Évaluation de la qualité Shangrou | Du laboratoire à l’application : explication détaillée du système de test de stabilité ISOS photovoltaïque à base de pérovskite (partie 1)

Préface

Par rapport à la technologie photovoltaïque actuelle (silicium cristallin), bien que les cellules à pérovskite présentent les avantages d'un rendement théorique élevé, d'une production d'énergie à faible luminosité et de coûts de production inférieurs, leur fiabilité a été critiquée. , la stabilité à long terme n'est pas aussi bonne que celle des modules photovoltaïques en silicium cristallin. Ce défaut est devenu l’un des principaux obstacles limitant l’application des cellules pérovskites dans le domaine photovoltaïque.

Cependant, les tests de fiabilité des modules pérovskites n’ont pas encore atteint une norme unifiée. Il existe un manque de cohérence dans les équipements expérimentaux, les procédures de test et les paramètres expérimentaux entre toutes les parties. De plus, il existe des différences essentielles dans les modes de défaillance des cellules à pérovskite et des cellules à silicium cristallin. Les procédures de test existantes des modules photovoltaïques en silicium cristallin (IEC 61215, IEC 61730, etc.) ne sont pas entièrement applicables aux cellules pérovskites.

par conséquent, l'établissement d'une norme scientifique, raisonnable, opérationnelle et de test ainsi que d'un système d'évaluation pour la stabilité à long terme des modules photovoltaïques à base de pérovskite est devenu un sujet central dans la promotion de l'application industrielle de cette technologie.

Ces dernières années, grâce aux efforts collaboratifs des instituts de recherche et du monde des affaires, une série de progrès ont été réalisés dans la caractérisation de la stabilité et les méthodes de test des dispositifs photovoltaïques à pérovskite. Bien que les résultats pertinents n'aient pas encore été intégrés dans le système de normes internationales, ils ont fourni une base et un support méthodologique importants pour l'évaluation de la durabilité et de la durée de vie des dispositifs à pérovskite.

Protocoles de test de stabilité consensuels pour les matériaux et dispositifs photovoltaïques organiques

Dans l'article « Protocoles de test de stabilité consensuels pour les matériaux et dispositifs photovoltaïques organiques » publié en 2011, toutes les parties concernées ont analysé les matériaux et dispositifs photovoltaïques organiques/pérovskites sur la base des lignes directrices discutées lors des trois réunions précédentes de l'ISOS. Conçu des méthodes de test courantes .

Le contenu spécifique est le suivant : Selon différentes conditions de contrainte, 5 catégories principales de tests ont été établies, à savoir : test en environnement sombre (ISOS-D), test en extérieur (ISOS-O), test de vieillissement en laboratoire (ISOS-L), test de cycle thermique (ISOS-TC), test de cycle de chaleur et d'humidité solaires (ISOS-LT)

Chaque catégorie de test est divisée en 3 niveaux en fonction des conditions de l'équipement et de l'intensité du stress (voir la figure 1 pour plus de détails). La mise en place de ces procédures de test aidera les expérimentateurs à comprendre le mécanisme de stabilité et de dégradation des matériaux photovoltaïques organiques et à comparer les données entre laboratoires. Vous trouverez ci-dessous une brève introduction à chaque procédure de test.

Figure 1. Résumé des tests de matériaux et dispositifs photovoltaïques organiques

Le test en environnement sombre a pour but d’étudier la durée de stockage de la batterie. La batterie est stockée à l’abri de la lumière pour étudier sa fiabilité à long terme. À mesure que le niveau du programme de tests augmente, deux conditions de stress supplémentaires, la température et l'humidité, seront ajoutées.

L'ISOS-D-3 le plus strict , similaire au test double-85 commun des composants en silicium cristallin. La différence est que MQT 13 exige que les composants soient court-circuités pendant le test, ou que le courant soit appliqué selon des exigences techniques spécifiques, alors que dans le protocole ISOS, les composants doivent être placés en circuit ouvert.

L'article mentionne également que si vous souhaitez effectuer des tests dans un environnement sombre à basse température (utilisé pour simuler la scène où la neige recouvre la surface du composant en hiver), des procédures expérimentales peuvent être mises en place conformément à la norme ISOS-D-2 , mais la température doit être modifiée à -18 ℃. Si vous souhaitez examiner un test d'état sombre à basse température de niveau supérieur, il est recommandé d'utiliser directement le test du cycle thermique ISOS-T-3 ou le test du cycle de congélation de l'humidité solaire thermique.

La démonstration en extérieur est la méthode la plus simple et la plus directe pour examiner les performances des modules, qui peuvent refléter intuitivement les problèmes des modules photovoltaïques dans des applications pratiques.

