Shangrou-Qualitätsbewertung | Vom Labor zur Anwendung: Detaillierte Erläuterung des ISOS-Stabilitätstestsystems für Perowskit-Photovoltaik (Teil 1)

Vorwort

Verglichen mit der aktuellen Mainstream-Photovoltaik-Technologie (kristallines Silizium) haben Perowskit-Zellen zwar die Vorteile eines hohen theoretischen Wirkungsgrads, einer Stromerzeugung bei geringer Lichteinstrahlung und niedrigerer Produktionskosten, ihre Zuverlässigkeit wurde jedoch kritisiert. Die Langzeitstabilität ist jedoch nicht so gut wie die von kristallinen Silizium-Photovoltaikmodulen. Dieser Mangel ist zu einem der größten Hindernisse geworden, die den Einsatz von Perowskit-Zellen im Photovoltaikbereich einschränken.

Allerdings hat die Zuverlässigkeitsprüfung von Perowskit-Modulen noch keinen einheitlichen Standard erreicht. Es besteht bei allen Beteiligten ein Mangel an Einheitlichkeit bei der Versuchsausrüstung, den Testverfahren und den Versuchsparametern. Darüber hinaus gibt es wesentliche Unterschiede in den Ausfallarten von Perowskit-Zellen und kristallinen Siliziumzellen. Die bestehenden Testverfahren für kristalline Silizium-Photovoltaikmodule (IEC 61215, IEC 61730 usw.) sind nicht vollständig auf Perowskitzellen anwendbar.

Daher ist die Etablierung eines wissenschaftlichen, vernünftigen Betriebs- und Teststandards und Bewertungssystems für die Langzeitstabilität von Perowskit-Photovoltaikmodulen zu einem Kernthema bei der Förderung der industriellen Anwendung dieser Technologie geworden.

In den letzten Jahren wurden durch die Zusammenarbeit von Forschungseinrichtungen und der Wirtschaft zahlreiche Fortschritte bei der Stabilitätscharakterisierung und den Testmethoden von Perowskit-Photovoltaikgeräten erzielt. Obwohl die relevanten Ergebnisse noch nicht in das internationale Standardsystem eingeflossen sind, haben sie wichtige Grundlagen und Methodenunterstützung für die Haltbarkeits- und Lebensdauerbewertung von Perowskit-Geräten geliefert.

Konsensstabilitätstestprotokolle für organische Photovoltaikmaterialien und -geräte

In dem 2011 veröffentlichten Artikel „Konsensstabilitätstestprotokolle für organische Photovoltaik-Materialien und -Geräte“ analysierten alle Beteiligten organische Photovoltaik-/Perowskit-Photovoltaik-Materialien und -Geräte auf der Grundlage der Richtlinien, die während der vorherigen drei ISOS-Sitzungen besprochen wurden. Entwarf einige gängige Testmethoden。

Die spezifischen Inhalte sind wie folgt: Je nach unterschiedlichen Belastungsbedingungen wurden 5 Haupttestkategorien eingerichtet, nämlich: Dunkelumgebungstest (ISOS-D), Außentest (ISOS-O), Laboralterungstest (ISOS-L), Wärmezyklustest (ISOS-TC), Solarwärme- und Feuchtigkeitszyklustest (ISOS-LT)

Jede Testkategorie ist basierend auf den Gerätebedingungen und der Belastungsintensität in drei Stufen unterteilt (Einzelheiten siehe Abbildung 1). Die Etablierung dieser Testverfahren wird Experimentatoren dabei helfen, die Stabilität und den Abbaumechanismus organischer Photovoltaikmaterialien zu verstehen und Daten zwischen Labors zu vergleichen. Nachfolgend finden Sie eine kurze Einführung in jedes Testverfahren.

Abbildung 1. Zusammenfassung der Tests organischer Photovoltaikmaterialien und -geräte

Der Zweck des Tests in dunkler Umgebung besteht darin, die Lagerfähigkeit der Batterie zu untersuchen. Die Batterie wird unter lichtfreien Bedingungen gelagert, um ihre Langzeitzuverlässigkeit zu untersuchen. Mit steigendem Niveau des Testprogramms kommen zwei zusätzliche Stressbedingungen hinzu, nämlich Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

Der strengste ISOS-D-3 , ähnlich dem üblichen Doppel-85-Test für kristalline Siliziumkomponenten. Der Unterschied besteht darin, dass MQT 13 erfordert, dass die Komponenten während des Tests kurzgeschlossen werden oder Strom entsprechend spezifischer technischer Anforderungen angelegt wird, während im ISOS-Protokoll die Komponenten im Leerlauf platziert werden müssen.

