태양 시뮬레이터

태양 시뮬레이터(인공 태양 또는 햇빛 시뮬레이터)는 자연광에 가까운 조명을 제공하는 장치다. 태양열 시뮬레이터의 목적은 실험실 조건에서 제어 가능한 실내 시험 시설을 제공하는 것이다. 태양전지,^[1] 태양 스크린,^[2] 화장품,^[3] 플라스틱, 항공우주 물질,^[4] 피부암,^[5] 생물 발광,^[6] 광합성,^[7] 수처리,^[8] 원유 분해,^[9] 자유 급진적 형성을 포함하여 감광성이 있는 모든 공정이나 물질의 시험에 사용할 수 있다.^[10] 태양 시뮬레이터는 광생물학,^[11] 광산화,^[12] 광분해,^[13] 태양광,^[14] 광투석 등 광범위한 연구 분야에서 사용된다.^[15]

분류

태양광 발전 시험에 사용되는 태양열 시뮬레이터의 성능 요건을 명시하는 표준은 IEC 60904-9,^[16] ASTM E927-19,^[17] JIS C 8912이다.^[18] 이 표준은 태양 시뮬레이터에서 나오는 빛에 대한 다음과 같은 제어 치수를 명시한다.

1. 스펙트럼 함량(스펙트럼 일치로 표시)
2. 공간 통일성
3. 일시적 안정
4. 스펙트럼 범위(SPC) (IEC 60904-9:2020에만 해당)
5. 스펙트럼 편차(SPD) (IEC 60904-9:2020에만 해당)

태양 시뮬레이터는 위의 치수 중 첫 번째 3개 등급의 성능에 따라 지정되며, 각각 A, B 또는 C의 세 가지 등급 중 한 가지 등급으로 지정된다. (4번째 분류, A+는 IEC 60904-9 2020년 판에 도입되었으며 300 nm ~ 1200 nm의 스펙트럼 범위에서 평가된 태양 시뮬레이터에만 적용된다.)^[16] ASTM E927-19의 경우 태양열 시뮬레이터가 A, B, C 기준 밖으로 떨어지면 등급 U(비분류)로 간주된다.^[17] 이러한 표준은 원래 태양광 시험을 위해 특별히 정의되었지만, 그들이 도입한 측정기준은 다른 애플리케이션과 산업에서 태양열 시뮬레이터를 보다 광범위하게 지정하는 일반적인 방법이 되었다.^[19][20][21]

각 등급과 치수에 필요한 ASTM E927-19 규격은 아래 표 1에 정의되어 있다. 3차원 모두에서 A급 사양을 만족하는 태양 시뮬레이터를 AAA 등급 태양 시뮬레이터라고 한다(위의 첫 번째 3차원 참조).^[17]

표 1: 태양열 시뮬레이터 분류

분류	스펙트럼 일치(모든 간격)	공간적 일조도 불균일성	일조 강도의 시간적 불안정성	적용 가능한 표준
클래스 A+	0.875–1.125	1%	1%	IEC 60904-9:20, 300nm–1200nm
A급	0.75–1.25	2%	2%	IEC 60904-9, ASTM E927, JIS C 8912
B급	0.6–1.4	5%	5%	IEC 60904-9, ASTM E927, JIS C 8912
C급	0.4–2.0	10%	10%	IEC 60904-9, ASTM E927, JIS C 8912
클래스 U(분류되지 않음)	> 2.0	> 10%	> 10%	ASTM E927

ASTM E927-19 표준은 태양 시뮬레이터를 설명하기 위해 이 삼중 문자 형식을 사용할 때마다 각 태양 시뮬레이터 메트릭에^[17] 적용되는 분류(예: 클래스 ABA 태양 시뮬레이터는 클래스 ABA 태양 시뮬레이터가 클래스 A 대 B인 파라미터가 무엇인지 명확히 할 필요가 있음)를 명시한다.

IEC 60904-9 표준은 세 글자가 스펙트럼 일치, 불균일성, 시간적 불안정성의 순서로 되어야 한다고 명시한다.^[16]

스펙트럼 일치

태양 시뮬레이터의 스펙트럼 일치는 출력 스펙트럼과 통합 방사조도를 여러 파장 간격으로 비교함으로써 계산된다. AM1.5G 및 AM1.5D의 표준 지상 스펙트럼에 대한 총 방사조도의 참조 비율은 표 2와 외계 스펙트럼 AM0. 아래는 이 두 스펙트럼의 그림이다.