Cependant, en raison des fluctuations des conditions climatiques, les essais en extérieur sont confrontés à de nombreuses incertitudes, notamment : les relations non linéaires entre les coefficients de température, la couverture nuageuse, les performances et l'irradiation ; changements saisonniers dans le volume du vent et la dose d'énergie reçue par les composants ; différences de climat, de latitude et d’altitude selon les régions.

Par conséquent, tous les facteurs doivent être pris en compte lors des comparaisons en extérieur. Les paramètres de test pour chaque niveau dans ISOS-O sont presque les mêmes , la seule différence réside dans la mesure régulière de la courbe JV. ISOS-O-1 est réalisé sous l'éclairage d'un simulateur solaire, ISOS-O-2 est collecté régulièrement sous la lumière directe du soleil à l'extérieur et ISOS-O-3 nécessite un suivi mpp in situ dans des conditions extérieures directes.

Le test de vieillissement en laboratoire explore ici principalement les tests de photovieillissement. Bien que les tests de lumière extérieure puissent refléter avec précision l'application réelle des composants, il existe des problèmes tels que des conditions de test instables et une vitesse de vieillissement lente. Les tests de vieillissement en laboratoire nécessitent des conditions de test plus stables pour une analyse systématique de la relation entre la contrainte et le taux de dégradation et pour la recherche sur le vieillissement accéléré.

La stabilité à long terme des cellules photovoltaïques organiques/pérovskites est largement liée à la distribution spectrale de la source lumineuse. La source de lumière artificielle utilisée dans les tests de vieillissement en laboratoire doit correspondre autant que possible à la source de lumière d'application réelle.

ISOS-L-1 , vous pouvez choisir vous-même la source lumineuse sans la faire correspondre à la source lumineuse cible, mais vous devez signaler la distribution spectrale de la source lumineuse utilisée. ISOS-L-2 et ISOS-L-3 Le test est davantage orienté vers les scénarios d'application en extérieur, la source lumineuse doit donc correspondre suffisamment au spectre solaire. Dans le même temps, les exigences correspondantes en matière de température et d'humidité sont définies en fonction du niveau du programme.

L'essai de contrainte par cycle de température chaude et froide alterné est non seulement utilisé pour évaluer les performances des composants dans des conditions changeantes d'irradiation, de température et d'humidité, mais constitue également un moyen important pour étudier les caractéristiques de fatigue du cycle de température des matériaux et analyser le mécanisme de défaillance de chaque couche fonctionnelle d'une batterie à pérovskite.

Les expériences de cycle thermique dans ISOS sont généralement similaires à MQT 11 dans CEI 61215, où ISOS-T-1 et ISOS-T-2 Afin de réaliser le cycle de température des composants en ajustant la plaque chauffante ou le four, la plage de température va de la température ambiante à 65℃/85℃, et l'humidité ambiante n'est pas contrôlée.

ISOS-T-3 est très similaire à MQT 11 , les composants doivent également être cyclés entre -40°C et 85°C, mais il existe des différences dans certains détails :

1. ISOS-T-3 nécessite une surveillance et un contrôle de l'humidité (contrôlée à 55 % HR)

2. Dans ISOS, il n'est pas nécessaire d'ajouter des conditions de contrainte de polarisation électrique aux composants. Dans tous les grades, les composants sont placés dans des circuits ouverts (MQT 11 nécessite le passage d'un courant de circulation périodique à travers les composants).

Figure 2. Comparaison des différences de cycles thermiques entre la CEI 61215 et l'ISOS-T-3

L'expérience ISOS-LT vise à simuler des conditions d'application plus réalistes dans des conditions de laboratoire, permettant aux composants de subir un vieillissement complet en fonction de la lumière, de la température et de l'humidité. Selon la quantité et la gravité du stress, il est divisé en trois types de tests, à savoir ISOS-LT-1 (cycle thermique solaire), ISOS-LT-2 (cycle thermique d'humidité solaire), ISOS-LT-3 (cycle thermique de congélation d'humidité solaire) .

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. Déclaration de consensus pour l'évaluation de la stabilité et le reporting des systèmes photovoltaïques à pérovskite basés sur les procédures ISOS. Énergie naturelle. volume 5. pages 35 à 49 (2020), 35 à 49 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5

[3] Luigi Angelo Castriotta, MD Aslam Uddin et al. Transition des technologies solaires pérovskites vers la flexibilité. Avancer les matériaux. Volume 37, numéro 8, 25 février 2025

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

À suivre...

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