In dem Artikel wurde auch erwähnt, dass, wenn Sie Tests in dunkler Umgebung bei niedrigen Temperaturen durchführen möchten (zur Simulation der Szene, in der im Winter Schnee die Oberfläche der Komponente bedeckt), experimentelle Verfahren gemäß ISOS-D-2 eingerichtet werden können , die Temperatur jedoch auf -18 °C geändert werden muss. Wenn Sie einen Tieftemperatur-Dunkelzustandstest auf höherer Ebene untersuchen möchten, wird empfohlen, direkt den thermischen Zyklustest ISOS-T-3 oder den solarthermischen Feuchtigkeits-Gefrierzyklustest zu verwenden.

Die Demonstration im Freien ist die einfachste und direkteste Methode zur Untersuchung der Modulleistung, die die Probleme von Photovoltaikmodulen in der Praxis intuitiv widerspiegeln kann.

Aufgrund von Schwankungen der klimatischen Bedingungen sind Tests im Freien jedoch mit vielen Unsicherheiten behaftet, darunter unter anderem: nichtlineare Beziehungen zwischen Temperaturkoeffizienten, Wolkenbedeckung, Leistung und Bestrahlungsstärke; saisonale Veränderungen des Windvolumens und der von den Komponenten empfangenen Energiedosis; Unterschiede in Klima, Breitengrad und Höhe in verschiedenen Regionen.

Daher müssen bei Outdoor-Vergleichen alle Faktoren berücksichtigt werden. Die Testeinstellungen für jede Stufe in ISOS-O sind nahezu gleich , der einzige Unterschied liegt in der regelmäßigen Messung der JV-Kurve. ISOS-O-1 wird unter der Beleuchtung eines Sonnensimulators durchgeführt, ISOS-O-2 wird regelmäßig unter direkter Sonneneinstrahlung im Freien gesammelt und ISOS-O-3 erfordert eine In-situ-MPP-Verfolgung unter direkten Außenbedingungen.

Der Labor-Alterungstest untersucht hier hauptsächlich Lichtalterungstests. Obwohl Außenlichttests die tatsächliche Anwendung von Komponenten genau widerspiegeln können, gibt es Probleme wie instabile Testbedingungen und langsame Alterungsgeschwindigkeit. Alterungstests im Labor erfordern stabilere Testbedingungen für die systematische Analyse des Zusammenhangs zwischen Stress und Abbaurate sowie für die Forschung zur beschleunigten Alterung.

Die Langzeitstabilität organischer Photovoltaik-/Perowskit-Photovoltaikzellen hängt weitgehend von der spektralen Verteilung der Lichtquelle ab. Die bei Alterungstests im Labor verwendete künstliche Lichtquelle sollte so weit wie möglich mit der tatsächlichen Anwendungslichtquelle übereinstimmen.

ISOS-L-1 : Sie können die Lichtquelle selbst auswählen, ohne sie mit der Ziellichtquelle abzugleichen, Sie müssen jedoch die Spektralverteilung der verwendeten Lichtquelle angeben. ISOS-L-2 und ISOS-L-3 Der Test ist stärker auf Anwendungsszenarien im Freien ausgerichtet, daher muss die Lichtquelle ausreichend mit dem Sonnenspektrum übereinstimmen. Gleichzeitig werden je nach Programmstufe die entsprechenden Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsanforderungen eingestellt.

Der abwechselnde Belastungstest mit Heiß- und Kalttemperaturzyklen wird nicht nur zur Bewertung der Leistung von Komponenten unter wechselnden Einstrahlungs-, Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen verwendet, sondern ist auch ein wichtiges Mittel zur Untersuchung der Temperaturzyklus-Ermüdungseigenschaften von Materialien und zur Analyse des Versagensmechanismus jeder Funktionsschicht einer Perowskit-Batterie.

Wärmewechselexperimente in ISOS ähneln im Allgemeinen MQT 11 in IEC 61215, wo ISOS-T-1 und ISOS-T-2. Um den Temperaturzyklus der Komponenten durch Einstellen der Heizplatte oder des Ofens zu realisieren, reicht der Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 65℃/85℃, und die Umgebungsfeuchtigkeit wird nicht kontrolliert.

ISOS-T-3 ist MQT 11 am ähnlichsten , die Komponenten müssen ebenfalls zwischen -40 °C und 85 °C gefahren werden, es gibt jedoch Unterschiede in einigen Details:

1. ISOS-T-3 erfordert eine Überwachung und Steuerung der Luftfeuchtigkeit (geregelt bei 55 % RH).

2. Bei ISOS besteht keine Notwendigkeit, den Komponenten elektrische Vorspannungsbedingungen hinzuzufügen. In allen Qualitäten werden die Komponenten in offenen Stromkreisen platziert (MQT 11 erfordert, dass periodischer Strom durch die Komponenten geleitet wird).

