Sonnensimulation mit LEDs: Licht auf dem Weg in die Zukunft

Ushio Epitex ist mittlerweile der One-Stop-Shop für die Hersteller von Sonnensimulatoren der Klasse AAA+ – dank seines umfangreichen Angebots an hochwertigen und zuverlässigen LED-Lichtquellen, die den strengsten Normen der Branche entsprechen. Das Sortiment von Ushio Epitex umfasst Single- und Multi-Chip-LEDs, die Wellenlängen im ultravioletten (UV), sichtbaren und infraroten (IR) Lichtspektrum von 365 bis 1750 Nanometern (nm) abdecken.

Dieser Artikel befasst sich mit den wissenschaftlichen Grundlagen der Sonnensimulation und dem jüngsten Technologiewandel, im Zuge dessen Halogen- und Xenon-Lösungen durch bahnbrechende Entwicklungen in der Festkörperbeleuchtung (solid state lighting, SSL) verdrängt werden. Sie möchten mit jemandem über die Integration von Ushio Epitex LEDs in Ihre Komplettlösung für die Sonnensimulation sprechen? Dann besuchen Sie unsere Kontaktseite und senden Sie uns noch heute Ihre Anfrage!

Was ist ein Sonnensimulator?

Ein Sonnensimulator ist ein künstliches System, das die Spektralverteilung und Beleuchtungsstärke des natürlichen Sonnenlichts genau nachbilden soll. Es gibt verschiedene Typen von Sonnensimulatoren mit unterschiedlichen technischen Spezifikationen, die auf die jeweilige Anwendung abgestimmt sind. Sie lassen sich nach der Art der jeweils verwendeten Belichtung grob in drei Kategorien einteilen: Blitzlicht-Simulatoren, kontinuierliche und gepulste Simulatoren.

Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) beschreibt die Eigenschaften des natürlichen Sonnenlichts, das in unsere Atmosphäre eindringt, in ihrer Norm IEC 60904-9. Jeder industrietaugliche Sonnensimulator muss daher gemäß diesen Richtlinien betrieben werden können. Gemäß dieser Definition entspricht die Strahlungsleistung der Sonne bei AM1.5g einer Bestrahlungsstärke von 100 mW/cm².

Gemäß IEC 60904-9 wird die Gesamtleistung eines Sonnensimulators anhand von drei Messgrößen gemessen und bewertet:

• Anpassung der Spektralverteilung
• Ungleichmäßigkeit der Bestrahlungsstärke in der Prüfebene
• Zeitliche Instabilität der Bestrahlungsstärke

Die IEC-Norm bewertet jede der drei Messgrößen auf einer „ABC“-Skala, wobei „A“ die bestmögliche Übereinstimmung mit den jeweiligen Eigenschaften des natürlichen Sonnenlichts darstellt. Die perfekte Triple-A-Bewertung ist mit LED-basierten Sonnensimulatoren durchaus zu erreichen, allerdings müssen dafür einige strenge Vorgaben erfüllt werden.

Anwendungsschwerpunkt: Produktion von Silicium-Solarzellen

Eines der wichtigsten Einsatzgebiete von Sonnensimulatoren ist die Prüfung einzelner Solarzellen oder ganzer Arrays, die die Sonnenstrahlung in elektrische Energie umwandeln. Dieses Prinzip der Energieumwandlung – auch als Photovoltaik bezeichnet – wird einerseits zur Stromerzeugung genutzt und dient andererseits als Grundlage der Photosensorik. Die gängigsten Solarzellen bestehen aus Halbleitermaterialien, überwiegend Silicium. Zwar lassen sich auch andere organische und Verbindungshalbleiter verwenden, als eines der am leichtesten zugänglichen Elemente auf der Erde erfreut sich Silicium jedoch besonders großer Beliebtheit. Die „Breite der verbotenen Zone“ beträgt bei Silicium 1,12 Elektronenvolt (eV), d. h. die auf die Solarzelle treffenden Photonen müssen eine Energie von über 1,12 eV besitzen, um eine elektrische Ladung zu erzeugen.

Die Strahlung des Sonnensimulators muss über mehrere Wellenlängenbereiche zwischen 300 und 1.200 nm dem AM1.5g-Referenzspektrum entsprechen. In der höchsten Klasse der Sonnensimulatoren sollte die spektrale Abweichung in jedem Wellenlängenbereich ±12,5 % nicht überschreiten. Außerdem muss die Bestrahlung eines Substrats, wie z. B. einer typischen 200-mm²-Solarzelle, über die gesamte Fläche gleichmäßig sein. Das Kriterium, nach dem diese Gleichmäßigkeit beurteilt wird, erlaubt eine enge Spanne von nur ±2 %.

Auch die zeitliche Stabilität der Bestrahlungsstärke ist ein entscheidender Faktor. Die Bestrahlungsstärke darf während der gesamten Simulation nur minimal schwanken. Daher wird während der Simulation durch Messung die maximale und minimale Bestrahlungsstärke ermittelt. So lässt sich die zeitliche Stabilität der Bestrahlungsstärke ziemlich genau einschätzen.

