Shangrou kvalitetsbedömning | Från laboratorium till applikation: Detaljerad förklaring av Perovskite fotovoltaiskt ISOS stabilitetstestsystem (del 1)

Förord

Jämfört med den nuvarande vanliga fotovoltaiska tekniken (kristallint kisel), även om perovskitceller har fördelarna med hög teoretisk effektivitet, lågljusproduktion och lägre produktionskostnader, har deras tillförlitlighet kritiserats. , är den långsiktiga stabiliteten inte lika bra som för solcellsmoduler av kristallint kisel. Denna defekt har blivit ett av de största hindren som begränsar användningen av perovskitceller i solcellsfältet.

Men tillförlitlighetstestningen av perovskite-moduler har ännu inte nått en enhetlig standard. Det råder brist på konsekvens i experimentell utrustning, testprocedurer och experimentella parametrar bland alla parter. Dessutom finns det väsentliga skillnader i fellägen för perovskitceller och kristallina kiselceller. De befintliga testprocedurerna för fotovoltaiska moduler av kristallint kisel (IEC 61215, IEC 61730, etc.) är inte helt tillämpliga på perovskitceller.

Därför har Etablera en vetenskaplig, rimlig, operativ och teststandard och utvärderingssystem för den långsiktiga stabiliteten av perovskite solcellsmoduler blivit ett kärnämne för att främja industriell tillämpning av denna teknik.

Under de senaste åren har en rad framsteg gjorts i fråga om stabilitetskarakterisering och testmetoder för perovskite solceller, genom samverkan mellan forskningsinstitutioner och näringslivet. Även om de relevanta resultaten ännu inte har införlivats i det internationella standardsystemet, har de gett ett viktigt underlag och metodstöd för hållbarhets- och livslängdsbedömning av perovskitenheter.

Konsensus stabilitetstestningsprotokoll för organiska fotovoltaiska material och enheter

I artikeln "Consensus stability testing protocols for organic photovoltaic materials and devices" som publicerades 2011 analyserade alla berörda parter organiska solceller och apparater för solceller utifrån de riktlinjer som diskuterats under de tre tidigare ISOS-mötena. Designade några vanliga testmetoder .

Det specifika innehållet är som följer: Enligt olika spänningsförhållanden har 5 huvudtestkategorier fastställts, nämligen: mörk miljötest (ISOS-D), utomhustest (ISOS-O), laboratorieåldringstest (ISOS-L), termisk cykeltest (ISOS-TC), solvärme och fuktighetscykeltest (ISOS-LT)

Varje testkategori är indelad i 3 nivåer baserat på utrustningens förhållanden och stressintensitet (se figur 1 för detaljer). Inrättandet av dessa testprocedurer kommer att hjälpa experimentalister att förstå stabiliteten och nedbrytningsmekanismen hos organiska fotovoltaiska material och jämföra data mellan laboratorier. Nedan följer en kort introduktion till varje testprocedur.

Figur 1. Sammanfattning av testning av organiska solcellsmaterial och apparater

Syftet med mörkermiljötestet är att studera batteriets lagringstid. Batteriet förvaras under ljusfria förhållanden för att studera dess långsiktiga tillförlitlighet. När nivån på testprogrammet ökar kommer ytterligare två stressförhållanden, temperatur och luftfuktighet, att läggas till.

Den mest stränga ISOS-D-3 , liknande det vanliga dubbel-85-testet av kristallina kiselkomponenter. Skillnaden är att MQT 13 kräver att komponenterna kortsluts under testet, eller att ström appliceras enligt specifika tekniska krav, medan i ISOS-protokollet behöver komponenterna placeras i öppen krets.

Artikeln nämnde också att om du vill utföra tester i mörk miljö vid låga temperaturer (används för att simulera scenen där snö täcker ytan på komponenten på vintern), kan experimentella procedurer ställas in i enlighet med ISOS-D-2 , men temperaturen måste ändras till -18℃. Om du vill undersöka ett mörkertillståndstest på högre nivå vid låg temperatur, rekommenderas det att direkt använda termisk cykel ISOS-T-3 eller solvärmefuktighet fryscykeltest.

