上柔質量鑑定|從實驗室到應用：鈣鈦礦光伏ISOS穩定性測試系統詳解（一）

前言

與目前主流光伏技術（晶體矽）相比，鈣鈦礦電池雖然具有理論效率高、弱光發電、生產成本較低等優點，但其可靠性卻受到詬病。，長期穩定性不如晶矽光電模組。這項缺陷已成為限制鈣鈦礦電池在光電領域應用的最大障礙之一。

然而，鈣鈦礦組件的可靠性測試尚未達到統一標準。各方的實驗設備、測試程序、實驗參數缺乏一致性。此外，鈣鈦礦電池和晶矽電池的失效模式也存在本質差異。現有的晶體矽光電模組測試程序（IEC 61215、IEC 61730等）並非完全適用於鈣鈦礦電池。

因此，建立科學、合理、可操作的鈣鈦礦光伏組件長期穩定性測試標準與評估體系，已成為推動此技術產業化應用的核心議題。

近年來，經過研究機構和企業界的共同努力，鈣鈦礦光伏裝置的穩定性表徵和測試方法取得了一系列進展。儘管相關成果尚未納入國際標準體系，但為鈣鈦礦元件的耐久性和壽命評估提供了重要依據和方法支撐。

有機光伏材料和裝置的共識穩定性測試協議

在2011年發表的《有機光伏材料與裝置穩定性測試共識協議》一文中，各方根據前三屆ISOS會議討論的指南，對有機光伏/鈣鈦礦光伏材料與裝置進行了分析。設計了一些常用的測試方法。

具體內容如下： 根據不同的應力條件，設立了5個主要測試類別，分別是：暗環境測試（ISOS-D）、戶外測試（ISOS-O）、實驗室老化測試（ISOS-L）、熱循環測試（ISOS-TC）、太陽熱濕循環測試（ISOS-LT）

每個測試類別依設備條件和應力強度分為3個等級（具體見圖1）。這些測試程序的建立將有助於實驗人員了解有機光伏材料的穩定性和降解機制，並比較實驗室之間的數據。以下對每個測試過程進行簡要介紹。

圖1 有機光伏材料及裝置測試總結

暗環境測試的目的是研究電池的儲存壽命。將電池存放在無光條件下，以研究其長期可靠性。隨著測試程序水準的提高，將會增加溫度和濕度兩個額外的應力條件。

最嚴格的ISOS-D-3，類似常見的晶體矽元件的雙85測試。不同的是，MQT 13要求測試時組件短路，或根據特定技術要求施加電流，而ISOS協定中需要將組件置於開路狀態。

文章也提到，如果要在低溫下進行暗環境測試（模擬冬天積雪覆蓋組件表面的場景），可以依照ISOS-D-2設定實驗程序，但需要將溫度改為-18℃。如果要檢視更高等級的低溫暗態測試，建議直接使用熱循環ISOS-T-3或太陽能熱濕冷凍循環測試。

戶外演示是檢驗組件性能最簡單、最直接的方法，直觀地反映光伏組件在實際應用上的問題。

然而，由於氣候條件的波動，戶外測試面臨許多不確定性，包括但不限於：溫度係數、雲量、性能和輻照度之間的非線性關係；風量和組件接收的能量劑量的季節性變化；不同地區氣候、緯度、海拔的差異。

因此，在進行室外比較時需要考慮所有因素。ISOS-O中各個層級的測試設定幾乎相同，唯一的差異在於JV曲線的定期測量。 ISOS-O-1是在太陽模擬器的照明下進行的，ISOS-O-2是在戶外陽光直射下定期採集的，ISOS-O-3需要在室外直射條件下進行原位mpp追蹤。

這裡的實驗室老化測試主要探討光老化測試。戶外光測試雖然能夠準確反映元件的實際應用情況，但存在測試條件不穩定、老化速度慢等問題。實驗室老化測試需要更穩定的測試條件，以系統分析應力與降解速率的關係以及加速老化的研究。

有機光伏/鈣鈦礦光伏電池的長期穩定性很大程度與光源的光譜分佈有關。實驗室老化測試中使用的人造光源應盡可能與實際應用光源相符。

ISOS-L-1，您可以自行選擇光源，無需與目標光源匹配，但需要報告所使用光源的光譜分佈。 ISOS-L-2和ISOS-L-3測試更偏向戶外應用場景，因此光源需要與太陽光譜有足夠的匹配。同時根據節目等級設定相應的溫濕度要求。

