Valutazione della qualità Shangrou | Dal laboratorio all'applicazione: spiegazione dettagliata del sistema di prova di stabilità ISOS fotovoltaica della perovskite (parte 1)

Prefazione

Rispetto all'attuale tecnologia fotovoltaica tradizionale (silicio cristallino), sebbene le celle di perovskite presentino i vantaggi di un'elevata efficienza teorica, generazione di energia in condizioni di scarsa illuminazione e costi di produzione inferiori, la loro affidabilità è stata criticata. , la stabilità a lungo termine non è buona quanto quella dei moduli fotovoltaici in silicio cristallino. Questo difetto è diventato uno dei maggiori ostacoli che limitano l’applicazione delle celle di perovskite nel campo fotovoltaico.

Tuttavia, i test di affidabilità dei moduli di perovskite non hanno ancora raggiunto uno standard unificato. C’è una mancanza di coerenza tra tutte le parti in termini di attrezzature sperimentali, procedure di test e parametri sperimentali. Inoltre, esistono differenze essenziali nelle modalità di guasto delle celle in perovskite e delle celle in silicio cristallino. Le procedure di test esistenti sui moduli fotovoltaici in silicio cristallino (IEC 61215, IEC 61730, ecc.) non sono completamente applicabili alle celle di perovskite.

pertanto, stabilire uno standard scientifico, ragionevole, operativo e di prova e un sistema di valutazione per la stabilità a lungo termine dei moduli fotovoltaici in perovskite , è diventato un argomento centrale nel promuovere l'applicazione industriale di questa tecnologia.

Negli ultimi anni, attraverso gli sforzi di collaborazione degli istituti di ricerca e della comunità imprenditoriale, sono stati compiuti una serie di progressi nella caratterizzazione della stabilità e nei metodi di prova dei dispositivi fotovoltaici a base di perovskite. Sebbene i risultati rilevanti non siano stati ancora incorporati nel sistema di standard internazionale, hanno fornito importanti basi e supporto metodologico per la valutazione della durabilità e della durata dei dispositivi a base di perovskite.

Protocolli di test di stabilità consensuale per materiali e dispositivi fotovoltaici organici

Nell'articolo "Protocolli di test di stabilità di consenso per materiali e dispositivi fotovoltaici organici" pubblicato nel 2011, tutte le parti interessate hanno analizzato materiali e dispositivi fotovoltaici organici/perovskite sulla base delle linee guida discusse durante i tre precedenti incontri ISOS. Progettato alcuni metodi di test comuni .

I contenuti specifici sono i seguenti: In base alle diverse condizioni di stress, sono state stabilite 5 principali categorie di test, vale a dire: test in ambiente buio (ISOS-D), test all'aperto (ISOS-O), test di invecchiamento in laboratorio (ISOS-L), test del ciclo termico (ISOS-TC), test del ciclo solare termico e umido （ISOS-LT）

Ciascuna categoria di test è divisa in 3 livelli in base alle condizioni dell'apparecchiatura e all'intensità dello stress (vedere la Figura 1 per i dettagli). La creazione di queste procedure di test aiuterà gli sperimentatori a comprendere la stabilità e il meccanismo di degradazione dei materiali fotovoltaici organici e a confrontare i dati tra i laboratori. Di seguito è riportata una breve introduzione a ciascuna procedura di test.

Figura 1. Riepilogo dei test su materiali e dispositivi fotovoltaici organici

Lo scopo del test in ambiente buio è studiare la durata di conservazione della batteria. La batteria viene conservata in condizioni prive di luce per studiarne l'affidabilità a lungo termine. All'aumentare del livello del programma di test, verranno aggiunte due ulteriori condizioni di stress, temperatura e umidità.

Il più severo ISOS-D-3 , simile al comune test doppio-85 dei componenti in silicio cristallino. La differenza è che MQT 13 richiede che i componenti vengano cortocircuitati durante la prova, oppure venga applicata corrente secondo specifici requisiti tecnici, mentre nel protocollo ISOS i componenti devono essere posti a circuito aperto.

