Evaluación de calidad de Shangrou | Del laboratorio a la aplicación: explicación detallada del sistema de prueba de estabilidad ISOS fotovoltaica de perovskita (Parte 1)

Prefacio

En comparación con la tecnología fotovoltaica convencional actual (silicio cristalino), aunque las células de perovskita tienen las ventajas de una alta eficiencia teórica, generación de energía con poca luz y menores costos de producción, su confiabilidad ha sido criticada. , la estabilidad a largo plazo no es tan buena como la de los módulos fotovoltaicos de silicio cristalino. Este defecto se ha convertido en uno de los mayores obstáculos que limitan la aplicación de las células de perovskita en el campo fotovoltaico.

Sin embargo, las pruebas de fiabilidad de los módulos de perovskita aún no han alcanzado un estándar unificado. Hay una falta de coherencia en el equipo experimental, los procedimientos de prueba y los parámetros experimentales entre todas las partes. Además, existen diferencias esenciales en los modos de falla de las células de perovskita y las células de silicio cristalino. Los procedimientos de prueba de módulos fotovoltaicos de silicio cristalino existentes (IEC 61215, IEC 61730, etc.) no son totalmente aplicables a las células de perovskita.

Por lo tanto, establecer un sistema de evaluación y estándar de prueba científico, razonable, operativo y para la estabilidad a largo plazo de los módulos fotovoltaicos de perovskita se ha convertido en un tema central en la promoción de la aplicación industrial de esta tecnología.

En los últimos años, gracias a los esfuerzos de colaboración de instituciones de investigación y la comunidad empresarial, se han logrado una serie de avances en la caracterización de la estabilidad y los métodos de prueba de los dispositivos fotovoltaicos de perovskita. Aunque los resultados relevantes aún no se han incorporado al sistema de estándares internacionales, han proporcionado una base importante y un método de apoyo para la evaluación de la durabilidad y la vida útil de los dispositivos de perovskita.

Protocolos de prueba de estabilidad de consenso para materiales y dispositivos fotovoltaicos orgánicos

En el artículo "Protocolos de prueba de estabilidad de consenso para materiales y dispositivos fotovoltaicos orgánicos" publicado en 2011, todas las partes interesadas analizaron materiales y dispositivos fotovoltaicos orgánicos/perovskita basándose en las directrices discutidas durante las tres reuniones anteriores de ISOS. Diseñó algunos métodos de prueba comunes .

Los contenidos específicos son los siguientes: Según las diferentes condiciones de estrés, se han establecido 5 categorías de prueba principales, a saber: prueba de ambiente oscuro (ISOS-D), prueba de exterior (ISOS-O), prueba de envejecimiento en laboratorio (ISOS-L), prueba de ciclo térmico (ISOS-TC), prueba de ciclo de calor y humedad solar (ISOS-LT)

Cada categoría de prueba se divide en 3 niveles según las condiciones del equipo y la intensidad del estrés (consulte la Figura 1 para obtener más detalles). El establecimiento de estos procedimientos de prueba ayudará a los experimentadores a comprender el mecanismo de estabilidad y degradación de los materiales fotovoltaicos orgánicos y a comparar datos entre laboratorios. A continuación se muestra una breve introducción a cada procedimiento de prueba.

Figura 1. Resumen de pruebas de materiales y dispositivos fotovoltaicos orgánicos.

El propósito de la prueba en ambiente oscuro es estudiar la vida útil de la batería. La batería se almacena en condiciones sin luz para estudiar su fiabilidad a largo plazo. A medida que aumente el nivel del programa de prueba, se agregarán dos condiciones de estrés adicionales: temperatura y humedad.

El ISOS-D-3 más estricto , similar a la prueba común doble-85 de componentes de silicio cristalino. La diferencia es que MQT 13 requiere que los componentes estén en cortocircuito durante la prueba, o que se aplique corriente de acuerdo con requisitos técnicos específicos, mientras que en el protocolo ISOS, los componentes deben colocarse en circuito abierto.

