırasında gerçekte ne kadar kararlı ve spektral olarak homojen olduğu hakkında çok az şey söyler. Hücreler, moduller veya yeni malzeme sınıfları için güvenilir verim değerlerine ihtiyaç duyan herkes, numune düzleminde spektral olarak çözümlenmiş bir karakterizasyondan ve bunun için kullanılan cihazların izlenebilir kalibrasyonundan kaçınamaz. Güneş simülatörlerinin ve global irradyansın spektral karakterizasyonu için SR900 kullanılabilir; tam kalibrasyon döngüleri arasında sabit bir dalga boyu aralığının sürekli izlenmesi için bir RMD Pro; ve kapsülleme malzemelerinin kontrollü UV maruziyet testleri için, UV-MAT üzerinden doz kontrollü çalışan ışınlama kabinleri kullanılabilir. Test gereksiniminiz için bizimle iletişime geçebilirsiniz.