Solar Simulators: How They Work, What AAA Means, and How to Choose One

Solar Simulator: Cara Kerja, Kelas AAA, dan Cara Memilihnya untuk Uji Sel Surya

Efisiensi sel surya hanya bisa dibandingkan kalau diukur di bawah cahaya yang sama. Sinar matahari tidak memenuhi syarat itu: intensitas dan spektrumnya berubah dengan jam, sudut matahari, kelembapan, dan awan yang di Indonesia bisa datang dan pergi dalam hitungan menit. Solar simulator adalah sumber cahaya laboratorium yang meniru sinar matahari standar, sehingga hasil uji hari ini bisa dibandingkan dengan hasil bulan depan, atau dengan hasil laboratorium lain.

Artikel ini membahas apa yang dimaksud "cahaya matahari standar", arti kelas AAA, jenis sumber cahaya, cara kalibrasi, dan hal-hal yang perlu diperiksa sebelum memilih solar simulator untuk laboratorium Anda.

Kondisi uji standar: 1 sun, AM1.5G, 25 °C

Efisiensi sel surya dilaporkan pada Standard Test Conditions (STC):

  • Iradiansi 1000 W/m² (100 mW/cm²), sering disebut "1 sun".
  • Spektrum AM1.5G, yaitu spektrum matahari setelah menembus atmosfer sepanjang 1,5 kali ketebalannya (matahari sekitar 48° dari zenit), termasuk cahaya baur dari langit. Spektrum acuan ini ditetapkan dalam IEC 60904-3.
  • Suhu sel 25 °C.

Tugas solar simulator adalah menghasilkan iradiansi dan spektrum yang sedekat mungkin dengan kondisi itu, merata di seluruh area sampel, dan stabil selama pengukuran.

Arti kelas AAA

Standar IEC 60904-9 menilai solar simulator dengan tiga huruf. Urutannya selalu sama:

  1. Kecocokan spektrum (spectral match): seberapa dekat porsi energi di tiap rentang panjang gelombang dengan spektrum AM1.5G.
  2. Keseragaman iradiansi (spatial non-uniformity): seberapa merata cahaya di seluruh bidang uji.
  3. Kestabilan terhadap waktu (temporal instability): seberapa besar intensitas berfluktuasi selama pengukuran.

Tiap kriteria diberi kelas A, B, atau C, dengan A yang paling ketat. Sebagai gambaran untuk keseragaman: kelas A berarti ketidakseragaman paling besar 2%, kelas B 5%, dan kelas C 10%. Edisi 2020 dari standar ini menambahkan kelas A+ yang lebih ketat lagi, serta parameter tambahan seperti spectral coverage dan spectral deviation.

Hal yang sering terlewat: kelas berlaku untuk luas area tertentu. Contohnya, Ossila LED Solar Simulator G2009B2 mencapai AAA pada area berdiameter 15 mm dan ABA pada diameter 25 mm. Jadi pertanyaan yang tepat bukan "apakah alat ini AAA?", tetapi "apakah alat ini AAA di ukuran sampel saya?"

Jenis sumber cahaya

Lampu xenon (arc lamp)

Spektrum lampu xenon secara alami cukup dekat dengan matahari dan dirapikan dengan filter AM1.5G. Kekurangannya: lampu butuh waktu pemanasan, menghasilkan panas, dan spektrumnya bergeser seiring umur lampu, sehingga perlu kalibrasi ulang dan penggantian lampu secara berkala.

LED

Solar simulator LED menggabungkan beberapa LED dengan panjang gelombang berbeda. Karena tiap kanal bisa diatur, spektrumnya dapat disetel, termasuk untuk uji sel surya dalam ruangan (indoor PV). LED siap dipakai dalam hitungan menit, panasnya lebih rendah, dan umurnya panjang (Ossila G2009B2 dirancang hingga 10.000 jam). Batasnya ada di area: simulator LED ringkas umumnya ditujukan untuk sel skala laboratorium, bukan modul besar.

Halogen dan metal halide

Lebih murah dan bisa menyinari area luas, tetapi kecocokan spektrumnya lebih rendah. Cocok untuk uji paparan cahaya atau demonstrasi, kurang tepat untuk melaporkan efisiensi.

Steady-state atau pulsa (flash)

Simulator pulsa dipakai di industri untuk modul berukuran besar. Untuk riset sel perovskit, organik, dan dye-sensitized, simulator steady-state (cahaya kontinu) lebih tepat karena perangkat ini bereaksi lambat terhadap perubahan cahaya dan tegangan. Pengukuran dalam kilatan yang sangat singkat bisa memberi angka yang menyesatkan.

Kalibrasi dengan sel referensi

Intensitas di bidang sampel bergantung pada jarak kerja, umur lampu, dan suhu. Karena itu iradiansi diatur ulang ke 100 mW/cm² sebelum sesi pengukuran, menggunakan sel referensi yang sudah dikalibrasi dan diletakkan tepat di posisi sampel.

