Sonnensimulation mit LEDs: Licht auf dem Weg in die Zukunft

Stets an vorderster Front der technologischen Innovation, reproduziert Ushio schon seit langem die verschiedenen Spektren des Sonnenlichts. Im Zuge der wissenschaftlichen Durchbrüche verlagerte sich die Aufmerksamkeit weg von den konventionellen Halogen- und Xenon-Lampen. Mit der nächsten Generation der LED-basierten Sonnensimulation läuten wir nun ein neues Zeitalter ein. In den Mittelpunkt rückt dabei die Festkörperbeleuchtung – auch bekannt als Solid State Lighting oder kurz: SSL –, die nicht nur eine flexible Pulssteuerung und eine flexible Auswahl der Spektralbereiche bietet, sondern auch eine Betriebslebensdauer, die ihre Vorgänger deutlich übertrifft.

Die Sonne hat einen unvergleichlichen Einfluss auf die Welt, die uns umgibt. Dieser Einfluss war der Motor für die Entwicklung von Sonnensimulationssystemen. Von der Produktion von Solarzellen und Sonnenschutzmitteln bis hin zu Belastungstests von Raumfahrzeugen – die Fähigkeit zur effizienten Nachahmung von Sonnenstrahlung ist inzwischen ein unverzichtbares Werkzeug für die Herstellung von Millionen von Produkten. 

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.

Das Spektrum des Sonnenlichts, das dem der Sonne entspricht, wird unter Berücksichtigung der unvermeidlichen Absorption und Streuung definiert, die beim Durchgang des Lichts durch unsere Atmosphäre stattfinden. Genauer gesagt ist es definiert als die Summe der direkten und diffusen Komponenten des Sonnenlichts, die unter einem Druck von einer physikalischen Atmosphäre¹ bei einem Sonnenzenitwinkel² von 48,2° vorhanden sind. Diese standardisierte Definition wird als „Air Mass 1.5 Global Spectrum“ oder einfach als Referenzspektrum AM1.5g bezeichnet. 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. Daraus ergibt sich für jedes Sonnensimulationssystem eine Gesamtbewertung, die aus drei Buchstaben besteht, z. B. CBA, ABB oder im besten Fall AAA. Die perfekte Triple-A-Bewertung ist mit LED-basierten Sonnensimulatoren durchaus zu erreichen, allerdings müssen dafür einige strenge Vorgaben erfüllt werden. 

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.

Vorbereitung auf die Erkundung der Planeten mit der Sonnensimulations-Kompetenz von Ushio

Ushio schießt zwar keine eigenen Satelliten ins All, unterstützt jedoch seit über einem halben Jahrhundert diejenigen, die genau das tun. Bereits 1969, in einem für die Raumfahrt sehr bedeutsamen Jahr, entwickelte Ushio die erste wassergekühlte 30-kW-Sonnensimulationsanlage. Aufbauend auf der Technologie, die auch heute noch in Großbildkinoprojektoren zum Einsatz kommt, entwickelten sich Sonnensimulatoren in der Testung und Vorbereitung von Raumfahrzeugen zu einem entscheidenden Faktor für die Sicherheit und den Erfolg jeder Mission. 

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. Bei der Vorbereitung der Merkursonde BepiColombo und des nächstjährigen Starts der Jupitersonde JUICE (Ankunft 2029) verwendete man die Lampenlösungen von Ushio, um die Strapazierfähigkeit der Geräte unter Berücksichtigung der schädlichen Strahlung zu testen, der sie außerhalb der schützenden Erdatmosphäre ausgesetzt sind. 

Bei direkter Sonneneinstrahlung werden Objekte in der Erdumlaufbahn auf ca. 393,15 Kelvin (K) erhitzt, was ungefähr 120 °C entspricht. Ihre sonnenabgewandte Seite bleibt dagegen mit 2,7 K (-270,45 °C) so kalt wie die sie umgebende Leere des Weltraums. Um unter diesen Bedingungen funktionsfähig zu bleiben, muss ein Raumfahrzeug diese extremen Temperaturunterschiede aushalten können. Die Temperatur ist dabei nur eines der Probleme, die es zu bewältigen gilt, denn auch extreme Strahlungswerte fordern im Laufe der Betriebsdauer eines Raumfahrzeugs ihren Tribut. Bestimmte Wellenlängen der Strahlung stören zudem die Kommunikation und beschädigen wichtige Komponenten. 

Um die gewaltigen Energiemengen nachzubilden, die auf ein Raumfahrzeug einwirken, installierte Ushio in der größten Vakuumkammer Europas, dem Large Space Simulator (LSS) der ESA, neunzehn wassergekühlte Xenon-Kurzbogenlampen mit einer Leistung von jeweils 25 kW, die einen Lichtstrom von über 2,7 kW/m² erreichen. Mit 2.300 Kubikmetern ist der LSS speziell für die thermische und mechanische Testung von Raumfahrzeugen und deren Nutzlasten ausgelegt. Um diese gewaltige Leistung ein wenig in Relation zu setzen: Bereits zwölf dieser Lampen mit einer reduzierten Leistung von 20 kW genügen, um eine Solarkonstante³ zu erreichen.

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 

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: Xenon-Lampen emittieren einen Wellenlängenbereich – von Ultraviolett (UV) bis Infrarot (IR) –, der nicht genau dem der Sonne entspricht. Dies macht den Einsatz von teuren optischen Bandpassfiltern erforderlich, um das Spektrum in Einklang mit den Anforderungen der IEC 60904-9 zu bringen

• Übermäßige Wärme: Xenon- und Halogen-Metalldampf-Gaslampen erzeugen sehr viel Wärme. Dies erfordert nicht nur ein extrem robustes Wärmemanagementsystem – die Wärme stammt zudem von Wellenlängen, die nicht repräsentativ für das echte Sonnenlicht sind.

