Оценка качества Шанжоу | От лаборатории к применению: подробное объяснение перовскитной фотоэлектрической системы тестирования стабильности ISOS (Часть 1)

Предисловие

По сравнению с нынешней основной фотоэлектрической технологией (кристаллический кремний), хотя перовскитные элементы имеют преимущества, заключающиеся в высокой теоретической эффективности, выработке электроэнергии при слабом освещении и более низких производственных затратах, их надежность подвергается критике. , долговременная стабильность не так хороша, как у фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния. Этот дефект стал одним из самых больших препятствий, ограничивающих применение перовскитных элементов в фотоэлектрической области.

Однако испытания надежности перовскитовых модулей еще не достигли единого стандарта. Между всеми сторонами отсутствует согласованность в экспериментальном оборудовании, процедурах испытаний и параметрах экспериментов. Кроме того, существуют существенные различия в режимах разрушения перовскитных ячеек и ячеек кристаллического кремния. Существующие процедуры тестирования фотоэлектрических модулей из кристаллического кремния (IEC 61215, IEC 61730 и т. д.) не полностью применимы к перовскитным элементам.

поэтому создание научного, разумного, эксплуатационного и испытательного стандарта и системы оценки долгосрочной стабильности перовскитных фотоэлектрических модулей стало основной темой в продвижении промышленного применения этой технологии.

В последние годы благодаря совместным усилиям исследовательских институтов и бизнес-сообщества был достигнут ряд успехов в определении характеристик стабильности и методах тестирования перовскитных фотоэлектрических устройств. Хотя соответствующие результаты еще не включены в международную систему стандартов, они обеспечили важную основу и методическую поддержку для оценки долговечности и срока службы перовскитовых устройств.

Согласованные протоколы испытаний на стабильность органических фотоэлектрических материалов и устройств

В статье «Консенсусные протоколы испытаний на стабильность органических фотоэлектрических материалов и устройств», опубликованной в 2011 году, все заинтересованные стороны проанализировали органические фотоэлектрические/перовскитные фотоэлектрические материалы и устройства на основе руководящих принципов, обсуждавшихся на предыдущих трех заседаниях ISOS. Разработаны некоторые распространенные методы испытаний。

Конкретное содержание следующее: В зависимости от различных стрессовых условий были установлены 5 основных категорий испытаний, а именно: испытание в темноте (ISOS-D), испытание на открытом воздухе (ISOS-O), лабораторное испытание на старение (ISOS-L), испытание на термический цикл (ISOS-TC), испытание на циклическое воздействие солнечного тепла и влажности (ISOS-LT)

Каждая категория испытаний разделена на 3 уровня в зависимости от состояния оборудования и интенсивности нагрузки (подробности см. на рис. 1). Создание этих процедур испытаний поможет экспериментаторам понять механизм стабильности и деградации органических фотоэлектрических материалов и сравнить данные разных лабораторий. Ниже приводится краткое описание каждой процедуры тестирования.

Рисунок 1. Краткое описание испытаний органических фотоэлектрических материалов и устройств.

Целью теста в темноте является изучение срока службы батареи. Аккумулятор хранят в условиях отсутствия света для изучения его долгосрочной надежности. По мере повышения уровня программы испытаний будут добавлены два дополнительных стрессовых условия: температура и влажность.

Самый строгий ISOS-D-3 , аналогичный обычному испытанию Double-85 для компонентов кристаллического кремния. Разница в том, что MQT 13 требует, чтобы компоненты были закорочены во время испытания, или ток подавался в соответствии с конкретными техническими требованиями, тогда как в протоколе ISOS компоненты необходимо размещать в разомкнутом состоянии.

В статье также упоминается, что если вы хотите провести тестирование в темной среде при низких температурах (используется для имитации сцены, когда снег покрывает поверхность компонента зимой), экспериментальные процедуры можно настроить в соответствии со стандартом ISOS-D-2 , но температуру необходимо изменить на -18 ℃. Если вы хотите изучить тест более высокого уровня при низкой температуре в темном состоянии, рекомендуется напрямую использовать тест на тепловой цикл ISOS-T-3 или циклический тест на солнечную тепловую влажность и замораживание.

Демонстрация на открытом воздухе — это самый простой и прямой метод проверки производительности модуля, который может интуитивно отражать проблемы фотоэлектрических модулей в практическом применении.

