钙钛矿太阳能电池稳定性要求所涉及的必要测试环节

随着钙钛矿太阳能电池技术的不断发展和成熟，其在替代传统硅电池、解决电能需求增长和环境污染等问题上具有巨大的潜力。然而，稳定性一直是制约其商业化应用的关键问题之一。通过制定和遵循相应的国际标准，可以有效地提高钙钛矿太阳能电池的稳定性和可靠性，推动其商业化进程。

钙钛矿稳定性标准

稳定性评判标准目前有两套成熟的体系可参考，分别由IEC和ISO两个组织颁布，其中两者互有交叉。

国际电工委员会（IEC）是一个包含各国电工委员会的国际标准组织。IEC的目的是推进电子电气领域的标准相关问题的国际合作。为此目的及除此之外的其他活动，IEC制定国际标准，技术规范，技术报告以及公开的规范和指导（以下简称IEC出版物）。他们的准备工作委托给技术委员会，任何对此感兴趣的IEC国家委员会将可能参与进此制定工作。国际上与IEC有关的政府或非政府组织也都参与进此制定工作。IEC与国际标准化组织（ISO）按照两者达成共识的条件密切合作。

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International Summit on Organic Photovoltaic Stability (ISOS) 

借鉴OPV领域制定的International Summit on Organic Photovoltaic Stability (ISOS) 协议，为钙钛矿电池也制定了一套量身定做的测试标准。（参考文献：Nature Energy volume 5, pages35–49 (2020)）测试标准核心内容如下：

根据测试条件不同分为7套，每套都有1，2，3三个级别，数字越大，代表测试的级别越高，数据越可靠，但对应的测试成本和难度也更大。

一、ISOS-D（暗态存储稳定性）

无光源，无负载。1级别为室温，环境湿度；2级别为65或85摄氏度，环境湿度；3级别为65或85摄氏度，85%相对湿度（也就是IEC标准里的双85测试）。

二、ISOS-V（暗态偏压稳定性）

光源，如施加正偏压，偏压数值可以设置为VMPP，Voc，Eg/q，Jsc；如施加负偏压，偏压数值可以设置为-Voc，-JMPP。该测试下1，2，3级别的区别与ISOS-D相同。

三、ISOS-L（光照稳定性)   

光源建议是太阳光模拟器，没有条件的也可以用LED灯或卤素灯代替，但要注明光源性质。1级别为室温，环境湿度，负载为MPP点电压或开压；2级别为65或85摄氏度，环境湿度，负载为MPP点电压或开压；3级别为65或85摄氏度，50%相对湿度，负载为MPP点电压。

四、ISOS-D（户外稳定性）

光源是太阳光，要注明所处地理位置。1，2，3级别均为户外温度，湿度，区别在于1级别负载为MPP点电压或开压，器件性能测试光源为太阳光模拟器；2级别负载为MPP点电压或开压，器件性能测试光源为太阳光；3级别负载为MPP点电压，器件性能测试光源为太阳光模拟器和太阳光。

五、ISOS-T（温度循环稳定性）

无光源，无负载。1，2级别是从室温到65或85摄氏度，环境湿度；3级别是从-40到85摄氏度，相对湿度小于55%（也就是IEC标准里的湿冻测试）。

六、ISOS-D（光循环稳定性）

光源建议是太阳光模拟器，没有条件的也可以用LED灯或卤素灯代替，并且周期性开关（如1小时开，1小时关；12小时开，12小时关等，具体详见原文献）。1级别为室温，环境湿度，负载为MPP点电压或开压；2级别为65或85摄氏度，环境湿度，负载为MPP点电压或开压；3级别为65或85摄氏度，小于50%相对湿度，负载为MPP点电压。

七、ISOS-LT（光照温度循环稳定性）

光源建议是太阳光模拟器，没有条件的也可以用LED灯或卤素灯代替，负载为MPP点电压或开压。1级别是从室温到65摄氏度，环境湿度；2级别是从5到65摄氏度，50%相对湿度；3级别是从-25到65摄氏度，50%相对湿度。

