PV校正：信頼性の高いモジュールテストのためのソーラーシミュレーターの校正方法

はじめに：太陽光シミュレータ校正が重要な理由

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場合、測定されるモジュールの出力、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な意味を持ちます。

太陽光シミュレータは、管理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。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 AM1.5Gスペクトル、セル温度25°Cに調整されるべきです。

PV業界では、WPVSセルが一般的に 一次参照デバイスとして使用されます。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セルの校正済み短絡電流（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%まで低くできます。

このトレーサビリティと安定性のため、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太陽光シミュレータ校正は、ソフトウェアに数値を設定するだけではありません。試験エリアは広く、多くの場合約 2.6 m × 1.5 m またはさらに 3 m × 2 m最終的な放射照度調整の前に、試験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、不均一性試験エリアはシミュレータの試験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、試験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参照セルのモニタリング：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：参照セルはしばしば主要な試験エリアの外側に配置されます。その位置の放射照度は、モジュール試験面の平均放射照度よりも低い場合があります。補正なしで計量値を直接使用すると、モジュール試験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る可能性があります。

参照セルが試験エリア内に配置されている場合でも、問題は完全には解消されません。不均一性が1%未満のA+クラスのシミュレータでは、参照セルはしばしば試験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試験では、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、温度変動は依然として測定不確かさに寄与します。精度を目指す場合、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、優れた直線性も備えています。これにより、異なる光強度レベルでのシミュレータ放射照度の校正に役立ちます。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を掛けて、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、しばしば異なるフィルタを用いて達成されます。フィルタを交換した後は、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お勧めします。

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、校正された分光計を使用して、試験領域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つの測定ポイントが必要です。

重要なのは、1つの場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領域にわたって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、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関連の評価で議論されることが多いスペクトル偏差は、できるだけ低く抑えるべきです。

実際的な懸念の1つは、LEDシミュレータが通常複数のLED回路基板から構築されていることです。これにより、試験平面全体で顕著なスペクトルの不均一性が生じる可能性があります。このため、最小要件のみに依存するのではなく、より多くのポイントを測定する方が良いです。

もう1つの重要な点：LEDシミュレータはフィルタなしで大きな放射照度の変化を達成できますが、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、スペクトルが変わらないと想定するのではなく、再度確認する必要があります。

まとめ：校正はPV測定の基盤です

太陽光シミュレータの校正は、正確なPVモジュール試験の基盤の1つです。実験室では、主な目的は精密な測定を達成し、高品質の校正値を二次参照デバイスに転送することです。

生産ラインでは、速度、再現性、機器の安定性、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、校正戦略は異なる場合があります。しかし、核心的な原則は同じです：光源は制御され、検証され、理解されなければなりません。

日射量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。基準セルの位置、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留まりません。

Ooitechの見解

太陽電池モジュール生産ラインと協力する設備サプライヤーとして、Ooitechは太陽光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テスターと太陽光シミュレーターは、明確な校正手順、安定した基準デバイス、実用的なオペレーター研修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。本当の課題は、特に先進的なモジュール技術とより高い出力定格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。