Idealnya respons spektral sel referensi mirip dengan sel yang diuji. Bila berbeda, terjadi spectral mismatch: sel referensi menunjukkan 1 sun, padahal arus yang diterima sampel sedikit lebih besar atau lebih kecil. Pada publikasi yang ketat, faktor koreksi mismatch dihitung dari spektrum lampu dan respons spektral kedua sel.

Ossila Reference Solar Cell G3100A1 adalah fotodioda silikon terkalibrasi dengan layar pembacaan 0–125 mW/cm² dan filter perata spektrum 400–1100 nm, sehingga pembacaannya tetap 100 mW/cm² di bawah 1 sun baik dari sumber LED maupun xenon.

Dari kurva I-V ke efisiensi

Solar simulator hanya menyediakan cahaya. Pengukurannya dilakukan oleh source measure unit atau sistem uji I-V yang menyapu tegangan sambil mengukur arus. Dari kurva itu diperoleh:

  • Voc: tegangan saat arus nol (open-circuit voltage).
  • Jsc: rapat arus saat tegangan nol (short-circuit current density), dalam mA/cm².
  • FF (fill factor): perbandingan daya maksimum dengan hasil kali Voc × Jsc.
  • PCE (power conversion efficiency) = (Jsc × Voc × FF) / Pin.

Contoh: sel dengan Jsc 22 mA/cm², Voc 1,10 V, dan FF 0,78 di bawah Pin 100 mW/cm² memiliki PCE = 22 × 1,10 × 0,78 / 100 ≈ 18,9%. Kesalahan 5% pada iradiansi langsung menjadi kesalahan sekitar 5% pada Jsc dan efisiensi. Inilah alasan kalibrasi tidak boleh dilewati. Pembahasan lebih rinci ada di artikel Solar Cell I-V Test System dan hubungan arus-tegangan perangkat PV.

Kesalahan yang paling sering terjadi

  • Tanpa masker aperture. Cahaya yang jatuh di luar area aktif ikut terkumpul, sehingga Jsc dan efisiensi tampak lebih tinggi dari sebenarnya. Gunakan masker dengan luas bukaan yang diketahui, lalu hitung rapat arus dari luas bukaan itu.
  • Histeresis pada sel perovskit. Kurva sapuan maju dan mundur bisa berbeda jauh. Laporkan kedua arah sapuan, kecepatan sapuan, dan bila perlu keluaran stabil pada titik daya maksimum (MPP tracking).
  • Sampel memanas. Di bawah 1 sun suhu sel naik dan Voc turun. Untuk pengukuran panjang, perhatikan pendinginan atau catat suhu sampel.
  • Posisi sampel tidak sama dengan posisi kalibrasi. Pada jarak kerja yang pendek, selisih beberapa milimeter sudah mengubah iradiansi.
  • Kalibrasi jarang. Iradiansi perlu dicek di awal setiap sesi, terutama pada lampu xenon yang menua.

Cara memilih solar simulator

  1. Ukuran sampel. Cocokkan dengan area tempat alat mencapai kelas yang Anda butuhkan. Sel 25 × 25 mm membutuhkan bidang terang yang lebih luas daripada piksel berdiameter beberapa milimeter.
  2. Jenis perangkat. Perovskit, organik, dan DSSC butuh simulator steady-state serta sistem I-V yang mendukung sapuan dua arah dan MPP tracking.
  3. Kebutuhan spektrum. Bila meneliti indoor PV atau ingin menyetel spektrum, LED dengan kanal yang bisa diatur memberi keleluasaan lebih.
  4. Sistem ukur. Pastikan rentang tegangan dan arus sistem I-V sesuai perangkat Anda. Sebagai contoh, Ossila Solar Cell I-V Test System bekerja pada ±10 V dengan rentang arus dari ±10 nA hingga ±200 mA.
  5. Sel referensi. Anggarkan sejak awal; tanpa sel referensi, angka efisiensi tidak bisa dipertanggungjawabkan.
  6. Anggaran. Untuk kelompok riset yang baru memulai, solar simulator biaya rendah seperti ABET 10500 bisa menjadi titik awal. Konfirmasikan kelas dan luas area untuk konfigurasi yang Anda pilih.

Solar simulator dan perlengkapan uji sel surya di AMI Scientific

Pilihan yang tersedia, mulai dari sumber cahaya hingga sistem ukur, bisa dilihat di koleksi Solar Simulator. Di dalamnya ada Ossila LED Solar Simulator G2009B2, Ossila Reference Solar Cell G3100A1, Ossila Solar Cell I-V Test System (manual dan otomatis), serta ABET 10500. Untuk menyiapkan sel uji, lihat juga spin coater dan material perovskit.

Kirimkan jenis dan ukuran sel yang akan diuji melalui WhatsApp, tim kami akan membantu menyusun konfigurasi dan menyiapkan penawaran resmi atas nama institusi Anda.

Kembali ke blog