Utomhusdemonstration är den enklaste och mest direkta metoden för att undersöka modulens prestanda, som intuitivt kan återspegla problemen med solcellsmoduler i praktiska tillämpningar.

Men på grund av fluktuationer i klimatförhållanden står utomhustestning inför många osäkerheter, inklusive men inte begränsat till: icke-linjära samband mellan temperaturkoefficienter, molntäcke, prestanda och bestrålning; säsongsmässiga förändringar i vindvolym och energidos som tas emot av komponenter; skillnader i klimat, latitud och höjd över havet i olika regioner.

Därför måste alla faktorer beaktas när man gör jämförelser utomhus. Testinställningarna för varje nivå i ISOS-O är nästan desamma , den enda skillnaden ligger i den regelbundna mätningen av JV-kurvan. ISOS-O-1 utförs under belysning av en solsimulator, ISOS-O-2 samlas in regelbundet i direkt solljus utomhus och ISOS-O-3 kräver in-situ mpp-spårning under direkta utomhusförhållanden.

Laboratoriets åldringstest här utforskar främst fotoåldringstestning. Även om testning av utomhusljus korrekt kan återspegla den faktiska tillämpningen av komponenter, finns det problem som instabila testförhållanden och långsam åldringshastighet. Åldringstestning i laboratorier kräver mer stabila testförhållanden för systematisk analys av sambandet mellan stress och nedbrytningshastighet och forskning om accelererat åldrande.

Långtidsstabiliteten hos organiska fotovoltaiska/perovskite solceller är till stor del relaterad till ljuskällans spektrala fördelning. Den artificiella ljuskällan som används i laboratorietester bör matcha den faktiska applikationsljuskällan så mycket som möjligt.

ISOS-L-1 , du kan välja ljuskällan själv utan att matcha den med målljuskällan, men du måste rapportera den spektrala fördelningen av den använda ljuskällan. ISOS-L-2 och ISOS-L-3 Testet är mer partiskt mot utomhusapplikationsscenarier, så ljuskällan måste ha tillräcklig matchning med solspektrumet. Samtidigt ställs motsvarande temperatur- och luftfuktighetskrav enligt programnivån.

Det alternerande cykelstresstestet för varma och kalla temperaturer används inte bara för att utvärdera komponenternas prestanda under föränderliga förhållanden av bestrålning, temperatur och luftfuktighet, utan är också ett viktigt sätt att studera temperaturcykelns utmattningsegenskaper hos material och analysera felmekanismen för varje funktionellt lager i ett perovskitbatteri.

Termiska cyklingsexperiment i ISOS liknar i allmänhet MQT 11 i IEC 61215, där ISOS-T-1 och ISOS-T-2 För att realisera komponenternas temperaturcykel genom att justera värmeplattan eller ugnen, är temperaturområdet från rumstemperatur till 65 ℃/85 ℃, och den omgivande luftfuktigheten är inte kontrollerad.

ISOS-T-3 är mest lik MQT 11 , komponenterna måste också cyklas mellan -40°C och 85°C, men det finns skillnader i vissa detaljer:

1. ISOS-T-3 kräver fuktövervakning och kontroll (kontrollerad vid 55%RH)

2. I ISOS finns det inget behov av att lägga till elektriska förspänningsförhållanden till komponenter. I alla kvaliteter placeras komponenter i öppna kretsar (MQT 11 kräver att periodisk cirkulerande ström passerar genom komponenterna).

