Shanrou 品質評価 |実験室から応用まで：ペロブスカイト太陽光発電 ISOS 安定性試験システムを詳しく解説（後編）

《ISOSに基づくペロブスカイト太陽光発電の安定性評価と報告に関するコンセンサスステートメント

手順》

2020 年になると、有機太陽電池材料およびデバイスに対する以前の ISOS 試験方法に基づいて、ペロブスカイト太陽電池デバイスの安定性評価および報告に関するコンセンサス ステートメントが確立されました。この記事では、元の 5 つのテスト タイプはそのままに、ISOS-V (電気的バイアス ストレス)、ISOS-LC (明暗サイクル テスト)、ISOS-I (固有のパフォーマンス テスト) という 3 つの新しいストレス条件テストが追加されています。

図 1. 新しい ISOS テスト プログラム

電気バイアス ストレスを適用する際の考慮事項は、主に次の点から生じます。

1. 通常、コンポーネントは実際の動作中 (順バイアスされている) 最大電力点に近い状態ですが、突然光が失われると、バッテリーは開回路電圧状態になります。この目的のために、この記事では、順方向電気バイアス条件として Vmpp または Voc に等しい電圧を適用することを推奨しています。

2. 日陰のある太陽電池モジュールの場合、モジュールの残りの部分と一致するように逆バイアスを適用することで、日陰のあるセルを強制的に動作させることができます。これが逆電気バイアス状態です。記事の提案では、一定の負のバイアスを適用できます。 -Voc などは、バイパス ダイオードがシールドされているコンポーネントの状況をシミュレートするために使用されます。または、電流が強制的に到達するようにする -Jmpp は、バイパス ダイオードがシールドされていないコンポーネントの状況をシミュレートするために使用されます。

また、試験手順のレベルが上がると、それに応じた温度や湿度の設定も必要になります。

図 2. 電気的バイアス試験手順のパラメータ

ペロブスカイト細胞は、暗い環境では完全または部分的に可逆的な分解を受ける可能性があるという報告があります。明暗サイクルと定常状態光老化 (ISOS-L) の異なるストレス条件では、異なる劣化モードが示されます。

有機太陽電池材料とデバイスのテストに関する前回の記事では、明暗交替に関連するテストがすでに行われています。ISOS-LT-2、ISOS-LT-3では、調湿段階（40℃を超える部分）は照明を点灯し、調湿しない段階では照明を消灯する方式です。。

ただし、この解決策の 1 サイクル時間は短く、照度が一定に保たれる段階では温度が変数として依然として存在します。したがって、照明とその動的変化がデバイスの性能に及ぼす影響に関する体系的な研究には適しておらず、高次の熱サイクル試験カテゴリに分類するのに適しています。

この目的を達成するために、この記事はペロブスカイト電池の一連の明暗サイクル試験計画を改訂しました。つまり、2、8、または 24 時間のサイクル期間において、試験では (明:暗) 比が 1:1 または 1:2 になります。

テスト レベルが上がると、ストレス条件が追加されます。ISOS-LC-2光と熱の影響を調べるために、一定の温度条件を追加しました。 ISOS-LC-3光、湿度、熱の影響を調べるために、一定の温度と湿度の条件を追加しました。

図 3. 明暗サイクル テスト プログラムのパラメーター

本質的性能試験は、ペロブスカイトセルとパッケージング材料自体の性能を調査することを目的としています。この記事では、コンポーネントのパフォーマンスに影響を与えるストレス条件を 2 つの主要なカテゴリに分類しています。

1、固有要因(テスト環境がどのように梱包または保護されているかに関係なく): 光、温度、電気的バイアス。

2、外部要因（バッテリーと環境物質の相互作用によって制御される）：水、酸素。

外部要因による安定性の影響は、水や空気に対するバッテリーの感度、および梱包材の安定性に依存します。パッケージング材料は内部バッテリーを保護するバリアとして機能し、そのバリア性能はモジュールの最終的な性能に直接影響します。モジュールの劣化を完全に理解する前に、梱包材の安定性と劣化メカニズムを理解する必要があります。

