Pomiar parametrów elektrycznych pojedynczego ogniwa odbywa się przy użyciu urządzenia zwanego symulatorem słońca. Symulator słońca/ sztuczne słońce (ang. solar simulator / artificial sun simulator) jest urządzeniem laboratoryjnym, które wytwarza oświetlenie zbliżone do naturalnego światła słonecznego. Zadaniem symulatora słonecznego jest zapewnienie w warunkach laboratoryjnych kontrolowanego stanowiska badawczego, służącego do badania ogniw słonecznych. Symulator słoneczny wyznacza charakterystykę prądowo-napięciową, a oprogramowanie z nim zintegrowane wyznacza parametry ogniwa. W wybranych modelach możliwa jest zmiana temperatury lub symulacja zjawisk pogodowych [1].
Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej wykonywany jest w standardowych warunkach testowych (ang. Standard Test Conditions, STC): natężenie promieniowania 1000 \( \frac{W}{m^{2}} \), widmo słoneczne AM 1.5, temperatura ogniwa powinna wynosić 25°C.

Alternatywnymi warunkami testowymi rzadziej stosowanymi do pomiarów są tzw. warunki nominalnej temperatury pracy modułu fotowoltaicznego (ang. Normal Operating Cell Temperature – NOCT). Według NOTC ogniwo jest oświetlane promieniowaniem słonecznym o natężeniu 800 \( \frac{W}{m^{2}} \), w temperaturze 20 \( _{}^{o}\textrm{C} \) i prędkości wiatru równej 1 m/s. Wydajności otrzymywane w pomiarach wykonanych w warunkach NOTC są niższe o około \( 30\% \), za to zbliżone do wydajności rzeczywistych [2].
Symulatory słoneczne muszą spełniać normy widma słonecznego określone przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną (IEC). Widmo spektralne światła wychodzącego ze źródła w symulatorze słonecznym jest kontrolowane zazwyczaj przy użyciu filtrów. Sprawdzana jest też jego stabilność czasowa oraz jednorodność przestrzenna. Żywotność lampy w zależności od zastosowania wynosi 1000-5000 godzin. W zależności od stopnia wypełnienia warunków normatywnych przypisana jest każdemu urządzeniu odpowiednia klasa. Parametry symulatora słonecznego określa się w trzech kategoriach: dopasowanie widmowe, nierównomierność przestrzenna i niestabilność czasowa. Każda z kategorii szergowana jest w trzech klasach A, B, C [3].
Klasa AAA, zgodnie z normami IEC 60904-9, ASTM E927 i JIS C8912, jest symbolem wypełnienia trzech różnych parametrów normy, czyli Class A Spectral Match (dopasowanie widma do widma AM1.5 powinno się mieścić w zakresie 0,75–1,25, jako 1,00 rozumiemy widmo dopasowane idealnie), Class A Spatial Uniformity (dopuszczalna niejednorodność wynosi mniej niż \( 2\% \) dla ogniw o średnicy do 20 cm, a \( 3\% \) dla ogniw większych) i Class A Temporal Stability (niestabilność musi być mniejsza niż \( 2\% \)). Wypełnienie warunków normatywnych pozwala na wykonywanie testów z najwyższą precyzją. Badania wykonane takim urządzeniem stanowią podstawę oceny technicznej ogniwa. Ogniwa fotowltaiczne wchodzące na rynek powinny być przebadane i posiadać dokument certyfikacji.

Akademia Górniczo-Hutnicza posiada symulator światła słonecznego. Jest to urządzenie I-V Curve Tracer For Solar Cells Qualification (Klasa AAA, standard IEC 60891). Zbudowane jest ono z lampy, zasilacza, układu sterującego i pomiarowego, komputera z oprogramowaniem, stolika pomiarowego, kontrolera temperatury ( Rys. 1 ).

Widok ogólny stanowiska przedstawiono na Rys. 2 [4]. W urządzeniu wykonywany jest pomiar tzw. metodą czteropunktową (ang. four probes Kelvin technique) ¹ – stąd obecność elektrod tzw. napięciowych i prądowych.

Urządzenie może mierzyć ogniwa słoneczne o maksymalnej wielkości 20cm x 20cm. Najważniejszą częścią zestawu pomiarowego jest zespół lamp z filtrem dający widmo podobne do AM1.5 oświetlające marmurowy stolik pomiarowy z zestawem elektrod ( Rys. 3 ). Zespół elektrod z mierzonym ogniwem fotowoltaicznym jest przedstawiony na Rys. 3b. Urządzenie posiada możliwość badania zależności wydajności ogniw od temperatury. Przed dokonaniem pomiarów symulator powinien być skalibrowany, odpowiednio dla ogniw monokrzemowych i polikrzemowych. Kalibrowane jest natężenie prądu zwarcia.

Urządzenie jest sterowane przy pomocy oprogramowania komputerowego Solar Cell Tester. Program służy do rejestracji i opracowania charakterystyk prądowo-napięciowych. Ekran główny programu (pulpit operatora ( Rys. 4 ) ) przedstawia charakterystykę prądowo-napięciową (czerwone kropki), zależność mocy ogniwa od zmierzonego na nim napięcia (niebieska linia). Na ekranie głównym wyświetlane są min. zmierzone parametry ogniwa i warunki pomiaru. Z poziomu ekranu głównego można wprowadzić informacje na temat badanego ogniwa, przeprowadzana jest kalibracja oraz eksport otrzymanych wyników.

Film prezentuje kompaktowy symulator firmy ISOSun Solar Simulator.

InfinityPV, ISOSun Solar Simulator (Prezentacja symulatora światła), 20.11.2018 (dostęp 15.09.2020). Dostępne w YouTube: https://youtu.be/Rc_CdpqVd7c.

Przypis

1. Zob. film Rafała Jackiewicza: Techniczna metoda pomiaru rezystancji lub natężenia.