Figur 2. Jämförelse av termiska cykelskillnader mellan IEC 61215 och ISOS-T-3

ISOS-LT-experimentet syftar till att simulera mer realistiska applikationsförhållanden genom laboratorieförhållanden, vilket gör att komponenter kan genomgå en omfattande åldring av ljus, temperatur och fuktighet. Beroende på mängden och svårighetsgraden av stress är den uppdelad i tre typer av tester, nämligen ISOS-LT-1 (Solar Thermal Cycle), ISOS-LT-2 (Solar Thermal Moisture Cycle), ISOS-LT-3 (Solar Thermal Moisture Freezing Cycle)。

Artikeln nämnde nödvändigheten av att öka lätt stress:

1. Den termiska strålningen som ges av det infallande ljuset som bestrålar komponentens yta kommer att bilda en temperaturgradient i värmeöverföringsbanan från den upplysta ytan till provets baksida, vilket ger temperaturspänningsförhållanden som är helt annorlunda än likformig konvektionsuppvärmning i miljöboxen.

2. Strömmen som genereras av ljus kommer oundvikligen att öka den elektriskt inducerade spänningen på komponenterna. Denna spänning kommer att främja komponentfel, såsom korrosion av metalldelar.

Figur 3. Schematiskt diagram över cykeltestet för solvärme-fuktighet-frysning som rekommenderas av artikeln

Utvärdering av prestanda under svaga ljusförhållanden är ett viktigt steg i den faktiska tillämpningen av solceller. Även om artikeln inte inkluderade testning med svagt ljus i testproceduren, gav den också några konstruktiva förslag.

En viktig fördel med organiska solceller/perovskite solceller är att de fortfarande kan prestera bra i svagt ljus eller inomhusförhållanden .

De ljuskällor som används inomhus är främst artificiella ljuskällor, såsom lysrör, glödlampor och LED-lampor, som skiljer sig fundamentalt från solljus när det gäller spektralfördelning (se figur 4) och irradians. Belysningsintensiteten hos artificiella ljuskällor mäts i allmänhet i lx. Det typiska värdet för krav på kontorsbelysning är mellan 200 och 1000 lx, vilket är ungefär 1/100-1/500 av AM1.5G-spektrumet 1000W/m2 belysning.

Därför är det nödvändigt att strikt särskilja typen av ljuskälla, spektrala egenskaper och bestrålningsintensitet under prestandatestning i svagt ljus och fastställa testförhållanden som överensstämmer med faktiska tillämpningsscenarier.

Figur 4. Jämförelse av lysrörsspektrum med en färgtemperatur på 830 och AM1.5 solspektrum

Artikeln ger en uppsättning JV-testprocedurer för enheter som använder rekommenderade lysrör (830 färgtemperatur) som ljuskälla. Se figur 5 för detaljer.

De nuvarande standarderna för testning av perovskitceller i svagt ljus inkluderar IEC TS 62607-7-2:2023. Men oavsett om det är ISOS eller IEC62607 , har för närvarande endast IV-testproceduren för enheter formulerats, och det finns för närvarande ingen specifik testprocedur för miljöåldringstest av enheter under svaga ljusförhållanden.

Figur 5. Jämförelse av lysrörsspektrum med en färgtemperatur på 830 och AM1.5 solspektrum

Referenser

[1] Matthew O. Reese, Suren A.Gevorgyan et al. Konsensus stabilitetstestningsprotokoll för organiska fotovoltaiska material och enheter. Solenergimaterial och solceller. Volym 95, nummer 5, maj 2011, sidorna 1253-1267. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.01.036

[2] Khenkin, MV, Katz, EA, Abate, A. et al. Konsensusförklaring för stabilitetsbedömning och rapportering för perovskit solceller baserad på ISOS-procedurer. Naturenergi. volym 5. sid 35–49 (2020), 35–49 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5

[3] Luigi Angelo Castriotta, Md Aslam Uddin et al. Övergång av Perovskite Solar Technologies till att vara flexibel. Förhandsmaterial. Volym 37, nummer 8, 25 februari 2025

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

Fortsättning följer...

Upphovsrättsförklaring Upphovsrätten till denna artikel tillhör Shangrou New Energy

Välkommen att vidarebefordra till din vänkrets, vänligen kontakta oss för nytryck.