L'articolo menziona anche che se si desidera condurre test in un ambiente buio a basse temperature (utilizzato per simulare la scena in cui la neve copre la superficie del componente in inverno), è possibile impostare procedure sperimentali in conformità con ISOS-D-2 , ma la temperatura deve essere modificata a -18℃. Se si desidera esaminare un test allo stato di buio a bassa temperatura di livello superiore, si consiglia di utilizzare direttamente il ciclo termico ISOS-T-3 o il test del ciclo di congelamento dell'umidità termica solare.

La dimostrazione all'aperto è il metodo più semplice e diretto per esaminare le prestazioni dei moduli, che possono riflettere in modo intuitivo i problemi dei moduli fotovoltaici nelle applicazioni pratiche.

Tuttavia, a causa delle fluttuazioni delle condizioni climatiche, i test all’aperto devono affrontare molte incertezze, incluse ma non limitate a: relazioni non lineari tra coefficienti di temperatura, copertura nuvolosa, prestazioni e irraggiamento; cambiamenti stagionali nel volume del vento e nella dose di energia ricevuta dai componenti; differenze di clima, latitudine e altitudine nelle diverse regioni.

Pertanto, quando si effettuano confronti all’aperto è necessario considerare tutti i fattori. Le impostazioni del test per ciascun livello in ISOS-O sono quasi le stesse , l'unica differenza risiede nella misurazione regolare della curva JV. ISOS-O-1 viene effettuato sotto l'illuminazione di un simulatore solare, ISOS-O-2 viene raccolto regolarmente sotto la luce solare diretta all'aperto e ISOS-O-3 richiede il monitoraggio mpp in situ in condizioni esterne dirette.

Il test di invecchiamento in laboratorio qui esplora principalmente i test di fotoinvecchiamento. Sebbene i test sulla luce esterna possano riflettere accuratamente l'effettiva applicazione dei componenti, esistono problemi come condizioni di test instabili e bassa velocità di invecchiamento. I test di invecchiamento in laboratorio richiedono condizioni di prova più stabili per l’analisi sistematica della relazione tra stress e tasso di degrado e la ricerca sull’invecchiamento accelerato.

La stabilità a lungo termine delle celle fotovoltaiche organiche/perovskite è in gran parte correlata alla distribuzione spettrale della sorgente luminosa. La sorgente luminosa artificiale utilizzata nei test di invecchiamento in laboratorio dovrebbe corrispondere il più possibile alla sorgente luminosa dell'applicazione effettiva.

ISOS-L-1 , puoi scegliere tu stesso la sorgente luminosa senza abbinarla alla sorgente luminosa target, ma devi riportare la distribuzione spettrale della sorgente luminosa utilizzata. ISOS-L-2 e ISOS-L-3 Il test è più sbilanciato verso scenari di applicazioni esterne, quindi la sorgente luminosa deve avere una corrispondenza sufficiente con lo spettro solare. Allo stesso tempo, i corrispondenti requisiti di temperatura e umidità vengono impostati in base al livello di programma.

Lo stress test con ciclo termico alternato a caldo e freddo non viene utilizzato solo per valutare le prestazioni dei componenti in condizioni mutevoli di irraggiamento, temperatura e umidità, ma è anche un mezzo importante per studiare le caratteristiche di fatica del ciclo termico dei materiali e analizzare il meccanismo di guasto di ciascuno strato funzionale di una batteria alla perovskite.

Gli esperimenti di ciclo termico in ISOS sono generalmente simili a MQT 11 in IEC 61215, dove ISOS-T-1 e ISOS-T-2 Per realizzare il ciclo di temperatura dei componenti regolando la piastra riscaldante o il forno, l'intervallo di temperatura va dalla temperatura ambiente a 65 ℃/85 ℃ e l'umidità ambientale non è controllata.

ISOS-T-3 è molto simile a MQT 11 , anche i componenti devono essere sottoposti a cicli tra -40°C e 85°C, ma ci sono differenze in alcuni dettagli:

1. ISOS-T-3 richiede il monitoraggio e il controllo dell'umidità (controllato al 55% di umidità relativa)

2. In ISOS non è necessario aggiungere condizioni di sollecitazione di polarizzazione elettrica ai componenti. In tutti i gradi, i componenti sono posizionati in circuiti aperti (MQT 11 richiede il passaggio di corrente circolante periodica attraverso i componenti).