태양 시뮬레이터의 스펙트럼 일치비 $R{\displaystyle {}_{}}$ S ${\displaystyle M_{}}$ ${\$ 스타일 $R_{$$SM}($즉, 스펙트럼 일치의 비율)은 출력 방사조도를 해당 파장 간격의 기준 스펙트럼으로 나눈 비율이다. 예를 들어 태양열 시뮬레이터가 400nm~500nm 범위에서 총 방사조도의 17.8%를 방출할 경우 ${\displaystyle {RS}_{}}$ ${\displaystyle M_{}}$ ${\$ 스타일 $R_{$$그$ 파장 간격 0.98에 SM$$$}.$ 태양 시뮬레이터가 스펙트럼 일치 비율 $R{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle S_{}}$ ${\displaystyle M_{}}$ ${\$디스플레이 $스타일 R_{$을 달성한 경우$SM}$은 모든 파장 간격에 대해 0.75~1.25 사이$$, A급 스펙트럼 일치를 가지는 것으로 간주된다.

표 2: 세 가지 표준 스펙트럼에 대한 ASTM 총 방사조도 백분율

파장 간격 [nm]	AM1.5D[22]	AM1.5G[22]	AM0[23]
300–400	사양하지 않음	사양하지 않음	4.67%
400–500	16.75%	18.21%	16.80%
500–600	19.49%	19.73%	16.68%
600–700	18.36%	18.20%	14.28%
700–800	15.08%	14.79%	11.31%
800–900	12.82%	12.39%	8.98%
900–1100	16.69%	15.89%	13.50%
1100–1400	사양하지 않음	사양하지 않음	12.56%

이러한 파장 간격은 주로 실리콘 광전지를 시험하는 태양 시뮬레이터 적용을 위한 것이므로, 그 간격을 정의하는 스펙트럼 범위는 주로 결정 실리콘의 원래 개발된 흡수 영역(400nm–1100nm)으로 제한되었다.

태양 시뮬레이터 표준은 조명 스펙트럼을 측정해야 하는 위치에 대한 몇 가지 요건을 가지고 있다. 예를 들어 IEC 60904-9 표준에서는 스펙트럼을 아래에 주어진 패턴으로 4개의 다른 위치에서 측정할 것을 요구한다.^[16]

최근의 물질 과학 발전은 c-Si, multi-c-Si 및 CIGS 태양 전지의 스펙트럼 반응도 범위를 300nm–1200nm로 확장했다.^[16] 따라서 2020년에 IEC 60904-9 표준은 다양한 광전 소자의 현재 요구에 태양 시뮬레이터 출력을 일치시키기 위한 새로운 파장 간격 표(아래 표 3 참조)^[16]를 도입했다.

표 3: IEC 60904-9:2020 AM1.5G에 대한 총 방사조도 비율

파장 간격 [nm]	총 방사조도 백분율 [%]
300–470	16.61
470–561	16.74
561–657	16.67
657–772	16.63
772–919	16.66
919–1200	16.69

위의 스펙트럼 범위의 정의는 CdTe 또는 CIGS로 구축된 박막 태양전지를 포함하여 많은 태양광 기술의 시험 요구를 충족시키기에 충분하지만, 300–1800 nm에서 더 넓은 흡수 대역폭을 가진 고효율 III-V 반도체를 이용한 다중접합 태양전지 시험에는 충분하지 않다.

위에서 언급한 범위 밖에서 정확한 파장 영역 데이터의 경우, ASTMG173(AM1.5G과 AM1.5D에)[22]및 ASTME490(AM0에)[23]의 데이터 표 참조 하지만 태양 시뮬레이터의 사양은 아직 아무것도 300nm밖에서 1200nm에 AM1.5G에 300nm1400nmAM0. 많은 태양 시뮬레이터 제조 업체에 적용되지 않는다 사용될 수 있다. 생산 이 지역들 밖의 빛들, 그러나 이 외부 지역에서의 빛의 분류는 아직 표준화되지 않았다.

공간비균일성

태양 시뮬레이터의 공간적 불균일성은 다음 방정식을 통해 계산되며, 그 결과는 백분율이 된다.^[17]

${\displaystyle S_{NE}=100{\frac {{\text{max}-{\text{max}-{\text{s}}}{\text{max}}}{\text{s}}}}}}{\text{max}}}}}}}}$