• Begrenzte Pulsbreite und Abnahme der Leuchtdichte: Bei gepulsten Xenon-Lampen lässt sich die Lichtpulsbreite nicht einfach steuern, und eine Beleuchtung mit Pulsen von mehr als 100 Millisekunden (ms) ist technisch nur schwer zu realisieren. Gasentladungslampen leiden mit der Zeit unter einer Abnahme der Leuchtdichte. Dies bedeutet, dass die Helligkeit und Intensität der Lichtleistung nachlässt, was zu zunehmend unzuverlässigen Ergebnissen und häufigem Austausch der Lampen führt.

• Kürzere Lebensdauer: Je nach Typ und Modell halten Entladungslampen nur bis zu ein paar tausend Stunden. Neben der reduzierten Lebensdauer kann die Verwendung solcher Lampen über die garantierte Lebensdauer hinaus zu potenziell gefährlichen Ereignissen führen, beispielsweise zum Platzen der Lampe.

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: Durch die Steuerung der Wellenlänge jeder einzelnen LED kann das synthetisierte Spektrum flexibel verändert werden, mit Vorteilen wie:
  • genauere spektrale Anpassung
  • Reproduktion einer Vielzahl von Einstrahlungsverhältnissen, z. B. Nachahmung des Sonnenlichts an jedem beliebigen Punkt der Erde, zu jeder Jahreszeit oder Tageszeit
  • optionale Konfiguration der Simulationssysteme mit Wellenlängen im längeren SWIR-Bereich zum Testen von Verbindungshalbleiter-Solarzellen

• Flexible Pulssteuerung: LEDs bieten die Möglichkeit einer frei einstellbaren Pulsbreite. Zum Testen bestimmter Solarzellentypen sind längere Belichtungszeiten erforderlich.

• Integriertes Wärmemanagement: Die Epitex-LEDs von Ushio bieten verschiedene Möglichkeiten zur Ableitung überschüssiger Wärme. SMBB-Packages verfügen über einen Kupferkühlkörper mit hoher Wärmeleitfähigkeit, während die kleineren EDC-Packages die isolierenden und wärmeleitenden Eigenschaften eines Keramiksockels nutzen.

• Längere Lebensdauer: LEDs haben eine extrem lange Lebensdauer, was zu geringerem Wartungsbedarf, weniger Betriebsunterbrechungen für den Austausch und weniger Zeitaufwand für die Neukalibrierung führt.

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

Ushios umfangreiches Sortiment an leistungsstarken Epitex-LEDs umfasst sowohl SMBB-Packages, die sich durch exzellente Wärmeableitung auszeichnen, als auch EDC-Packages, deren extrem kompakte Bauart die Integration von noch mehr LEDs auf engstem Raum ermöglicht. 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. 

Damit stehen für Sonnensimulatoren sowohl kompakte, 1 mm² kleine Hochleistungs-Chips mit nur einer Wellenlänge zur Verfügung als auch Packages von bis zu drei Chips mit drei verschiedenen Wellenlängen. Sollte der Sonnensimulator noch mehr Leistung erfordern, kann die Multi-Chip-SMBB auch mit bis zu drei Chips der gleichen Wellenlänge bestückt werden, um die Leistung zu verdreifachen. Eine solche Multitasking-LED könnte zum Beispiel auf einer Fläche von gerade einmal 5 mm² Licht sowohl emittieren als auch detektieren.

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.

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.

Ushio Epitex D Series LEDs

Bei der D-Serie hat man auf verschiedene Halbleitermaterialien zurückgegriffen, um für jede Wellenlänge das perfekte Chipmaterial zu finden. Je nach gewünschter Wellenlänge stehen verschiedene Halbleitermaterialien zur Auswahl, darunter Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs), Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP), Aluminiumgalliumindiumnitrid (AlGaInN) und Indiumgalliumarsenidphosphid (InGaAsP). InGaAsP wird verwendet, um SWIR-Wellenlängen jenseits von 1.000 nm bis in den Bereich von 1.650 nm zu emittieren. Diese längeren Wellenlängen sind besonders nützlich für die Sonnensimulationsprüfung von Verbindungshalbleiter-Solarzellen und sogar für das Aufspüren von Defekten in Solarzellen.

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

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

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

Aufgrund der sehr spezifischen Betriebsbedingungen von Solarzellen sind LEDs perfekt geeignet, um unterschiedliche Umgebungsbedingungen zu imitieren. So erzeugen Solarzellen an einem bewölkten Tag weitaus weniger Strom als etwa zur Mittagszeit im Hochsommer. Durch den Einsatz eines Sonnensimulationssystems auf Basis der Epitex-LEDs von Ushio wissen die Hersteller genau, wie effizient ihre Solarzellen in jedem möglichen Szenario arbeiten. 

1 Der Sonnenzenitwinkel an einem Punkt am Erdboden ist definiert durch den Winkel zwischen der Richtung der Sonne und der Normalen auf die Erdoberfläche.
2 Eine physikalische Atmosphäre entspricht einem Druck von 1.013,25 Hektopascal (hPa).
3 Eine Solarkonstante entspricht der Menge an Strahlungsenergie, die die Erde von der Sonne erreicht.