В комнате на столе лежит датчик, который питается от света потолочной лампы. Производитель обещает, что элемент выдаёт 25% КПД. Другая лаборатория измеряет похожий образец и получает 15%. Оба числа честные, оба получены на исправном оборудовании, и оба ничего не говорят о том, какой элемент лучше. Причина в том, что «комнатный свет» — это не одно условие, а сотни разных: тёплая лампа у изголовья, нейтральная в офисе, холодная в супермаркете, плюс разная яркость и разное расстояние до источника.

Для уличных солнечных панелей эту проблему решили десятилетия назад: есть стандартные условия испытаний (STC) — облучённость 1000 Вт/м², температура 25 °C и спектр AM1.5G. Любой производитель в мире измеряет панель в этих условиях, поэтому цифры сопоставимы. У фотоэлементов для внутреннего освещения (indoor photovoltaics, iPV) такого общего знаменателя до недавнего времени не было. Консенсусное заявление 73 исследователей из 63 организаций, опубликованное в Nature Energy, предлагает этот знаменатель создать — и объясняет, почему без него сравнение теряет смысл.

Что именно ломает сравнение

Выходная мощность iPV-элемента зависит не только от того, сколько света на него падает, но и от того, какого цвета этот свет. Разные материалы по-разному поглощают разные длины волн, и разница в спектральной чувствительности вместе с различиями в рекомбинации носителей заряда приводит к тому, что мощность устройства сильно зависит и от спектра, и от облучённости. Авторы консенсуса формулируют это прямо: «Различия в спектральном отклике и динамике рекомбинации носителей заряда в элементах означают, что выходная мощность iPV-устройств сильно зависит как от падающего спектра, так и от облучённости».

Насколько велика проблема, видно из оценки самих авторов: из-за разброса источников света, условий освещения, оборудования и процедур «несогласованность достигает даже 60% в относительном выражении». Это не погрешность прибора, а разброс между лабораториями, которые формально измеряют одно и то же.

Отдельная сложность — единицы измерения. Внутри зданий освещение проектируют под человеческий глаз, поэтому его задают в люксах, а не в ваттах на квадратный метр. Люкс — фотометрическая величина, взвешенная по чувствительности зрения. Фотоэлементу же важен физический поток энергии. Из-за этого возникает вопрос, что вообще указывать в отчёте: плотность максимальной мощности (MPD) или КПД (PCE). Пока лаборатории используют разные лампы, эти две величины не связаны жёстко, и одна и та же цифра КПД может соответствовать разным MPD.

Один эталон вместо многих

Ключевое предложение консенсуса — зафиксировать один эталонный источник света. Авторы опираются на анализ рынка освещения и нормативов, а не на произвольный выбор. В жилом секторе доминируют тёплые лампы с цветовой температурой 2700 K: по данным анализа потребительских товаров на Amazon.com это 50,1%, на сайте GE Lighting — 39,9%, по европейским данным topten.eu — 79,2%. В нежилом секторе картина другая: там преобладают лампы 4000 K — у Lithonia Lighting 25,6%, у Signify 80%, в европейских коммерческих установках 83,3%.

Дополнительный аргумент — регуляторный. После десятилетий использования стандартного источника A (лампа накаливания) Международная комиссия по освещению (CIE) официально приняла эталонный спектр L41, идентичный светодиоду LED B-3 (4000 K), для калибровки фотометров, измеряющих освещённость. А освещённость — это как раз тот параметр, который нужен для характеризации iPV.

Поэтому авторы предлагают LED B-3 (4000 K) как будущий эталон, а LED B-4 (5000 K), уже принятый в технической спецификации IEC TS 62607-7-2:2023, — как текущий. Для исследований, ориентированных на жилое освещение, «настоятельно рекомендуется» тёплый LED B-1 (2700 K). Это не отказ от единого эталона, а многоуровневая система: один основной вариант плюс согласованные альтернативы для конкретных сценариев.

Фиксация одного источника решает конкретную задачу. Как пишут авторы: «Предлагая в качестве лучшей практики один источник света, который будет широко использоваться всеми лабораториями, со спектром, максимально близким к эталонному (например, LED B-3), мы фиксируем соотношение между MPD и PCE (делая MPD и PCE взаимозаменяемыми, чего не происходит, когда routinely используются разные источники света)». Если известна плотность мощности, КПД вычисляется однозначно, и наоборот.

Яркость: почему 200 люкс

Второй параметр — уровень освещённости. Европейский стандарт EN 12464-1:2021 определяет рабочие диапазоны внутри помещений, и большинство пространств попадает в 200–500 лк. Измерения в реальном офисе университета Тор Вергата показали: на столах без дополнительного освещения — 200–500 лк, на стенах в зависимости от высоты — 60–200 лк, на потолке — 30–50 лк.