여기서 $I{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle s_{}}$ ${\$는 태양전지 또는 태양전지 어레이에 의해 검출된 정규화된 단락 전류 값의 배열이다. 3가지 태양 시뮬레이터 표준은 공간 비균일성 계산을 위해 측정 배열을 어떻게 수집하는지에 대한 요구사항이 약간 다르다. ASTM E927-19는 조명 필드를 최소 64개 위치에서 측정해야 한다고 규정한다. 각 시험 위치의 면적, $A{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle T_{}}$ P ${\$ 스타일 $A_{$$TP$은 조명 테스트 영역을 위치 수로 나눈 값이다. 사용되는 검출기의 면적은 A ${\displaystyle T_{}}$ ${\displaystyle P_{}}$의 0.5와 1.0 사이여야 한다$(\$$TP$^[17]

시간적 불안정

일조 강도의 일시적 불안정성은 다음 방정식을 통해 계산되며, 그 결과는 백분율이 된다.^[17]

$T_{\displaystyle T_{IE}}=100{\frac {{\text{{T}-{\text{max}-{\text{min}}{{\text{max}}}{\text{T}}}}{\text{T}}}}}}}}{\text{T}}}}}}}}}}}}$

여기서 $I{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle T_{}}$ ${\$는 데이터 수집 기간 동안 수집된 측정값의 배열이다$$. 태양 시뮬레이터 표준은 절대 용어로 필요한 시간 간격이나 샘플링 주파수를 명시하지 않는다.

스펙트럼 커버리지

IEC 60904-9 표준에 대한 2020년 업데이트에서는 태양 시뮬레이터를 선별하는 추가 방법인 스펙트럼 적용 범위(SPC) 메트릭을 도입했다.^[16] 태양 시뮬레이터의 스펙트럼 커버리지 값은 현재 그 분류에 영향을 미치지 않지만 IEC 60904-9:2020에 따라 보고하도록 요청된다. SPC는 다음과 같이 계산되며 주어진 파장에서 기준 방사조도의 최소 10%인 태양 시뮬레이터 배출 비율을 가리킨다.

${\displaystyle SPC=\left(\sum _{E_{SIM})(\lambda )>0.1\cdot E_{AM1.5}(\lambda )}E_{AM1.5}(\lambda )\cdot \Delta \lambda {\Bigg /}\sum _{\text{300 nm}}^{\text{1200 nm}}E_{AM1.5}(\lambda )\cdot \Delta \lambda \right)\cdot 100\%}$

스펙트럼 편차

IEC 60904-9 표준에 대한 2020년 업데이트에서는 태양열 시뮬레이터를 선별하는 추가 방법인 스펙트럼 편차(SPD) 메트릭을 도입했다.^[16] 태양열 시뮬레이터의 스펙트럼 편차 값은 현재 그 분류에 영향을 미치지 않지만 IEC 60904-9:2020에 따라 보고되어야 한다.

SPD는 다음과 같이 계산되며, 태양 시뮬레이터의 방출 스펙트럼과 기준 스펙트럼 사이의 총 백분율 편차를 가리킨다.

${\displaystyle SPD=\left(\sum _{\text{300 nm}}^{\text{1200 nm}} E_{SIM}(\lambda )-E_{AM1.5}(\lambda ) \cdot \Delta \lambda {\Bigg /}\sum _{\text{300 nm}}^{\text{1200 nm}}E_{AM1.5}(\lambda )\cdot \Delta \lambda \right)\cdot 100\%}$

태양열 시뮬레이터의 종류

태양열 시뮬레이터는 방출 지속시간에 따라 연속(또는 정상 상태)과 점멸(또는 펄스)의 두 가지 범주로 나눌 수 있다. 태양열 시뮬레이터는 스펙트럼 생성에 사용되는 램프 수(단일 램프 또는 다중 램프)에 따라 분류되기도 한다.^[24]

연속 시뮬레이터

첫 번째 유형은 조명이 시간에 따라 연속되는 익숙한 광원의 형태로서, 정상 상태라고도 한다. 앞의 절에서 논한 사양은 이러한 유형의 태양 시뮬레이터와 가장 직접적으로 관련된다. 이 범주는 1 태양 미만에서 여러 태양까지 저강도 시험에 가장 많이 사용된다. AM1.5G 스펙트럼의 총 통합 방사조도는 1000.4이다. ${\displaystyle W}$ ${\displaystyle \cdot }$ ${\displaystyle {}^{}}$- ${\displaystyle 2^{}}$ ${\$280 nm ~ 4000 nm 대역폭)^[22] 흔히 '1 태양'이라고 한다. 연속 조명(또는 연속파, CW) 태양 시뮬레이터는 적외선 멀리까지 스펙트럼을 확장하기 위해 호 소스 및 하나 이상의 할로겐 램프와 같은 여러 가지 램프 유형을 결합할 수 있다. ^[25]