Abbildung 2. Vergleich der thermischen Zyklusunterschiede zwischen IEC 61215 und ISOS-T-3

Das ISOS-LT-Experiment zielt darauf ab, realistischere Anwendungsbedingungen durch Laborbedingungen zu simulieren, sodass Komponenten einer umfassenden Alterung durch Licht, Temperatur und Feuchtigkeit unterzogen werden können. Je nach Ausmaß und Schwere der Belastung wird es in drei Arten von Tests unterteilt, nämlich ISOS-LT-1 (Solar Thermal Cycle), ISOS-LT-2 (Solar Thermal Moisture Cycle), ISOS-LT-3 (Solar Thermal Moisture Freezing Cycle) .

Der Artikel erwähnte die Notwendigkeit einer Erhöhung des Lichtstresses:

1. Die Wärmestrahlung, die durch das einfallende Licht erzeugt wird, das die Oberfläche des Bauteils bestrahlt, erzeugt einen Temperaturgradienten im Wärmeübertragungsweg von der beleuchteten Oberfläche zur Rückseite der Probe und erzeugt so Temperaturstressbedingungen, die sich völlig von einer gleichmäßigen Konvektionserwärmung in der Umgebungsbox unterscheiden.

2. Der durch Licht erzeugte Strom erhöht zwangsläufig die elektrisch induzierte Belastung der Komponenten. Diese Belastung begünstigt den Ausfall von Bauteilen, beispielsweise die Korrosion von Metallteilen.

Abbildung 3. Schematische Darstellung des im Artikel empfohlenen Solarthermie-Feuchtigkeits-Gefrierzyklustests

Die Leistungsbewertung unter schlechten Lichtverhältnissen ist ein wichtiger Schritt bei der tatsächlichen Anwendung von Photovoltaikgeräten. Obwohl der Artikel keine Tests bei schlechten Lichtverhältnissen in das Testverfahren einbezog, machte er auch einige konstruktive Vorschläge.

Ein wichtiger Vorteil der organischen Photovoltaik/Perowskit-Photovoltaik besteht darin, dass sie auch bei schlechten Lichtverhältnissen oder in Innenräumen eine gute Leistung erbringt .

Als Lichtquellen im Innenbereich kommen überwiegend künstliche Lichtquellen wie Leuchtstofflampen, Glühlampen und LED-Lampen zum Einsatz, die sich hinsichtlich der spektralen Verteilung (siehe Abbildung 4) und der Bestrahlungsstärke grundlegend vom Sonnenlicht unterscheiden. Die Beleuchtungsstärke künstlicher Lichtquellen wird im Allgemeinen in lx gemessen. Der typische Wert der Anforderungen an die Bürobeleuchtung liegt zwischen 200 und 1000 lx, was etwa 1/100–1/500 der AM1,5G-Spektrumbeleuchtung mit 1000 W/m2 entspricht.

Daher ist es notwendig, die Art der Lichtquelle, die spektralen Eigenschaften und die Bestrahlungsintensität bei Leistungstests bei schwachem Licht streng zu unterscheiden und Testbedingungen festzulegen, die mit den tatsächlichen Anwendungsszenarien übereinstimmen.

Abbildung 4. Vergleich des Leuchtstofflampenspektrums mit einer Farbtemperatur von 830 und dem AM1,5-Sonnenspektrum

Der Artikel enthält eine Reihe von JV-Testverfahren für Geräte, die empfohlene Leuchtstofflampen (Farbtemperatur 830) als Lichtquelle verwenden. Einzelheiten finden Sie in Abbildung 5.

Zu den aktuellen Standards für die Prüfung von Perowskitzellen bei schwachem Licht gehört IEC TS 62607-7-2:2023. Unabhängig davon, ob es sich um ISOS oder IEC62607 handelt , wurde derzeit nur das IV-Testverfahren für Geräte formuliert, und es gibt derzeit kein spezifisches Testverfahren für den Umweltalterungstest von Geräten unter schlechten Lichtbedingungen.

Abbildung 5. Vergleich des Leuchtstofflampenspektrums mit einer Farbtemperatur von 830 und dem AM1,5-Sonnenspektrum

Referenzen

[1] Matthew O. Reese, Suren A.Gevorgyan et al. Konsensstabilitätstestprotokolle für organische Photovoltaikmaterialien und -geräte. Solarenergiematerialien und Solarzellen. Band 95, Ausgabe 5, Mai 2011, Seiten 1253–1267. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.01.036

[2] Khenkin, MV, Katz, EA, Abate, A. et al. Konsenserklärung zur Stabilitätsbewertung und Berichterstattung für Perowskit-Photovoltaik basierend auf ISOS-Verfahren. Naturenergie. Band 5. Seiten 35–49 (2020), 35–49 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5

[3] Luigi Angelo Castriotta, Md Aslam Uddin et al. Übergang der Perowskit-Solartechnologien zur Flexibilität. Vorabmaterialien. Band 37, Ausgabe 8, 25. Februar 2025

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

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