El artículo también menciona que si desea realizar pruebas en un ambiente oscuro a bajas temperaturas (utilizadas para simular la escena donde la nieve cubre la superficie del componente en invierno), se pueden configurar procedimientos experimentales de acuerdo con ISOS-D-2 , pero la temperatura debe cambiarse a -18 ℃. Si desea examinar una prueba de estado oscuro de baja temperatura de nivel superior, se recomienda utilizar directamente el ciclo térmico ISOS-T-3 o la prueba del ciclo de congelación de humedad solar térmica.

La demostración al aire libre es el método más simple y directo para examinar el rendimiento del módulo, que puede reflejar intuitivamente los problemas de los módulos fotovoltaicos en aplicaciones prácticas.

Sin embargo, debido a las fluctuaciones en las condiciones climáticas, las pruebas al aire libre enfrentan muchas incertidumbres, que incluyen, entre otras: relaciones no lineales entre coeficientes de temperatura, nubosidad, rendimiento e irradiancia; cambios estacionales en el volumen del viento y la dosis de energía recibida por los componentes; diferencias de clima, latitud y altitud en diferentes regiones.

Por lo tanto, es necesario considerar todos los factores al realizar comparaciones en exteriores. Los ajustes de prueba para cada nivel en ISOS-O son casi los mismos , la única diferencia radica en la medición regular de la curva JV. ISOS-O-1 se lleva a cabo bajo la iluminación de un simulador solar, ISOS-O-2 se recopila regularmente bajo la luz solar directa al aire libre y ISOS-O-3 requiere seguimiento de mpp in situ en condiciones directas al aire libre.

La prueba de envejecimiento de laboratorio aquí explora principalmente las pruebas de fotoenvejecimiento. Aunque las pruebas de luz exterior pueden reflejar con precisión la aplicación real de los componentes, existen problemas como condiciones de prueba inestables y una velocidad de envejecimiento lenta. Las pruebas de envejecimiento en laboratorio requieren condiciones de prueba más estables para el análisis sistemático de la relación entre el estrés y la tasa de degradación y la investigación sobre el envejecimiento acelerado.

La estabilidad a largo plazo de las células fotovoltaicas orgánicas fotovoltaicas/perovskita está relacionada en gran medida con la distribución espectral de la fuente de luz. La fuente de luz artificial utilizada en las pruebas de envejecimiento de laboratorio debe coincidir lo más posible con la fuente de luz de la aplicación real.

ISOS-L-1 , you can choose the light source by yourself without matching it with the target light source, but you need to report the spectral distribution of the light source used. ISOS-L-2 e ISOS-L-3 La prueba está más sesgada hacia escenarios de aplicación en exteriores, por lo que la fuente de luz debe tener suficiente coincidencia con el espectro solar. Al mismo tiempo, los requisitos correspondientes de temperatura y humedad se establecen según el nivel del programa.

La prueba de estrés del ciclo de temperatura alternante de temperatura fría y caliente no solo se utiliza para evaluar el rendimiento de los componentes en condiciones cambiantes de irradiancia, temperatura y humedad, sino que también es un medio importante para estudiar las características de fatiga del ciclo de temperatura de los materiales y analizar el mecanismo de falla de cada capa funcional de una batería de perovskita.

Los experimentos de ciclo térmico en ISOS son generalmente similares a MQT 11 en IEC 61215, donde ISOS-T-1 e ISOS-T-2 Para realizar el ciclo de temperatura de los componentes ajustando la placa caliente o el horno, el rango de temperatura es desde temperatura ambiente hasta 65 ℃/85 ℃, y la humedad ambiental no está controlada.

ISOS-T-3 es muy similar a MQT 11 ; los componentes también deben ciclarse entre -40 °C y 85 °C, pero existen diferencias en algunos detalles:

1. ISOS-T-3 requiere monitoreo y control de la humedad (controlado a 55% RH)

2. En ISOS, no es necesario agregar condiciones de tensión de polarización eléctrica a los componentes. En todos los grados, los componentes se colocan en circuitos abiertos (MQT 11 requiere que pase corriente circulante periódica a través de los componentes).