Figura 2. Confronto delle differenze del ciclo termico tra IEC 61215 e ISOS-T-3

L'esperimento ISOS-LT mira a simulare condizioni applicative più realistiche attraverso condizioni di laboratorio, consentendo ai componenti di sottoporsi a un invecchiamento completo di luce, temperatura e umidità. A seconda della quantità e della gravità dello stress, è suddiviso in tre tipi di test, vale a dire ISOS-LT-1 (ciclo solare termico), ISOS-LT-2 (ciclo solare termico dell'umidità), ISOS-LT-3 (ciclo solare termico del congelamento dell'umidità) .

L’articolo menziona la necessità di aumentare lo stress luminoso:

1. La radiazione termica data dalla luce incidente che irradia la superficie del componente formerà un gradiente di temperatura nel percorso di trasferimento del calore dalla superficie illuminata al retro del campione, producendo così condizioni di stress termico completamente diverse dal riscaldamento per convezione uniforme nella scatola ambientale.

2. La corrente generata dalla luce aumenterà inevitabilmente la sollecitazione elettricamente indotta sui componenti. Questo stress favorirà il guasto dei componenti, come la corrosione delle parti metalliche.

Figura 3. Diagramma schematico del test del ciclo solare termico-umidità-congelamento consigliato dall'articolo

La valutazione delle prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione è un passo importante nell'effettiva applicazione dei dispositivi fotovoltaici. Sebbene l'articolo non includa test in condizioni di scarsa illuminazione nella procedura di test, fornisce anche alcuni suggerimenti costruttivi.

Un vantaggio importante del fotovoltaico organico/fotovoltaico a perovskite è che possono comunque funzionare bene in condizioni di scarsa illuminazione o interni .

Le sorgenti luminose utilizzate negli interni sono principalmente sorgenti luminose artificiali, come lampade fluorescenti, lampade a incandescenza e lampade LED, che sono fondamentalmente diverse dalla luce solare in termini di distribuzione spettrale (vedi Figura 4) e irradianza. L'intensità luminosa delle sorgenti luminose artificiali viene generalmente misurata in lx. Il valore tipico dei requisiti di illuminazione di un ufficio è compreso tra 200 e 1000 lx, ovvero circa 1/100-1/500 dell'illuminazione da 1000 W/m2 dello spettro AM1.5G.

Pertanto, è necessario distinguere rigorosamente il tipo di sorgente luminosa, le caratteristiche spettrali e l'intensità dell'irradiazione durante i test delle prestazioni in condizioni di scarsa illuminazione e stabilire condizioni di test coerenti con gli scenari applicativi reali.

Figura 4. Confronto tra lo spettro della lampada fluorescente con una temperatura di colore di 830 e lo spettro solare AM1,5

L'articolo fornisce una serie di procedure di test JV per i dispositivi che utilizzano lampade fluorescenti consigliate (temperatura di colore 830) come sorgente luminosa. Vedere la Figura 5 per i dettagli.

Gli standard attuali per i test in condizioni di scarsa illuminazione delle celle di perovskite includono IEC TS 62607-7-2:2023. Ma che si tratti di ISOS o IEC62607 , attualmente è stata formulata solo la procedura di test IV dei dispositivi e attualmente non esiste una procedura di test specifica per il test di invecchiamento ambientale dei dispositivi in ​​condizioni di scarsa illuminazione.

Figura 5. Confronto tra lo spettro della lampada fluorescente con una temperatura di colore di 830 e lo spettro solare AM1,5

Riferimenti

[1] Matthew O. Reese, Suren A.Gevorgyan et al. Protocolli di test di stabilità consensuale per materiali e dispositivi fotovoltaici organici. Materiali a energia solare e celle solari. Volume 95, numero 5, maggio 2011, pagine 1253-1267. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.01.036

[2] Khenkin, MV, Katz, EA, Abate, A. et al. Dichiarazione di consenso per la valutazione della stabilità e la rendicontazione del fotovoltaico in perovskite basata sulle procedure ISOS. Energia della natura. volume 5. pagine 35–49 (2020), 35–49 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5

[3] Luigi Angelo Castriotta, Md Aslam Uddin et al. Transizione delle tecnologie solari della perovskite verso l'essere flessibili. Materiali avanzati. Volume 37, numero 8, 25 febbraio 2025

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

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