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（前編）

序文

現在主流の太陽光発電技術（結晶シリコン）と比較すると、ペロブスカイト電池は理論効率が高く、低照度発電、製造コストが低いという利点がありますが、その信頼性については批判があります。、長期安定性は結晶シリコン太陽光発電モジュールほど良くありません。この欠陥は、太陽光発電分野でのペロブスカイト電池の応用を制限する最大の障害の 1 つとなっています。

しかし、ペロブスカイトモジュールの信頼性試験はまだ統一基準に達していません。すべての関係者の間で、実験装置、テスト手順、および実験パラメータに一貫性が欠如しています。さらに、ペロブスカイトセルと結晶シリコンセルの故障モードには本質的な違いがあります。既存の結晶シリコン太陽電池モジュールの試験手順 (IEC 61215、IEC 61730 など) は、ペロブスカイトセルには完全には適用できません。

したがって、ペロブスカイト太陽電池モジュールの長期安定性のための科学的で合理的な運用および試験の基準と評価システムを確立することは、この技術の産業応用を促進する上で中心的なテーマとなっています。

近年、研究機関とビジネス界の共同努力により、ペロブスカイト太陽電池デバイスの安定性の特性評価と試験方法に一連の進歩が見られました。関連する結果はまだ国際標準システムに組み込まれていませんが、ペロブスカイトデバイスの耐久性と寿命の評価に重要な基礎と方法のサポートを提供しています。

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

2011年に発行された論文「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」では、関係者全員が、過去3回のISOS会議で議論されたガイドラインに基づいて、有機太陽電池/ペロブスカイト太陽電池材料およびデバイスを分析しました。いくつかの一般的なテスト方法を設計しました。

具体的な内容は以下のとおりです。 ストレス条件に応じて、暗所環境試験（ISOS-D）、屋外試験（ISOS-O）、実験室老化試験（ISOS-L）、熱サイクル試験（ISOS-TC）、太陽熱湿度サイクル試験（ISOS-LT）の5つの主要な試験カテゴリーが設定されています。

各テスト カテゴリは、機器の状態とストレス強度に基づいて 3 つのレベルに分類されます (詳細は図 1 を参照)。これらの試験手順の確立は、実験者が有機太陽電池材料の安定性と劣化メカニズムを理解し、研究室間のデータを比較するのに役立ちます。以下に各テスト手順を簡単に紹介します。

図 1. 有機太陽電池材料およびデバイスのテストの概要

暗所環境テストの目的は、バッテリーの保存寿命を調査することです。バッテリーは長期信頼性を研究するために光のない条件下で保管されます。テスト プログラムのレベルが上がると、温度と湿度という 2 つのストレス条件が追加されます。

最も厳格な ISOS-D-3。結晶シリコン部品の一般的なダブル 85 テストに似ています。違いは、MQT 13 ではテスト中にコンポーネントを短絡するか、特定の技術要件に従って電流を印加する必要があるのに対し、ISOS プロトコルではコンポーネントをオープン回路に置く必要があることです。

この記事では、低温で暗環境テストを実施する場合（冬に雪がコンポーネントの表面を覆うシーンをシミュレートするために使用）、実験手順は ISOS-D-2 に従って設定できますが、温度を -18℃ に変更する必要があることにも言及しました。より高度な低温暗状態試験を検討したい場合には、サーマルサイクルISOS-T-3や太陽熱湿度凍結サイクル試験を直接使用することをお勧めします。

屋外デモンストレーションは、モジュールの性能を検査するための最も簡単かつ直接的な方法であり、実際のアプリケーションにおける太陽光発電モジュールの問題を直感的に反映できます。

しかし、気候条件の変動により、屋外テストは多くの不確実性に直面します。それには、温度係数、雲量、性能、放射照度の間の非線形関係が含まれますが、これらに限定されません。風量とコンポーネントが受けるエネルギー線量の季節変化。地域ごとの気候、緯度、標高の違い。

したがって、屋外で比較する場合は、すべての要素を考慮する必要があります。ISOS-O の各レベルのテスト設定はほぼ同じですが、唯一の違いは JV 曲線の定期的な測定にあります。 ISOS-O-1 はソーラーシミュレーターの照明下で実行され、ISOS-O-2 は屋外の直射日光下で定期的に収集され、ISOS-O-3 は屋外の直接条件下でのその場での mpp 追跡が必要です。

ここでの実験室老化試験では、主に光老化試験を検討します。屋外光試験はコンポーネントの実際の用途を正確に反映できますが、試験条件が不安定で、エージング速度が遅いなどの問題があります。実験室の老化試験では、応力と劣化速度の関係を体系的に分析し、老化の促進を研究するために、より安定した試験条件が必要です。