Авторы выбрали 200 лк как основной уровень, при котором КПД должен сообщаться всегда. Причина практическая: это единственный уровень, на котором все 15 обследованных коммерческих производителей iPV публикуют данные о своих устройствах. Дополнительно «настоятельно рекомендуются» измерения при 1000 лк (яркие коммерческие помещения вроде супермаркетов) и 50 лк (тусклые условия).

Чтобы отчётность была однозначной, введена метка BPIM-B#-#lx. Например, BPIM-B3-200lx означает: измерение проведено по лучшим практикам для внутренних фотоэлементов (BPIM) при 200 лк под светом LED B-3. Такая метка сразу сообщает читателю и источник, и уровень освещённости, без дополнительных пояснений.

Почему одного эталона мало

Даже с общим источником и уровнем яркости результаты можно испортить настройкой измерительной системы. Консенсус вводит классификацию установок по трём параметрам: спектральное совпадение (SC), временная стабильность (TS) и пространственная неоднородность (SU). По каждому присваивается класс SA, A, B или C, а итоговый класс системы определяется худшим из трёх.

Спектральное совпадение показывает, насколько спектр реальной лампы близок к эталонному. Временная стабильность — насколько ровно лампа держит яркость за время измерения. Пространственная неоднородность — насколько равномерно свет распределён по площади образца. Для проверки однородности требуется минимум 17 точек измерения.

Практическая деталь: многие коммерческие светодиодные лампы выходят на стабильный режим минимум за 30 минут. Если начать измерение раньше, яркость будет дрейфовать, и результат окажется заниженным или завышенным в зависимости от момента замера.

Отдельная ловушка — способ регулировки яркости. Авторы сравнивают три системы: регулировку током питания (IAS-P), оптическое ослабление фильтрами (IAS-O) и изменение расстояния (IAS-D). Сравнительные исследования показали неопределённость измерения КПД около 2% для IAS-P и 6–15% для IAS-O. Причина в том, что светодиод меняет спектр при изменении тока, а фильтры вносят собственные спектральные искажения.

Калибровка: где расходятся приборы

Третий источник разброса — чем именно измеряют освещённость. Авторы сравнивают три подхода: эталонный фотоэлемент, спектрорадиометр и люксметр.

Эталонный фотоэлемент считается лучшей практикой: это стабильное устройство с известной спектральной чувствительностью, которое ставят в ту же плоскость, что и измеряемый образец. Спектрорадиометр даёт полную кривую спектральной облучённости, но стоит дороже. Люксметр — самый доступный и самый проблемный вариант.

Насколько проблемный, показывает прямой эксперимент. В одной точке под белым светодиодом при 200 лк сравнивали показания спектрорадиометра с калибровочным сертификатом и четырёх коммерческих люксметров. Люксметр с действующим сертификатом, прослеживаемым до Национального института стандартов и технологий США (NIST), дал показание в пределах 5% от спектрорадиометра. У приборов без сертификатов расхождения достигали 25%.

Ещё одна тонкость: при рассеянном свете, который как раз типичен для помещений, сферические диффузоры люксметров собирают свет иначе, чем плоские поверхности фотоэлементов. Это даёт угловое рассогласование и дополнительные ошибки. При низкой освещённости (например, 50 лк) дрейф фона может вызывать ошибки от 20% до 142%, поэтому фоновые измерения нужно повторять, а не полагаться на одно начальное значение.

Маскирование: как маленький образец обманывает измерение

Лабораторные образцы часто делают маленькими — меньше 1 см², ради экономии материала и скорости. Но именно маленькие элементы сильнее всего страдают от паразитного света и краевых эффектов при неколлимированном освещении. Результат — завышение плотности тока короткого замыкания (JSC) относительно значения, вычисленного из квантовой эффективности.

Решение — непрозрачная чёрная маска с апертурой. Эффект измерим: при 1000 лк, когда светодиодная лампа стоит близко к образцу, маскирование снизило переоценку JSC в перовскитных элементах с 39% (образец 4 × 4 мм без маски) до 5% (апертура маски 3,5 × 3,5 мм). Для органических элементов при 500 лк маска с апертурой 7,12 мм² снизила переоценку с 10% до 7,8%.

Авторы рекомендуют: где возможно, делать активную площадь не менее 1 см², а меньшие образцы закрывать маской с апертурой примерно 75–80% от площади устройства. Слишком маленькая апертура тоже плоха — она завышает JSC и занижает напряжение холостого хода из-за усиления краевых эффектов.

Стабильность: то, чего раньше почти не измеряли

Для уличных панелей есть развитые протоколы старения: IEC 61215 и серия ISOS. Для внутренних фотоэлементов таких протоколов практически не было. Консенсус предлагает четыре базовых теста, вдохновлённых ISOS-D, ISOS-L и ISOS-LC.

