はじめに：太陽光シミュレータの校正が重要な理由

太陽電池モジュール試験において、信頼性の高い測定は、適切に校正された太陽光シミュレータから始まります。シミュレータの出力が正確に制御されていないと、測定されるモジュールの電力、電流、効率はすべて真の値からずれる可能性があります。500 W以上の高出力モジュールが一般的となった市場では、0.5%の誤差でも商業的に重要になり得ます。

太陽光シミュレータは、制御された実験室条件下で太陽光を再現するように設計された装置です。これは、特にSTC（標準試験条件）下でのPVモジュール性能試験に広く使用されています。簡単に言えば、プロフェッショナルなPV電気試験の背後にある主要な光源です。

図1 A+ A+ A+ 太陽光シミュレータ

画像出典：インターネット

STC下での放射照度校正

ほとんどの実験室校正作業では、最初の目標は放射照度です。STC下では、シミュレータは 1000 W/m² に調整され、AM1.5Gスペクトルとセル温度25°Cでなければなりません。

PV業界では、WPVSセルが 一次参照デバイスとして一般的に使用されています。PTBやNRELなどの認定計量機関は、AM1.5Gおよび1000 W/m²の放射照度下でのWPVSセルの校正された短絡電流（Isc）を提供します。この校正値は国際単位系にトレーサブルであり、その不確かさは約0.5%と低くなります。

このトレーサビリティと安定性により、WPVSセルは低不確かさの校正値を二次参照デバイスに転送するためによく使用されます。

しかし、モジュールレベルのソーラーシミュレーター校正は、ソフトウェアに1つの数値を設定するだけではありません。テストエリアは広く、多くの場合 2.6 m × 1.5 m または 3 m × 2 mです。最終的な放射照度調整の前に、テスト面全体の放射照度分布を点ごとに測定する必要があります。IEC 60904-9によると、不均一性テストエリアはシミュレーターのテストエリアの少なくとも80%をカバーする必要があります。その後、テスト面全体の平均放射照度を計算し、校正の基準として使用できます。

図2 WPVSセル

画像出典：インターネット

WPVS参照セルモニタリング：小さな位置誤差が重要

校正中、WPVSセルは通常、参照セル位置に配置され、シミュレーター動作中のリアルタイム放射照度を監視します。WPVSセルからの電流信号は、アンプまたは抵抗を介して電圧信号に変換され、シミュレーターシステムによって読み取られます。

校正は、関連するソフトウェアパラメータを調整することで完了します。例えば、一部のHalmシミュレーターは校正値設定を使用し、一部のPasanシステムは感度設定を使用します。特定のシステムでは、電流と感度の関係が変換式として直接提供されます。

しかし、見落とされがちな詳細があります。参照セルは多くの場合、メインテストエリアの外側に配置されます。その位置での放射照度は、モジュールテスト面の平均放射照度よりも低い可能性があります。補正なしで計量値が直接使用されると、モジュールテストエリアの実際の放射照度が高くなりすぎ、測定電力に影響を与えます。

参照セルがテストエリア内に配置されていても、問題は完全には消えません。不均一性が1%未満のA+クラスシミュレーターでは、参照セルは多くの場合、テストゾーンの端近くに配置されます。これにより、約0.5%から1%の偏差が生じる可能性があります。PVテストでは、これは小さな数値ではありません。

参照セルの温度も 25°Cに近く制御する必要があります。Iscの温度係数は通常比較的小さいですが、温度変動は測定の不確かさに寄与します。精度を目標とする場合、温度の影響は可能な限り低減する必要があります。

図3 太陽光シミュレータの試験エリアと参照セルの位置

異なる放射照度レベルでの校正

WPVSセルは安定しているだけでなく、直線性にも優れています。そのため、異なる光強度レベルでシミュレータの放射照度を校正するのに役立ちます。例えば、目標放射照度が 200 W/m²の場合、1000 W/m²での校正済みIsc値に0.2を乗じて期待される参照電流を得ることができます。

キセノンランプ太陽光シミュレータでは、大きな放射照度の変化は多くの場合、異なるフィルターで実現されます。フィルター交換後は、光学分布が強度とともに変化する可能性があるため、放射照度の不均一性を再測定することを推奨します。

スペクトル校正：キセノンおよびLEDシミュレータ

キセノン太陽光シミュレータの場合、スペクトルは主にランプ光源と光学フィルターによって決まります。ほとんどの実験室では、スペクトルを自由に調整することはできません。したがって、正しい方法は、校正済みの分光計を使用して試験エリアの複数の位置でスペクトルを測定することです。IEC 60904-4によると、少なくとも4つの測定点が必要です。

重要なのは、1か所だけでスペクトルを完璧に見せることではなく、シミュレータが関連する試験エリア全体で要求されるスペクトルクラスを満たしていることを確認することです。

図4 スペクトル測定位置

LEDベースの太陽光シミュレータはより柔軟です。そのスペクトル分布は通常ソフトウェアで調整できるため、IEC 60904-9のA+スペクトル要件を満たしやすくなります。それでも、SPD関連の評価でよく議論されるスペクトル偏差は、可能な限り低く抑える必要があります。

実用的な懸念事項の1つは、LEDシミュレータは通常、複数のLED回路基板から構築されることです。これにより、試験面全体で顕著なスペクトル不均一性が生じる可能性があります。そのため、最低限の要件だけに頼るのではなく、より多くの点を測定する方が良いでしょう。

もう1つの重要な点：LEDシミュレータはフィルターなしで大きな放射照度変化を実現できますが、異なる放射照度レベルでスペクトルが変化する可能性があります。放射照度設定が大幅に変更されるたびに、スペクトルは変化しないと仮定するのではなく、再確認する必要があります。

まとめ：校正はPV測定の基礎です

ソーラーシミュレーターの校正は、正確なPVモジュール試験の基盤の一つです。実験室では、主な目的は精密な測定を達成し、その高品質な校正値を二次参照デバイスに移すことです。

生産ラインでは、速度、再現性、装置の安定性、工場のプロセス制御がすべて測定システムの一部となるため、校正戦略が異なる場合があります。しかし、基本原則は同じです。光源は制御、検証、理解されなければなりません。

放射照度校正とスペクトル測定の両方には、慎重な作業が必要です。参照セルの位置、試験エリアの不均一性、フィルター交換、LEDスペクトル分布、温度制御はすべて、最終的な電力結果に影響を与える可能性があります。PV試験では、小さな誤差は長く小さなままではいられません。

Ooitechの見解

太陽光モジュール生産ラインと協力する装置サプライヤーとして、Ooitechはソーラーシミュレーターの校正を一度きりの設定ではなく、工場全体の品質管理システムの一部と見なしています。高スループットのモジュール製造では、IVテスターとソーラーシミュレーターは、明確な校正手順、安定した参照デバイス、実用的なオペレーター訓練と組み合わせる必要があります。そうでなければ、実験室の精度が生産ラインの再現性に反映されない可能性があります。真の課題は、特に高度なモジュール技術とより高い定格出力により小さな測定偏差がより顕著になる場合に、精度と日常の製造効率のバランスを取ることです。