플래시 태양 시뮬레이터

펄스 시뮬레이터라고도 알려진 두 번째 유형의 태양 시뮬레이터는 플래시 사진과 질적으로 유사하며 플래시 튜브를 사용한다. 몇 밀리초의 일반적인 지속 시간으로는 수천 개의 태양까지 매우 높은 강도가 가능하다. 이러한 유형의 장비는 시험 대상 장치에 불필요한 열이 쌓이는 것을 방지하기 위해 자주 사용된다. 그러나 램프의 급속한 가열과 냉각으로 인해 강도 및 광 스펙트럼은 본질적으로 과도하므로 반복적으로 신뢰할 수 있는 시험을 기술적으로 더 어렵게 만든다. LED와 같은 솔리드 스테이트 램프 기술은 플래시 태양열 시뮬레이터에서 이러한 냉난방 문제를 일부 완화한다.^[26] 태양 시뮬레이터 표준은 섬광형 태양 시뮬레이터와 비교하여 정상 상태에 대한 지침을 제공한다. 예를 들어 ASTM E927 섹션 7.1.6.3은 섬광형 태양 시뮬레이터에 대한 시간적 불안정 측정에 대한 지침을 제공한다.^[17]

태양 시뮬레이터 시공

태양 시뮬레이터는 세 가지 주요 부분으로 구성된다.^[1]

1. 광원(램프) 및 전원
2. 빔을 변경하고 원하는 특성을 얻기 위한 광학 및 광학 필터
3. 조작을 위한 제어 요소

램프 종류

여러 종류의 램프가 태양 시뮬레이터 내의 광원으로 사용되어 왔다. 램프 유형은 강도, 스펙트럼 범위, 조명 패턴, 콜리메이션 및 일시적 안정성과 관련하여 태양 시뮬레이터 성능 한계의 가장 중요한 결정 요인이다.^[1]

아르곤 아크 램프

아르곤 아크 램프는 초기 태양 시뮬레이션 연구(1972)에 사용되었으며, 색 열 방출량이 6500K로 태양의 흑체 온도에 잘 맞으며, 275nm에서 1525nm까지의 스펙트럼 방출이 비교적 넓다.^[1] 고압 아르곤 가스는 양극과 음극 사이를 순환하며, 물 소용돌이가 내부 석영관 벽을 따라 흘러 아크 가장자리를 냉각시킨다.^[14] 아르곤 아크 램프는 수명이 짧고 신뢰성이 떨어지는 단점을 안고 있다.^[1][28]

탄소 아크 램프

탄소 아크 램프는 AM0과 유사한 방출량을 가지며, 따라서 외부 스펙트럼을 생성하도록 설계된 태양 시뮬레이터에 사용된다.^[1] (이 램프는 NASA 최초의 우주 시뮬레이터에 사용되었다.)^[30] 탄소 아크 램프는 고강도의 UV 방출로 이득을 얻는다. 그러나 이들은 유사한 제논 아크 램프보다 일반적으로 강도가 약하다는 단점이 있다. ^[1] 또한 수명이 짧고 작동 중 불안정하며 태양 스펙트럼과 일치하지 않는 고강도 청색 빛을 방출한다.^[1]

발광다이오드

대략 2000년 이래로, 발광 다이오드(LED)는 PV 태양 시뮬레이터에서 일반적으로 사용되어 왔다.^[24] LED는 전자 구멍 쌍이 재결합할 때 빛을 방출한다.^[31] 그것들은 저비용이고 낮은 전력 소비로 소형이다.^[1] 일반적으로 10nm–100nm의 좁은 대역폭을 가지므로 여러 개의 LED를 태양 시뮬레이터에 결합해야 한다.^[32] 이와 같이 LED 태양 시뮬레이터의 스펙트럼 일치는 설계에 사용된 LED의 수와 종류에 의해 결정된다. LED는 일정하거나 섬광으로 점멸하는 태양 시뮬레이터 애플리케이션을 위해 1밀리초 미만의 시간 창으로 정확하게 제어될 수 있다.^[1] 또한 LED는 다른 모든 태양열 시뮬레이터 램프 유형에 비해 상대적으로 수명이 길고 에너지 변환에 매우 효율적이다.^[1] LED에 대한 지속적인 연구 개발은 지속적으로 비용을^[1] 절감하고 스펙트럼 커버리지를 확장하여 광폭 태양 시뮬레이터에 점점 더 많이 채택할 수 있게 한다.^[32] LED 태양열 시뮬레이터는 광학 필터를 사용하지 않고도 스펙트럼을 전기적으로 튜닝할 수 있다는 점에서 독특하다.^[33] 제논 아크 램프와 비교하여 LED는 안정성과 유연성 및 스펙트럼 일치가 우수한 광전지 모듈의 IV 테스트에서 동등한 결과를 입증했다.^[34] LED 방출은 접속 온도에 다소 민감하기 때문에 LED는 적절한 열 관리가 필요하다는 단점이 있다.^[35][33][36]