Основной — засветка при 1000 лк с периодическим измерением при той же яркости (метка BPIM-L1k-B#). При более высокой яркости механизмы деградации проявляются заметнее. Второй тест — засветка при повышенной яркости (например, 10 000 лк) для ускоренного старения. Третий — хранение в темноте с периодическим измерением при 200 лк. Четвёртый — циклирование свет/темнота с суточными циклами 1:1 или 1:2, что имитирует реальные условия и показывает обратимость деградации.

Практическая проблема: в мягких комнатных условиях время до падения КПД на 20% (t80) может превышать разумные сроки эксперимента — 10³–10⁴ часов. Поэтому авторы рекомендуют старить образец минимум 1000 часов, если t80 не достигнут, и сообщать падение КПД или MPD за этот период. Альтернатива — повышенная яркость 1000–20 000 лк для ускорения деградации.

Что осталось за рамками

Консенсус — это не экспериментальное исследование, а согласованное мнение сообщества, основанное на анализе литературы, рыночных данных, практики и нормативов. Новых измерений авторы не проводили. Это важно понимать: документ описывает, как измерять, а не предъявляет новые результаты измерений.

Часть сценариев осталась за рамками. Авторы прямо пишут: «Сложность некоторых реальных сценариев (например, фотоэлементы у окон) может выходить за пределы этого руководства». Гибридное солнечно-внутреннее освещение, работа у окон, интеграция с системами управления питанием — всё это требует отдельных протоколов.

Рекомендация LED B-3 как будущего эталона — это предложение авторов, ещё не принятое IEC. Рыночный анализ основан на веб-скрейпинге и может не отражать весь рынок. Спорные пункты оставлены как опциональные, чтобы лаборатории с разными возможностями могли сообщать сопоставимые данные даже без продвинутого оборудования.

Отдельно стоит отметить, что техническая спецификация IEC TS 62607-7-2:2023 уже установила методологии измерения КПД iPV. Консенсус не заменяет её, а дополняет: уточняет выбор источника, добавляет протоколы стабильности и многоуровневую систему рекомендаций. Пресс-релиз называет документ «первым общеотраслевым консенсусом», и в части согласованных практик это верно, но существующий стандарт он не отменяет.

Зачем это нужно читателю

Если вы читаете статью о новом рекордном КПД внутреннего фотоэлемента, первое, на что стоит смотреть, — при каком источнике света и какой освещённости получено число. Без этой информации сравнение с другими работами невозможно: разброс между лабораториями достигает 60%, и большая его часть объясняется условиями измерения, а не качеством устройства. Похожая логика работает и в других обзорах, где важно отделять результат от условий его получения: например, в разборе того, как проверить воспроизводимость исследования для обзора.

Метка BPIM-B3-200lx решает эту задачу: она сообщает и источник, и яркость в одном коротком обозначении. Если статья её не использует, стоит проверить, указаны ли спектр лампы, уровень освещённости, способ калибровки и наличие маски. Отсутствие этих деталей — не обязательно ошибка авторов, но это ограничение, которое нужно учитывать при интерпретации результата.

Для исследователей, работающих с iPV, консенсус даёт конкретный набор шагов: выбрать лампу, близкую к LED B-3 или LED B-4, дать ей прогреться минимум 30 минут, установить 200 лк калиброванным прибором, замаскировать образец, проверить стабильность выходной мощности (разница между прямым и обратным сканированием должна быть менее 2%), а для рекордных образцов — сверить измеренную плотность тока с расчётной из квантовой эффективности. Если расхождение превышает 15–20%, это сигнал о проблемах калибровки.

Согласованность измерений — не бюрократия, а условие для того, чтобы область вообще могла развиваться. Пока каждая лаборатория измеряет по-своему, невозможно ни подтвердить чужой результат, ни понять, какая технология действительно лучше. Консенсус — это попытка договориться о языке, на котором можно сравнивать. Как сформулировал первый автор работы Абхишек Чакраборти: «Высокие лабораторные КПД мало что значат, если никакие две лаборатории не измеряют их одинаково. Этот консенсус даёт области общий язык. Исследователи, производители и конечные пользователи теперь могут сравнивать устройства на равных условиях, что как раз и нужно, чтобы внутренняя фотовольтаика вышла в реальные продукты».

Остаётся открытый вопрос: насколько быстро лаборатории перейдут на новый эталон и как будет обновляться консенсус по мере развития технологий освещения и фотоэлементов. Авторы признают, что регулярная переоценка потребуется — и что создание глобальной базы данных измерений усилило бы статистическую надёжность и ускорило прогресс.

Источники

Схема показывает последовательность уровней консенсусного протокола: от выбора эталонного источника света и уровня освещённости через классификацию измерительной системы и калибровку к маскированию образца и тестам стабильности

Фото: Jakub Zerdzicki / Pexels