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IEC61215 光伏组件标准

此外，钙钛矿光伏组件的稳定性评判也参考了目前晶硅光伏组件的评判标准。

IEC6125：规定了适合在露天气候条件下长期运行的陆地光伏组件的设计确认要求。合格的组件的使用寿命取决于其设计、环境和运行条件。测试结果不被视为组件寿命的定量预测，IEC61215系列标准自1993年第一次发布以来，就成为光伏组件设计鉴定与定型的基础评估标准，其发展动态也备受业内关注。IEC61215最新版系列标准于2021年初发布，其测试程序及流程如下。

一. 外观检查    

目的:检查组件中的任何外观缺陷

在不低于1000lx的照度下，对每一个组件仔细检查下列情况：

开裂、弯曲、不规整或损伤的外表面;

破碎的太阳电池;

有裂纹的太阳电池;

互联线或接头有缺陷;

太阳电池相互接触或与边框接触;

粘合连接失效;

在组件的边框和电池之间形成连续通道的气泡或脱层

在塑料材料表面有粘污物;

引出端失效，带电部件外露;

可能影响组件性能的其它任何情况。

二. 最大功率确定    

目的:确定组件在各种环境试验前后的最大功率，试验的重复性是最重要的因素。

实验过程:使用自然光或符合IEC904-9的B级或更优的模拟器，测试组件在特定辐照度和温度条件(推荐范围电池温度:25℃到50℃;辐照度:700W·m-2到1100 W·m-2)下的电流一电压特性。

组件是为特定条件下工作而设计，可以采用与预期工作条件相近的温度及辐照度水平进行测量。为了减少修正幅度，应努力使最大功率的测量尽可能在相同工作条件下进行，即对一个特定组件应在尽量相同的温度和辐照度下进行最大功率的测量。最大功率测量重复性必须优于±1%。

三. 绝缘耐压    

目的:测定组件中的载流部分与组件边框或外部之间的绝缘是否良好。

程序:

1. 以不大于500V·s-1的速率增加绝缘测试仪的电压，直到等于1000V加上两倍的系统最大电压(即由制造商标注在组件上的最大系统电压)。如果系统的最大电压不超过50V，所施加的电压应为500V，维持此电压1min。

2. 降低电压到零，将绝缘测试仪的正负极短路使组件放电。

3. 拆去绝缘测试仪正负极的短路。

4. 以不大于500V·s·1的速率增加绝缘测试仪的电压，直到等于500V或组件最大系统电压的高值。维持此电压2min然后测量绝缘电阻。

5. 降低电压到零，将绝缘测试仪的正负极短路使组件放电。

6. 拆去绝缘测试仪与组件的连线及正负极的短路线，在步骤c)中，无绝缘击穿或表面无破裂现象。

注：对于面积小于0.1m2的组件绝缘电阻不小于400MΩ.

对于面积大于0.1m2的组件，测试绝缘电阻乘以组件面积应不小于40MΩ·m2。

 四. 温度系数测量    

目的:从组件试验中测量其电流温度系数(a)、电压温度系数(β)和峰值功率温度系数(8)。如此测定的温度系数，仅在测试中所用的辐照度下有效:参见IEC 60904-10对组件在不同辐照度下温度系数评价。

试验过程:

将测试组件安装在改变温度的设备中，安装标准光伏器件到模拟器光束内，连接到使用仪器上。

将辐照度设定在测试组件的产生短路电流上。使用标准光伏电池使整个试验期间的辐照度维持在该水平

加热或冷却组件到感兴趣的一个温度，一旦组件达到需要的温度就进行Isc,Voc和峰值功率的测量。在至少30℃感兴趣温度范围上，以大约5℃的温度步长改变组件的温度，重复测试Isc,Voc和峰值功率的测量。

注:在每个温度可测量完整的电流一电压特性，以确定随温度变化的最大工作点电压和最大工作点电流。

五. 电池标准工作温度的测量    

目的:测定组件的标称工作温度(NOCT);

原理:在标准参考环境所描述的环境条件范围内，该方法收集电池试验的真实温度数据。数据给出的方式，允许精确和重复地确定标称工作温度。

试验过程:

1.数据要求:辐照度低于400W·m-2;在10min期间记录辐照度变化从最大值到最小值超过10%以上之后10min间隔;风速在1 m·m-1±0.75 m·m-1范围以外;环境温度在20℃+15℃范围以外，或变化超过5℃;在风速超过4m·m-1的疾风之后10min内;风向在东或西+20°范围内。

2.至少选10个可采用的数据点，覆盖300W·m-2以上的辐照度范围，确保包含当地正午前后的数据，作(T-Tmb)随辑照度变化的曲线，通过这些数据点用回归分析做拟合，

3.确定在800W·m-2时的(T-Tamb)值，加上20℃即给出标称工作温度的初步值。

4.使用可采用的数据点，计算平均环境温度Tmb，平均风速V，并从图2中定出适当的修正因子。

5.修正因子与初步的标称工作温度之和即为组件的标称工作温度值，它是校正到20℃和1m·s-时的值注:在每个温度可测量完整的电流一电压特性，以确定随温度变化的最大工作点电压和最大工作点电流。

6. 标准测试条件和标称工作温度下的性能    

目的:

在标准测试条件(1000W·m-2，25℃电池温度，GB/T 6495.3的标准太阳光谱辐照度分布)和标称工作温度和辐照度为800 W·m-2,且满足GB/T 6495.3的标准太阳光谱辐照度分布条件下，确定组件随负荷变化的电性能。

程序:

1.标准测试条件

保持组件温度在25℃，用自然光或符合IEC904-9 要求的B级或更优模拟器，在1000Wm-2辐照度(用适当的标准电池测定)下，测量其电流-电压特性。

2.标称工作温度

用自然光或符合IEC 904-9 要求的B级或更优模拟器，在800 W·m-2辐照度(用适当的标准电池测定)下，将组件均匀加热至标称工作温度，测量其电流-电压特性。

注:如果标准电池的光谱响应与测试组件不相同，用IEC 60904-7的方法计算光谱失配修正。

七.低辐照度下的性能    

目的:在25℃和辐照度为200 Wm-2(用适当的标准电池测定)的自然光或符合IEC 904-9要求的B级或更优模拟器下确定组件随负荷变化的电性能。

试验过程:

在25°℃+2°℃和辐照度为200 W·m-2(用适当的标准电池测定)的自然光或更优模拟器下，测量组件的电流-电压特性。用中性滤光器或其它不影响光谱辐照度分布的技术将辐照度降低至特定值。

八.室外暴晒试验    

目的:初步评价组件经受室外条件曝晒的能力，并可使在实验室试验中可能测不出来的综合衰减效应揭示出来。

试验过程: 将组件至于室外暴晒,用监测仪测量,使组件受到的总辐射量为60kWh·m-2。

九.热斑耐久试验    

目的:确定组件承受热斑加热效应的能力,如这种效应可能导致焊接熔化或封装退化,电池不匹配或裂纹、内部连接失效、局部被遮光或弄脏均会引起这种缺陷。

热斑效应:当组件中的一个电池或一组电池被遮光或损坏时,工作电流超过了该电池或电池组降低了的短路电流在组件中会发生热斑加热,此时受影响的电池或电池组被置于反向偏置状态,消耗功率,从而引起过热。

串联连接方式

A.将不遮光的组件在不低于700W·m-的辐射源1下照射，测试其I-V特性和最大功率点的电流IMP。B.使组件短路，用下列方法之一选择一片电池:

1.组件在稳定的、辐照度不低于700W·m-的辐射源1照射下，用适当的温度探测器(推荐使用红外照像仪)测定最热的电池。

2.在规定的辐照度下，依次完全挡住每一个电池，当它被挡住时,短路电流减小最大。在这一过程中，辐照度的变化不超过5%。

C.在所规定的辐照度(±3%内)下，完全挡住选定的电池，检查组件的ISC是否比步骤a)所测定的IMP小。如果这种情况不发生，就不能确定在一个电池内产生最大消耗功率的条件。

