Shangrou-kwaliteitsbeoordeling | Van laboratorium tot toepassing: gedetailleerde uitleg van het perovskiet fotovoltaïsche ISOS-stabiliteitstestsysteem (deel 1)

Voorwoord

Vergeleken met de huidige reguliere fotovoltaïsche technologie (kristallijn silicium), hoewel perovskietcellen de voordelen hebben van een hoge theoretische efficiëntie, energieopwekking bij weinig licht en lagere productiekosten, is hun betrouwbaarheid bekritiseerd. is de stabiliteit op lange termijn niet zo goed als die van fotovoltaïsche modules van kristallijn silicium. Dit defect is een van de grootste obstakels geworden die de toepassing van perovskietcellen in het fotovoltaïsche veld beperken.

De betrouwbaarheidstests van perovskietmodules hebben echter nog geen uniforme standaard bereikt. Er is een gebrek aan consistentie in experimentele apparatuur, testprocedures en experimentele parameters bij alle partijen. Bovendien zijn er essentiële verschillen in de faalwijzen van perovskietcellen en kristallijne siliciumcellen. De bestaande testprocedures voor fotovoltaïsche modules van kristallijn silicium (IEC 61215, IEC 61730, enz.) zijn niet volledig toepasbaar op perovskietcellen.

Daarom is het opzetten van een wetenschappelijke, redelijke, operationele en teststandaard en evaluatiesysteem voor de stabiliteit op lange termijn van perovskiet-fotovoltaïsche modules een kernonderwerp geworden bij het bevorderen van de industriële toepassing van deze technologie.

De afgelopen jaren is er, dankzij de gezamenlijke inspanningen van onderzoeksinstellingen en het bedrijfsleven, een reeks vooruitgang geboekt bij de stabiliteitskarakterisering en testmethoden van perovskiet-fotovoltaïsche apparaten. Hoewel de relevante resultaten nog niet zijn opgenomen in het internationale standaardsysteem, hebben ze een belangrijke basis en methodeondersteuning geboden voor de duurzaamheid en levensduurbeoordeling van perovskietapparaten.

Testprotocollen voor consensusstabiliteit voor organische fotovoltaïsche materialen en apparaten

In het artikel "Consensus Stability Test Protocols for Organic Photovoltaic Materials and Devices", gepubliceerd in 2011, analyseerden alle betrokken partijen organische fotovoltaïsche/perovskiet fotovoltaïsche materialen en apparaten op basis van de richtlijnen die tijdens de voorgaande drie ISOS-bijeenkomsten waren besproken. Een aantal veelgebruikte testmethoden ontworpen .

De specifieke inhoud is als volgt: Afhankelijk van verschillende stressomstandigheden zijn er 5 hoofdtestcategorieën vastgesteld, namelijk: test in donkere omgeving (ISOS-D), buitentest (ISOS-O), laboratoriumverouderingstest (ISOS-L), thermische cyclustest (ISOS-TC), cyclustest voor zonnewarmte en vochtigheid (ISOS-LT)

Elke testcategorie is verdeeld in 3 niveaus, gebaseerd op de omstandigheden van de apparatuur en de stressintensiteit (zie figuur 1 voor details). Het opzetten van deze testprocedures zal experimentatoren helpen het stabiliteits- en degradatiemechanisme van organische fotovoltaïsche materialen te begrijpen en gegevens tussen laboratoria te vergelijken. Hieronder vindt u een korte introductie van elke testprocedure.

Figuur 1. Samenvatting van het testen van organische fotovoltaïsche materialen en apparaten

Het doel van de donkere omgevingstest is om de houdbaarheid van de batterij te bestuderen. De batterij wordt onder lichtvrije omstandigheden opgeslagen om de betrouwbaarheid op lange termijn te onderzoeken. Naarmate het niveau van het testprogramma toeneemt, zullen er twee extra stressomstandigheden, temperatuur en vochtigheid, worden toegevoegd.

De strengste ISOS-D-3 , vergelijkbaar met de gebruikelijke dubbel-85-test van kristallijne siliciumcomponenten. Het verschil is dat MQT 13 vereist dat de componenten tijdens de test worden kortgesloten, of dat er stroom wordt toegepast volgens specifieke technische vereisten, terwijl in het ISOS-protocol de componenten in open circuit moeten worden geplaatst.