Однако из-за колебаний климатических условий испытания на открытом воздухе сталкиваются со многими неопределенностями, включая, помимо прочего: нелинейные зависимости между температурными коэффициентами, облачностью, производительностью и освещенностью; сезонные изменения объема ветра и дозы энергии, получаемой компонентами; различия климата, широты и высоты в разных регионах.

Поэтому при сравнении наружных условий необходимо учитывать все факторы. Настройки теста для каждого уровня в ISOS-O практически одинаковы , единственное отличие заключается в штатном измерении кривой СП. ISOS-O-1 проводится при освещении солнечного имитатора, ISOS-O-2 собирается регулярно под прямыми солнечными лучами на открытом воздухе, а ISOS-O-3 требует отслеживания MPP на месте под прямыми наружными условиями.

Лабораторный тест на старение здесь в основном исследует тестирование на фотостарение. Хотя тестирование на открытом воздухе может точно отражать фактическое применение компонентов, существуют такие проблемы, как нестабильные условия тестирования и медленная скорость старения. Лабораторные испытания на старение требуют более стабильных условий испытаний для систематического анализа взаимосвязи между стрессом и скоростью деградации, а также исследований ускоренного старения.

Долговременная стабильность органических фотоэлектрических/перовскитовых фотоэлектрических элементов во многом связана со спектральным распределением источника света. Источник искусственного света, используемый в лабораторных испытаниях на старение, должен максимально соответствовать реальному источнику света.

ISOS-L-1 , вы можете выбрать источник света самостоятельно, не сопоставляя его с целевым источником света, но вам необходимо сообщить спектральное распределение используемого источника света. ISOS-L-2 и ISOS-L-3. Испытание больше ориентировано на сценарии наружного применения, поэтому источник света должен в достаточной степени соответствовать солнечному спектру. При этом соответствующие требования к температуре и влажности устанавливаются в соответствии с программным уровнем.

Стресс-тест с переменным горячим и холодным температурным циклом используется не только для оценки характеристик компонентов в изменяющихся условиях освещенности, температуры и влажности, но также является важным средством изучения усталостных характеристик материалов при температурном цикле и анализа механизма разрушения каждого функционального слоя перовскитовой батареи.

Эксперименты по термоциклированию в ISOS в целом аналогичны MQT 11 в IEC 61215, где ISOS-T-1 и ISOS-T-2. Чтобы реализовать температурный цикл компонентов путем регулировки горячей плиты или духовки, диапазон температур составляет от комнатной температуры до 65 ℃/85 ℃, а влажность окружающей среды не контролируется.

ISOS-T-3 наиболее похож на MQT 11 , компоненты также необходимо подвергать циклическому воздействию при температуре от -40°C до 85°C, но есть различия в некоторых деталях:

1. ISOS-T-3 требует мониторинга и контроля влажности (контролируется при относительной влажности 55%).

2. В ISOS нет необходимости добавлять к компонентам условия напряжения электрического смещения. Во всех классах компоненты размещаются в разомкнутых цепях (MQT 11 требует периодического прохождения через компоненты циркулирующего тока).

Рисунок 2. Сравнение различий тепловых циклов между IEC 61215 и ISOS-T-3.

Эксперимент ISOS-LT направлен на имитацию более реалистичных условий применения в лабораторных условиях, позволяя компонентам подвергаться всестороннему старению под воздействием света, температуры и влажности. В зависимости от количества и серьезности нагрузки он делится на три типа испытаний, а именно ISOS-LT-1 (солнечный термический цикл), ISOS-LT-2 (солнечный термический цикл влаги), ISOS-LT-3 (солнечный термический цикл влаги) .

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] Хенкин М.В., Кац Е.А., Абате А. и др. Заявление о консенсусе по оценке стабильности и отчетности по перовскитным фотоэлектрическим элементам на основе процедур ISOS. Энергия природы. том 5. страницы 35–49 (2020 г.), 35–49 (2020 г.). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5

[3] Луиджи Анджело Кастриотта, доктор Аслам Уддин и др. Переход перовскитных солнечных технологий к гибкости. Предварительные материалы. Том 37, выпуск 8, 25 февраля 2025 г.

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

Продолжение следует...

Заявление об авторских правах Авторские права на эту статью принадлежат Shangrou New Energy.

Добро пожаловать для пересылки вашему кругу друзей, пожалуйста, свяжитесь с нами для перепечатки.