D.逐渐减少对所选择电池的遮光面积，直到组件的ISC最接近IMP，此时在该电池内消耗的功率为最大。

E.用辐射源2照射组件，记录ISC值，保持组件在消耗功率为最大的状态，必要时，重新调整遮光，使ISC维持在特定值。在此过程中组件的温度应该在50°C±10°C

F.保持此状态经过5h的曝晒。

串联-并联连接方式

A.将不遮光的组件在不低于700W.m·的辐射源1下照射，测试其[-V特性，假定所有串联组产生的电流相同，用下列方程计算热斑最大功率消耗时对应的短路电流(*):

B.使组件短路，用下列方法之一选择一片电池:1)组件在稳定的、辐照度不低于700W·m-2的辐射源照射下，用适当的温度探测器测定最热的电池。2)依次完全挡住每一个电池，当它被挡住时，短路电流减小得最多。在这一过程中，辐照度的变化不超过5%

C.所规定的辐照度(±3%内)下，完全挡住选择的电池，检査组件的1c是否比步骤a)所测定的1c(*)小。如果这种情况不发生，就不能确定在一个电池内发生最大消耗功率的条件。

D.逐渐减少对所选择电池的遮光面积，直到拐点(旁路二极管工作的临界点)电流值与Imp接近，此时在该电池内消耗的功率为最大。

E.用辐射源2照射组件，记录其值，保持组件在消耗功率为最大的状态，必要时，重新调整遮光，使维持在特定值。在此过程中组件的温度应该在50℃C+10°C。

F.保持此状态经过5h的曝晒。

十. 紫外预处理试验    

目的:在组件进行热循环/湿冻试验前进行紫外(UV)辐照预处理以确定相关材料及粘连连接的紫外衰减。

实验过程:

使用校准的辐射仪测量组件试验平面上的辐照度,确保波长在280nm 到385nm 的辐照度不超过250W·m-2(约等于5 倍自然光水平),且在整个测量平面上的辐照度均匀性到达±15%. 使组件经受波长在280nm 到385nm范围的紫外辐射为15kWh·m-2,其中波长为280nm 到320nm 的紫外辐射至少为5kWh·m-2,在试验过程中维持组件的温度在前面规定的范围.

十一. 热循环试验

目的:确定组件承受由于温度重复变化而引起的热失配、疲劳和其它应力的能力。

实验过程:

1.将温度传感器接到温度监测仪，将组件的正极引出端接到提供电流仪的正极，负极连接到其负极。在200次热循化试验中，对组件通过等于标准测试条件下最大功率点电流±2%。仅在组件温度超过25℃时保持流过的电流。50次的热循化试验不要求通过电流。2.使组件的温度在-40℃℃+2℃C和+85°C±2℃℃之间循环。最高和最低温度之间温度变化的速率不超过100℃/h，在每个极端温度下应保持稳定至少10min。除组件的热容量很大需要更长的循环时间外，一次循环时间不超过6h，循环的次数见相应的方框。

3.在整个试验过程中，记录组件的温度，并监测通过组件的电流,

◆注:在有并联开路的组件分支会引起电压的不连续，但不会导致到零。

十二. 湿-冻试验    

目的:确定组件承受高温、高湿之后以及随后的零下温度影响的能力。

程序:

1.将温度传感器置于组件中部的前或后表面;

2.在室温下将组件装入气候室

3.将温度传感器接到温度监测仪;

4.关闭气候室，使组件完成如图所示的10次循环。最高和最低温度应在所设定值的+2℃C以内，室温以上各温度下，相对湿度应保持在所设定值的±5%以内。

十三. 湿-热实验

目的:

目的: 确定组件承受长期湿气渗透的能力。

试验过程:

1.预处理:将处于室温下没有经过预处理的组件放入气候室中。

2.严酷条件进行试验: 试验温度:85℃℃±2℃℃ 相对湿度:85%+5% 循环试验时间:1000h。

十四. 引出端强度测试

目的:确定组件在各种环境试验前后的最大功率，试验的重复性是最重要的因素。

实验过程:使用自然光或符合IEC904-9的B级或更优的模拟器，测试组件在特定辐照度和温度条件(推荐范围电池温度:25℃到50℃;辐照度:700W·m-2到1100 W·m-2)下的电流一电压特性。