Anwendungsmöglichkeiten für LED-Sonnensimulatoren

• Luft- und Raumfahrt
• Biomasse
• Kosmetik
• Umweltwissenschaften
• künstliche Materialalterung
• photochemische Katalyse
• Produktion und Prüfung von Photovoltaikanlagen
• Kunststoffe, Farben, Lacke, Firnisse und andere Beschichtungen
• Qualitätssicherung
• Forschung und Entwicklung von Sonnenschutzmitteln
• Textilindustrie

Immer am Puls der Zeit: Lampenbasierte und LED-basierte Sonnensimulation im Vergleich

Mit Kunden wie der ESA, der NASA und der Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) musste Ushio seine Sonnensimulationen weit über die Anforderungen des AM1.5g-Spektrums hinaus perfektionieren. Auch heute noch werden gepulste Xenon-Kurzbogen- und Halogen-Metalldampf-Entladungslampen eingesetzt, um Licht zu erzeugen, das dem einer oder mehreren Sonnen entspricht. Diese Lampentypen sind bekannt für ihre stabile Lichtemission und eine spektrale Leistung, die der unserer Sonne sehr nahe kommt. Leider weisen Entladungslampen jedoch einige Nachteile auf, die sich mit der LED-Technologie gänzlich vermeiden lassen:

• Notwendigkeit von Filtern
• Übermäßige Wärme
• Begrenzte Pulsbreite und Abnahme der Leuchtdichte
• Kürzere Lebensdauer

Im Gegensatz dazu lässt sich mit einem Array von LED-Packages das AM1.5g-Normspektrum abdecken, ohne dass die oben aufgeführten Probleme auftreten. Der Einsatz von LEDs als Lichtquellen in Sonnensimulatoren bietet vor allem folgende Vorteile:

• Spektrale Flexibilität
• Flexible Pulssteuerung
• Integriertes Wärmemanagement
• Längere Lebensdauer

Die besten LEDs für die Sonnensimulation: Ushios SMBB- und EDC-LED-Packages

Die Epitex-Serie bietet Single- und Multi-Chip-LEDs, die Wellenlängen von 365 bis 1.750 Nanometern (nm) abdecken, also vom ultravioletten (UV) über den sichtbaren Bereich bis hin zum kurzwelligen Infrarot (SWIR, 1.050-1.750 nm).

SMBB: Multi-Talent im Multi-Chip-Package

Die SMBB-Familie ist dank ihrer am Markt einzigartigen Vielseitigkeit das Flaggschiff der Epitex-LEDs von Ushio. Diese rekordbrechenden LEDs im 5-mm²-Package mit integriertem Kupferkühlkörper sind als Single- oder Multi-Chip-LEDs erhältlich.

Übrigens stellt Ushio auch die leistungsstärksten und effizientesten SWIR-LEDs her, die jemals produziert wurden: die Epitex D-Serie, die den langwelligen Bereich des Normspektrums abdeckt. Ushio liefert die perfekte Lösung für Ihre Sonnensimulationsanforderungen mit hervorragenden Anpassungsmöglichkeiten, wie beispielsweise verschiedenen Wellenlängen, Chipgrößen, Linsentypen und mehr. Diese längeren Wellenlängen sind besonders nützlich für die Sonnensimulationsprüfung von Verbindungshalbleiter-Solarzellen und sogar für das Aufspüren von Defekten in Solarzellen.

EDC: Die kleine Schwester der SMBB mit gleicher Strahlkraft

Die kleineren EDC-Packages verfügen über einen Keramiksockel, der als exzellenter Kühlkörper dient und die Diode bestens von der übrigen Schaltung isoliert. Die 3,5 mm² kleinen EDC-Packages sind mit einem einzigen 1 mm² großen Chip bestückt, so dass sie in den gleichen Anwendungen wie Single-Chip-SMBBs eingesetzt werden können. Der entscheidende Unterschied liegt jedoch in der kleineren Grundfläche, die Platz für mehr LEDs oder andere raumgreifende Bauteile schafft.

Warum sind die Epitex-LEDs von Ushio die Zukunft der Sonnensimulation?

• Hohe Leistungsabgabe
• geringe Baugröße
• extrem lange Betriebsdauer
• wahlweise Dauerstrich- oder Pulsleistung
• relativ günstig in der Anschaffung und im Betrieb
• unabhängig angesteuerte Chips
• nahezu monochromatische Chips für größere Genauigkeit bei der Simulation von Sonnenstrahlung
• mehrere Chips mit unterschiedlichen Wellenlängen in einem einzigen LED-Package möglich
• flexible Belichtungsmuster
• optional mit Fotodioden für zusätzliche Erfassungs- und Messfunktionen ausrüstbar
• kein Quecksilber
• modernste Technologie: entwickelt von der SSL-Abteilung von Ushio in Kyoto, Japan

Wenden Sie sich an Ushio und lassen Sie sich zu allen SSL-Anwendungen beraten

Wenn Sie eine Anfrage zu Epitex-LEDs und ihre Eignung für Ihr Sonnensimulationsvorhaben an Ushio richten möchten, erreichen Sie unsere regionalen SSL-Teams über die folgenden Links:

EMEA: https://www.ushio.eu/de/kontakt/
Asien: https://member.ushio.co.jp/en/members/contact/product-led
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