Figura 2. Comparación de diferencias de ciclo térmico entre IEC 61215 e ISOS-T-3

El experimento ISOS-LT tiene como objetivo simular condiciones de aplicación más realistas a través de condiciones de laboratorio, permitiendo que los componentes experimenten un envejecimiento integral de la luz, la temperatura y la humedad. Según la cantidad y gravedad del estrés, se divide en tres tipos de pruebas, a saber, ISOS-LT-1 (Ciclo Solar Térmico), ISOS-LT-2 (Ciclo Solar Térmico de Humedad), ISOS-LT-3 (Ciclo Solar Térmico de Congelación de Humedad) .

El artículo menciona la necesidad de aumentar el estrés luminoso:

1. La radiación térmica proporcionada por la luz incidente que irradia la superficie del componente formará un gradiente de temperatura en la ruta de transferencia de calor desde la superficie iluminada hasta la parte posterior de la muestra, produciendo así condiciones de tensión de temperatura que son completamente diferentes del calentamiento por convección uniforme en la caja ambiental.

2. La corriente generada por la luz aumentará inevitablemente la tensión inducida eléctricamente sobre los componentes. Esta tensión promoverá fallas en los componentes, como la corrosión de las piezas metálicas.

Figura 3. Diagrama esquemático de la prueba del ciclo solar térmico-humedad-congelación recomendado por el artículo

La evaluación del rendimiento en condiciones de poca luz es un paso importante en la aplicación real de dispositivos fotovoltaicos. Aunque el artículo no incluyó pruebas con poca luz en el procedimiento de prueba, también hizo algunas sugerencias constructivas.

Una ventaja importante de la energía fotovoltaica orgánica/perovskita es que aún pueden funcionar bien en condiciones de poca luz o interiores .

Las fuentes de luz utilizadas en interiores son principalmente fuentes de luz artificiales, como lámparas fluorescentes, lámparas incandescentes y lámparas LED, que se diferencian fundamentalmente de la luz solar en términos de distribución espectral (ver Figura 4) e irradiancia. La intensidad de iluminación de las fuentes de luz artificiales generalmente se mide en lx. El valor típico de los requisitos de iluminación de oficinas está entre 200 y 1000 lx, que es aproximadamente 1/100-1/500 de la iluminación de 1000 W/m2 del espectro AM1.5G.

Por lo tanto, es necesario distinguir estrictamente el tipo de fuente de luz, las características espectrales y la intensidad de irradiación durante las pruebas de rendimiento con poca luz, y establecer condiciones de prueba consistentes con los escenarios de aplicación reales.

Figura 4. Comparación del espectro de una lámpara fluorescente con una temperatura de color de 830 y el espectro solar AM1.5

El artículo proporciona un conjunto de procedimientos de prueba JV para dispositivos que utilizan lámparas fluorescentes recomendadas (temperatura de color 830) como fuente de luz. Consulte la Figura 5 para obtener más detalles.

Los estándares actuales para pruebas con poca luz de celdas de perovskita incluyen IEC TS 62607-7-2:2023. Pero ya sea ISOS o IEC62607 , actualmente solo se ha formulado el procedimiento de prueba IV de dispositivos, y actualmente no existe un procedimiento de prueba específico para la prueba de envejecimiento ambiental de dispositivos en condiciones de poca luz.

Figura 5. Comparación del espectro de una lámpara fluorescente con una temperatura de color de 830 y el espectro solar AM1.5

Referencias

[1] Matthew O. Reese, Suren A. Gevorgyan et al. Consenso de protocolos de pruebas de estabilidad para materiales y dispositivos orgánicos fotovoltaicos. Materiales de Energía Solar y Células Solares. Volumen 95, Número 5, mayo de 2011, páginas 1253-1267. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.01.036

[2] Khenkin, MV, Katz, EA, Abate, A. et al. Declaración de consenso para la evaluación y la presentación de informes de estabilidad de la energía fotovoltaica de perovskita basada en procedimientos ISOS. Energía de la naturaleza. volumen 5. páginas 35–49 (2020), 35–49 (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5

[3] Luigi Angelo Castriotta, Md. Aslam Uddin et al. Transición de las tecnologías solares de perovskita a ser flexibles. Materiales avanzados. Volumen 37, Número 8, 25 de febrero de 2025

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

Continuará...

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