この記事では、包装材料を同じ老化手順で老化させて、老化の前後にそのバリア特性 (水、酸素) をテストできることを示唆しています。このアプローチは、IEC 62788 シリーズのテストと同じです。現時点では、ペロブスカイト電池の包装材料に特化した試験基準は確立されていません。今後改善されることが期待されます。

内部要因の安定性効果に関する研究に関しては、テスト対象のほとんどはパッケージ化されたコンポーネントです。包装材料のバリア特性は包装後は不明であるため (剥がしてテストするのは不便です)、電池の安定性に対する内部要因と外部要因の影響の程度を区別するのには役立ちません。

したがって、記事の提案は、老化試験のためにカプセル化されていないペロブスカイトセルを不活性ガス（窒素、アルゴンなど）中に保管することです。それ以外の残りの試験条件は ISOS の手順と同じです。このタイプのテストは、テスト名の末尾に「I」を追加することで区別されます。図 4 は、プロトコルにおける固有のパフォーマンス テストに推奨される手順を示しています。

図 4. 固有の安定性テストが必要なプログラムのリスト

《ペロブスカイト太陽電池の変遷

柔軟になるためのテクノロジー》

硬質ペロブスカイト コンポーネントと比較して、フレキシブル コンポーネントは、その柔軟なサイズと屈曲性により、さまざまな特殊なアプリケーション シナリオに適しています。ただし、この特性には、柔軟なコンポーネントが優れた機械的変形能力を備えている必要もあり、曲げ強度などの機械的特性は、実際のアプリケーションにおけるデバイスの信頼性と長期安定性に直接影響します。

既存の ISOS プロトコルにおけるペロブスカイトセルの安定性試験は、機械的安定性を無視して、主に光、熱、湿気環境における動作安定性の研究に焦点を当てています。フレキシブルコンポーネントの既存の試験方法は、主に IEC 61215 (カーリング) および ICE 61646 (ねじり) に基づいています。これらの方法では、柔軟なコンポーネントの固有の曲げ耐性をテストできますが、追加の応力条件 (温度、湿度、電気的バイアス、光など) が不足しているため、実験結果は実際のアプリケーションと一致しません。

この背景に基づいて、LA Castriotta[3] et al.は、柔軟なペロブスカイトの曲げ特性について 4 つの推奨試験手順、すなわちISOS-B (曲げ安定性)、ISOS-M (機械サイクル)、ISOS-TM (暗状態熱曲げ)、ISOS-LM (光湿熱曲げ) を提案しました。

これらの試験はまだ関連する国際規格に正式に組み込まれていませんが、柔軟なコンポーネントの曲げ性能を試験するための実行可能なソリューション、つまり多重応力包括的曲げ試験を提供します。近い将来、この分野のテストは改善され続けると思います。

図 5. LA Castriotta らによって推奨されたテスト手順

参考文献

[1] Matthew O. Reese、Suren A.Gevorgyan 他。有機太陽電池材料およびデバイスのコンセンサス安定性試験プロトコル。太陽エネルギー材料および太陽電池。 95 巻、5 号、2011 年 5 月、1253 ～ 1267 ページ。 https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.01.036

[2] Khenkin、MV、Katz、EA、Abate、A. 他。 ISOS 手順に基づくペロブスカイト太陽光発電の安定性評価と報告に関するコンセンサス ステートメント。自然エネルギー。第 5 巻。35 ～ 49 ページ（2020 年）、35 ～ 49 ページ（2020 年）。 https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5

[3] ルイージ・アンジェロ・カストリオッタ、アスラム・ウディン医師ら。ペロブスカイト太陽電池技術の柔軟性への移行。アドバンスマテリアル。 37 巻、8 号、2025 年 2 月 25 日

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

著作権声明この記事の著作権はShangrou New Energyに属します

友人のサークルへの転送を歓迎します。転載についてはご連絡ください。