Het artikel vermeldde ook dat als je tests in een donkere omgeving wilt uitvoeren bij lage temperaturen (gebruikt om de scène te simuleren waarin sneeuw het oppervlak van het onderdeel in de winter bedekt), experimentele procedures kunnen worden opgezet in overeenstemming met ISOS-D-2 , maar de temperatuur moet worden gewijzigd naar -18℃. Als u een donkere toestandstest bij lage temperatuur op een hoger niveau wilt onderzoeken, wordt aanbevolen om direct de thermische cyclus ISOS-T-3 of de vriescyclustest voor thermische vochtigheid op zonne-energie te gebruiken.

Buitendemonstratie is de eenvoudigste en meest directe methode om de prestaties van modules te onderzoeken, die intuïtief de problemen van fotovoltaïsche modules in praktische toepassingen kunnen weerspiegelen.

Als gevolg van schommelingen in de klimatologische omstandigheden worden tests buitenshuis echter met veel onzekerheden geconfronteerd, waaronder maar niet beperkt tot: niet-lineaire relaties tussen temperatuurcoëfficiënten, bewolking, prestaties en instraling; seizoensgebonden veranderingen in windvolume en energiedosis ontvangen door componenten; verschillen in klimaat, breedtegraad en hoogte in verschillende regio’s.

Daarom moeten alle factoren in aanmerking worden genomen bij het maken van vergelijkingen buitenshuis. De testinstellingen voor elk niveau in ISOS-O zijn vrijwel hetzelfde , het enige verschil ligt in de reguliere meting van de JV-curve. ISOS-O-1 wordt uitgevoerd onder de verlichting van een zonnesimulator, ISOS-O-2 wordt regelmatig buiten in direct zonlicht verzameld, en ISOS-O-3 vereist in-situ mpp-tracking onder directe buitenomstandigheden.

De laboratoriumverouderingstest hier onderzoekt voornamelijk fotoverouderingstests. Hoewel testen met buitenlicht de daadwerkelijke toepassing van componenten nauwkeurig kunnen weerspiegelen, zijn er problemen zoals onstabiele testomstandigheden en een langzame verouderingssnelheid. Laboratoriumverouderingstests vereisen stabielere testomstandigheden voor systematische analyse van de relatie tussen stress en degradatiesnelheid en onderzoek naar versnelde veroudering.

De stabiliteit op lange termijn van organische fotovoltaïsche/perovskiet-fotovoltaïsche cellen houdt grotendeels verband met de spectrale verdeling van de lichtbron. De kunstmatige lichtbron die wordt gebruikt bij verouderingstests in laboratoria moet zoveel mogelijk overeenkomen met de daadwerkelijke lichtbron van de toepassing.

ISOS-L-1 , u kunt zelf de lichtbron kiezen zonder deze te matchen met de doellichtbron, maar u moet wel de spectrale verdeling van de gebruikte lichtbron rapporteren. ISOS-L-2 en ISOS-L-3 De test is meer gericht op toepassingsscenario's buitenshuis, dus de lichtbron moet voldoende overeenkomen met het zonnespectrum. Tegelijkertijd worden afhankelijk van het programmaniveau de bijbehorende temperatuur- en vochtigheidseisen ingesteld.

De afwisselende warme en koude temperatuurcyclusstresstest wordt niet alleen gebruikt om de prestaties van componenten onder veranderende omstandigheden van straling, temperatuur en vochtigheid te evalueren, maar is ook een belangrijk middel om de temperatuurcyclusvermoeidheidskenmerken van materialen te bestuderen en het faalmechanisme van elke functionele laag van een perovskietbatterij te analyseren.

Thermische cyclusexperimenten in ISOS zijn over het algemeen vergelijkbaar met MQT 11 in IEC 61215, waarbij ISOS-T-1 en ISOS-T-2. Om de temperatuurcyclus van de componenten te realiseren door de kookplaat of oven aan te passen, ligt het temperatuurbereik van kamertemperatuur tot 65℃/85℃, en wordt de omgevingsvochtigheid niet gecontroleerd.