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  사용된^[33] LED 때문에 상대적으로 낮은 스펙트럼 일치를 보이는 LED 태양 시뮬레이터의 스펙트럼 출력

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  사용된^[37] LED 때문에 상대적으로 높은 스펙트럼 일치를 보이는 LED 태양 시뮬레이터의 스펙트럼 출력

메탈할라이드 아크 램프

메탈할라이드 아크 램프는 주로 필름 및 텔레비전 조명에 사용하기 위해 개발되었으며, 여기에는 높은 시간적 안정성과 일광 색상 일치가 요구된다. 단, 이와 같은 성질의 경우 금속 할로겐 아크 램프가 태양 시뮬레이션에도 사용된다. 이 램프는 증기가 있는 고압 수은과 금속 할로겐화합물을 통해 전호를 통과시켜 고강도 방전(HID)을 통해 빛을 낸다.^[14] 이들의 단점으로는 높은 전력 소비량,^[1] 높은 전자 드라이버 비용,^[1] 짧은 수명 주기 등이 있다.^[1] 그러나 상대적으로 비용이 적게 든다는 이점이 있고,^[14] 이 때문에 많은 대형 태양광 시뮬레이터가 이 기술로 만들어졌다.^[39][40]

쿼츠텅스텐 할로겐 램프

Quartz-tungsten 할로겐 램프(QTH 램프)는 일반적으로 태양보다 낮은 색온도를 가지지만 흑체 방사선과 매우 밀접하게 일치하는 스펙트럼을 제공한다.그것들은 브롬이나 요오드와 같은 할로겐이 가열된 텅스텐 필라멘트를 둘러싸고 있는 백열등의 일종이다.^[14] 이들의 단점은 최대 색온도가 3400K로 일조량보다 자외선이 적고 IR 배출량이 많다는 것이다.^[14] 그것들은 고강도 제품이다.^[1] 그리고 저비용이며,^[1] 집중 태양열 집열기 시험과 같이 스펙트럼에 덜 민감한 용도에 널리 사용된다.^[14]

초진공 레이저

초연속 레이저(super continuum laser)는 가시 범위부터 IR까지 범위가 넓은 고출력 광대역 광원이다.^[1] 레이저는 강도가 높고 초점이 잘 맞지만 매우 작은 영역만 밝히는 단점이 있다.^[1] 그러나 그들의 높은 강도는 태양열 집광기 응용에서 광전지 모듈의 시험을 허용한다.

제논 아크 램프

제논 아크 램프는 연속형 및 섬광형 태양 시뮬레이터용 램프 중 가장 일반적인 유형이다. 이온화된 고압 제논 가스를 통해 전호에서 빛이 생성되는 고강도 방전(HID) 램프의 일종이다.^[14] 이 램프는 높은 강도와 햇빛에 상당히 잘 맞는 여과되지 않은 스펙트럼을 제공한다. 더욱이 이들 램프는 전력의 차이로 인한 유의미한 스펙트럼 밸런스 시프트를 보이지 않아 전력원 안정성의 필요성이 감소한다.^[1] 단일 전구에서 높은 강도를 방출하기 때문에 시준된 고강도 빔은 제논 아크 램프에서 생성될 수 있다.^[14] 그러나 제논 아크 램프 스펙트럼은 일반적으로 적외선 방출이 더 강할 뿐만 아니라 바람직하지 않은 많은 날카로운 원자 과도기 피크로 특징지어지며,^[14] 따라서 스펙트럼은 일부 시각적으로 민감한 용도에 바람직하지 않다. 이러한 배출 피크는 일반적으로 유리 필터를 사용하여 필터링된다.^[1] 제논 램프, 수명이 짧다 전원 공급에 높은 cost,[14]출력 감도 cycle,[1]상수 maintenance,[1]의 필요성이 있는 consumption,[1]오존 생산 때문에 자외선 r.에서 고압 gas,[14]고 오존 발생 호흡기 위험을 통해 구형 폭발 그들의 수술로 인한 위험 instabilities,[14] 높은 에너지를 포함해 많은 단점을 가지고 다니방사선.[14]

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  제논 아크 램프 태양 시뮬레이터의^[34] 개략도 예

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  제논 아크 램프의 스펙트럼 출력(광학 필터를 통과한 후 AM1.5G와^[34] 더 나은 스펙트럼 일치를 달성함)

참조