冷熱交替溫度循環應力測試不僅用於評估組件在輻照度、溫度和濕度變化條件下的性能，也是研究材料溫度循環疲勞特性、分析鈣鈦礦電池各功能層失效機制的重要手段。

ISOS中的熱循環實驗一般與IEC 61215中的MQT 11類似，其中ISOS-T-1和ISOS-T-2是為了透過調節熱板或烘箱來實現組件的溫度循環，溫度範圍為室溫至65℃/85℃，無法控制環境濕度。

ISOS-T-3 與 MQT 11 最相似，組件也需要在 -40°C 至 85°C 之間循環，但在某些細節上有差異：

1.ISOS-T-3要求濕度監測與控制（控制在55%RH）

2.在ISOS中，無需為元件添加電偏壓應力條件。在所有等級中，組件均放置在開路中（MQT 11 要求週期性循環電流通過組件）。

圖2. IEC 61215與ISOS-T-3之間的熱循環差異比較

ISOS-LT實驗旨在透過實驗室條件模擬更真實的應用條件，讓組件進行光、溫度、濕度的綜合老化。根據應力的大小和嚴重程度，分為三種類型的測試，即ISOS-LT-1（太陽能熱循環）、ISOS-LT-2（太陽能熱濕氣循環）、ISOS-LT-3（太陽能熱濕氣冷凍循環）。

文章提到了增加光照壓力的必要性：

1.入射光照射元件表面所給予的熱輻射，會在被照射表面到樣品背面的傳熱路徑中形成溫度梯度，從而產生與環境箱中均勻對流加熱完全不同的溫度應力條件。

2.光產生的電流不可避免地會增加元件上的電感應應力。這種應力會促進部件失效，例如金屬部件的腐蝕。

圖3 文章推薦的太陽能熱-濕-冷凍循環試驗示意圖

在低光源條件下的性能評估是光電元件實際應用的重要一步。文章雖然沒有將弱光測試納入測試程序，但也提出了一些建設性的建議。

有機光伏/鈣鈦礦光伏的一個重要優勢是它們在低光源或室內條件下仍然可以表現良好。

室內使用的光源主要是人造光源，如螢光燈、白熾燈和LED燈，它們在光譜分佈（見圖4）和輻照度方面與太陽光有根本的不同。人造光源的照度通常以 lx 為單位進行測量。辦公室照度要求的典型值在200～1000lx之間，約為AM1.5G頻譜1000W/m2照度的1/100-1/500。

因此，在低光源性能測試時需要嚴格區分光源類型、光譜特性和照射強度，建立符合實際應用場景的測試條件。

圖4 色溫830的螢光燈光譜與AM1.5太陽光譜對比

文章給出了一套針對使用推薦螢光燈（830色溫）作為光源的設備的JV測試程序。詳細資訊請參閱圖 5。

目前鈣鈦礦電池弱光測試標準包括 IEC TS 62607-7-2:2023。但無論是ISOS或IEC62607，目前都只制定了裝置的IV測試程序，對於裝置弱光條件下的環境老化測試目前還沒有具體的測試程序。

圖5 色溫830的螢光燈光譜與AM1.5太陽光譜對比

參考

[1] 馬修‧奧‧里斯 (Matthew O. Reese)、蘇倫‧A‧格沃吉安 (Suren A.Gevorgyan) 等人。有機光伏材料和裝置的共識穩定性測試協議。太陽能材料和太陽能電池。第 95 卷，第 5 期，2011 年 5 月，第 1253-1267 頁。 https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.01.036

[2] Khenkin, MV、Katz, EA、Abate, A. 等。基於 ISOS 程序的鈣鈦礦光伏穩定性評估和報告共識聲明。自然能量。第 5 卷。第 35–49 頁 (2020)、第 35–49 頁 (2020)。 https://doi.org/10.1038/s41560-019-0529-5

[3] Luigi Angelo Castriotta、Md Aslam Uddin 等人。鈣鈦礦太陽能技術轉向彈性。先進材料。第 37 卷第 8 期，2025 年 2 月 25 日

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

待續...

版權聲明本文版權歸上柔新能源所有

歡迎轉寄至您的朋友圈，轉載請與我們聯絡。