ISOS-T-3 lijkt het meest op MQT 11 , de componenten moeten ook een cyclus ondergaan tussen -40°C en 85°C, maar er zijn verschillen in enkele details:

1. ISOS-T-3 vereist monitoring en controle van de vochtigheid (gecontroleerd op 55% RV)

2. Bij ISOS is het niet nodig om elektrische spanningscondities aan componenten toe te voegen. In alle kwaliteiten worden componenten in open circuits geplaatst (MQT 11 vereist dat periodieke circulatiestroom door de componenten wordt geleid).

Figuur 2. Vergelijking van verschillen in thermische cycli tussen IEC 61215 en ISOS-T-3

Het ISOS-LT-experiment heeft tot doel realistischere toepassingsomstandigheden te simuleren onder laboratoriumomstandigheden, waardoor componenten uitgebreide veroudering van licht, temperatuur en vochtigheid kunnen ondergaan. Afhankelijk van de hoeveelheid en ernst van de stress, is deze onderverdeeld in drie soorten tests, namelijk ISOS-LT-1 (Solar Thermal Cycle), ISOS-LT-2 (Solar Thermal Moisture Cycle), ISOS-LT-3 (Solar Thermal Moisture Freezing Cycle) .

The article mentioned the necessity of increasing light stress:

1. The thermal radiation given by the incident light irradiating the surface of the component will form a temperature gradient in the heat transfer path from the illuminated surface to the back of the sample, thus producing temperature stress conditions that are completely different from uniform convection heating in the environmental box.

2. The current generated by light will inevitably increase the electrically induced stress on the components. This stress will promote component failure, such as corrosion of metal parts.

Figure 3. Schematic diagram of the solar thermal-humidity-freezing cycle test recommended by the article

Performance evaluation under low-light conditions is an important step in the actual application of photovoltaic devices. Although the article did not include low-light testing into the test procedure, it also made some constructive suggestions.

An important advantage of organic photovoltaics/perovskite photovoltaics is that they can still perform well in low light or indoor conditions。

The light sources used indoors are mainly artificial light sources, such as fluorescent lamps, incandescent lamps and LED lamps, which are fundamentally different from sunlight in terms of spectral distribution (see Figure 4) and irradiance. The illumination intensity of artificial light sources is generally measured in lx. The typical value of office illumination requirements is between 200 and 1000lx, which is approximately 1/100-1/500 of the AM1.5G spectrum 1000W/m2 illumination.

Therefore, it is necessary to strictly distinguish the type of light source, spectral characteristics and irradiation intensity during low-light performance testing, and establish test conditions consistent with actual application scenarios.

Figure 4. Comparison of the fluorescent lamp spectrum with a color temperature of 830 and the AM1.5 solar spectrum

The article gives a set of J-V test procedures for devices using recommended fluorescent lamps (830 color temperature) as the light source. See Figure 5 for details.

The current standards for low light testing of perovskite cells include IEC TS 62607-7-2:2023.But whether it is ISOS or IEC62607, currently only the IV test procedure of devices has been formulated, and there is currently no specific test procedure for the environmental aging test of devices under low light conditions.

Figure 5. Comparison of the fluorescent lamp spectrum with a color temperature of 830 and the AM1.5 solar spectrum

References

[1] Matthew O. Reese, Suren A.Gevorgyan et al. Consensus stability testing protocols for organic photovoltaic materials and devices. Solar Energy Materials and Solar Cells. Volume 95, Issue 5, May 2011, Pages 1253-1267. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.01.036

[2] Khenkin, MV, Katz, EA, Abate, A. et al. Consensusverklaring voor stabiliteitsbeoordeling en rapportage voor perovskiet-zonne-energie op basis van ISOS-procedures. Natuur energie. deel 5. pagina's 35–49 (2020), 35–49 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5

[3] Luigi Angelo Castriotta, Md Aslam Uddin et al. Overgang van Perovskiet-zonnetechnologieën naar flexibel zijn. Geavanceerde materialen. Deel 37, nummer 8, 25 februari 2025

https://doi.org/10.1002/adma.202408036

Wordt vervolgd...

Copyrightverklaring Het copyright van dit artikel behoort toe aan Shangrou New Energy

Welkom bij het doorsturen naar uw vriendenkring. Neem contact met ons op voor herdruk.