组件是为特定条件下工作而设计，可以采用与预期工作条件相近的温度及辐照度水平进行测量。为了减少修正幅度，应努力使最大功率的测量尽可能在相同工作条件下进行，即对一个特定组件应在尽量相同的温度和辐照度下进行最大功率的测量。最大功率测量重复性必须优于±1%。

十五. 湿漏电试验

目的:评价组件在潮湿工作条件下的绝缘性能,验证雨、雾、露水或溶雪的湿气不能进入组件内部电路的工作部分,如果湿气进入可能会引起腐蚀、漏电或安全事故。

试验过程：

a)将组件输出端短路,连接到测试设备的正极,使用适当的金属导体将测试液体连接到测试设备的负极；

b)以不超过500V·s-1的速度增加测试设备所施加的电压直到500V,保持该电压2min,测试绝缘电阻；

c)减低电压到零,将测试设备的引出端短路,以释放组件内部的电压；

应满足下列要求:

-对于面积小于0.1m2的组件绝缘电阻不小于400MΩ。

- 对于面积大于0.1m2的组件，测试绝缘电阻乘以组件面积应不小于40MΩ·m2.

 十六.机械载荷试验 

目的:确定组件经受风、雪或覆冰等静态载荷的能力。

试验过程:在前表面上,逐步将负荷加到2400Pa,使其均匀分布.(负荷可采用气动加压,或覆盖在整个表面上重量,对于后一种情况,组件应水平放置.)保持此负荷1h。

应满足下列要求:

在试验过程中无间歇断路现象

无严重外观缺陷;

标准测试条件下最大输出功率的衰减不超过试验前测试值的5%:

绝缘电阻应满足初始试验的同样要求。

十七.冰雹试验 

目的:验证组件能经受住冰雹的撞击。

试验过程: 

1.检查每个冰球的尺寸、质量及是否碎裂，可用冰球应满足如下要求:肉眼看不到裂纹;直径在要求值5%范围内;质量在表中相应标称值5%范围内;

2.使用前，置冰球于储存容器中至少1h;

3.对模拟靶试验发射几次，调节发射器，使前述位置上的速度传感器所测定的冰球速度在表2中冰雹相应试验速度的5%范围内:

4.将冰球从储存容器内取出放入发射器中，瞄准指定的第一个撞击位置并发射。冰球从容器内移出到撞击在组件上的时间间隔不应超过60s。

应满足下列要求:

- 无严重外观缺陷;

-最大输出功率的衰减不超过试验前测试值5%；

-绝缘电阻应满足初始试验的同样要求。

十八. 旁路二极管热性能试验 

目的: 评价旁路二极管的热设计及防止对组件有害的热斑效应性能相对长期的可靠性，

试验过程: 加热组件到75°C±5℃，对组件施加等于标准测试条件下短路电流±2%的电流，1h后测量每个旁路二极管的温度。利用二极管制造商提供的信息从测量的壳温及二极管消耗的功率，计算结温。

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总结

两种测试标准的相同点和差异：

相同点

1. 都是国际性的标准体系，旨在为钙钛矿太阳能电池的稳定性评估提供指导。

2. 两种标准均致力于评估钙钛矿太阳能电池在长期使用过程中的性能稳定性，以确保其在商业化应用中的可靠性。

3. 根据国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）的制定程序，都经过了广泛的国际合作和专业讨论，具有权威性和可信度。

差异

1. 范围与侧重点不同：IEC标准更加侧重于太阳能电池系统的整体性能评估，包括性能、安全性和可靠性等方面；而ISO标准则更侧重于材料和组件的性能评估，如材料的耐候性、化学稳定性等。

2. 测试方法与参数略有不同：IEC标准通常更加具体和细致，包含了更多的测试方法和参数，以确保测试的全面性和准确性；而ISO标准则更加灵活，允许根据实际情况进行适当的调整和修改。
审核编辑：黄飞