有機太陽電池/ペロブスカイト太陽電池の長期安定性は、光源のスペクトル分布に大きく関係しています。実験室の老化試験で使用される人工光源は、実際の用途の光源と可能な限り一致する必要があります。

ISOS-L-1では、目的の光源に合わせずに光源を自分で選択することができますが、使用する光源の分光分布を報告する必要があります。 ISOS-L-2 および ISOS-L-3テストは屋外用途のシナリオに偏っているため、光源は太陽スペクトルと十分に一致している必要があります。同時に、対応する温度と湿度の要件がプログラム レベルに従って設定されます。

高温と低温の交互サイクル応力試験は、日射量、温度、湿度の変化する条件下でのコンポーネントの性能を評価するために使用されるだけでなく、材料の温度サイクル疲労特性を研究し、ペロブスカイト電池の各機能層の故障メカニズムを分析するための重要な手段でもあります。

ISOS での熱サイクル実験は、一般的に IEC 61215 の MQT 11 に似ています。ISOS -T-1 および ISOS-T-2では、ホット プレートまたはオーブンを調整してコンポーネントの温度サイクルを実現するため、温度範囲は室温から 65℃/85℃までであり、周囲湿度は制御されません。

ISOS-T-3 は MQT 11 に最も似ており、コンポーネントも -40°C から 85°C の間でサイクルする必要がありますが、細部ではいくつかの違いがあります。

1. ISOS-T-3 には湿度の監視と制御が必要です (55%RH で制御)

2. ISOS では、コンポーネントに電気バイアス ストレス条件を追加する必要はありません。すべてのグレードで、コンポーネントは開回路に配置されます (MQT 11 では、コンポーネントに周期的な循環電流を流す必要があります)。

図 2. IEC 61215 と ISOS-T-3 の熱サイクルの違いの比較

ISOS-LT 実験は、実験室の条件を通じてより現実的なアプリケーション条件をシミュレートすることを目的としており、コンポーネントが光、温度、湿度の包括的な経年劣化を受けることを可能にします。ストレスの量と強度に応じて、ISOS-LT-1 (太陽熱サイクル)、ISOS-LT-2 (太陽熱水分サイクル)、ISOS-LT-3 (太陽熱水分凍結サイクル) の3 種類の試験に分けられます。

この記事では、光ストレスを増やす必要性について述べています。

1. コンポーネントの表面を照射する入射光によって与えられる熱放射は、照射された表面からサンプルの裏面までの熱伝達経路に温度勾配を形成し、その結果、環境ボックス内の均一な対流加熱とはまったく異なる温度応力状態が生じます。

2. 光によって生成された電流により、コンポーネントに対する電気的に誘導されるストレスが必然的に増加します。この応力は、金属部品の腐食などのコンポーネントの故障を促進します。

図3. 論文が推奨する太陽熱・湿度・冷凍サイクル試験の模式図

低照度条件下での性能評価は、太陽光発電デバイスを実際に応用する際の重要なステップです。この記事ではテスト手順に低照度テストは含まれていませんでしたが、いくつかの建設的な提案も行われていました。

有機太陽光発電/ペロブスカイト太陽光発電の重要な利点は、低照度または屋内条件でも良好に動作できることです。

屋内で使用される光源は主に蛍光灯、白熱灯、LEDランプなどの人工光源ですが、スペクトル分布（図4参照）や放射照度の点で太陽光とは根本的に異なります。人工光源の照度は通常、lx 単位で測定されます。オフィスの照度要件の一般的な値は 200 ～ 1000lx で、これは AM1.5G スペクトル 1000W/m2 照度の約 1/100 ～ 1/500 です。

したがって、低照度性能試験では、光源の種類、分光特性、照射強度を厳密に区別し、実際のアプリケーションシナリオに合わせた試験条件を確立する必要があります。

図 4. 色温度 830 の蛍光灯スペクトルと AM1.5 太陽光スペクトルの比較

この記事では、光源として推奨される蛍光灯 (色温度 830) を使用するデバイスの一連の JV テスト手順を説明します。詳細については、図 5 を参照してください。

ペロブスカイトセルの低照度試験の現在の規格には、IEC TS 62607-7-2:2023 が含まれます。しかし、ISOS にせよ IEC62607 にせよ、現在はデバイスの IV 試験手順のみが策定されており、低照度条件下でのデバイスの環境老化試験に関する具体的な試験手順は現時点ではありません。

図 5. 色温度 830 の蛍光灯スペクトルと AM1.5 太陽光スペクトルの比較

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

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[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

つづく...

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