Outdoor testing station for solar cells

Abstract

The focus of this work is on the preparation and testing of a measurement system for real life outdoor testing of emerging photovoltaic devices, namely dye-sensitized solar cells and perovskite solar cells. While laboratory level accelerated aging tests for solar cells are a powerful tool for studying the stability of the cells in longtime operation, such tests do not cover all environmental variations present under real outdoor environment. Hence, when going forward in lifetime testing, outdoor testing of the emerging solar cell technologies becomes critical in evaluation of their suitability for commercialization.

The new station was designed according to ISOS standards for organic solar cell outdoor aging tests: it is capable to monitor the current-voltage characteristics of the tested cells, provide adjustable electric load for the cells, and record weather values. A short aging test was performed with this new station for dye-sensitized solar cells during late autumn in Finland, when the weather varied from mildly warm autumn weather to freezing and snowy. The lightly encapsulated cells did suffer from degradation during the test since their short circuit current decreased. The degradation did not occur during the frosty period but instead during the warmer, rainy periods so the cause of degradation was most likely moisture.

Additionally, the tested cells were able to generate current at sub-zero temperatures about as well as in warmer environments, which has not been previously reported in literature for dye-sensitized solar cells.

Tämän työn aiheena on kehittyvien aurinkokennojen, etenkin väriaineherkistettyjen ja perovskiitti-aurinkokennojen, ulkotestausaseman rakentaminen ja testaaminen. Laboratoriotason aurinkokennojen kiihdytetyt ikäännytyskokeet ovat tehokas työkalu tutkimaan kennojen vakautta pidemmän ajan käytössä, mutta nämä kokeet eivät kata kaikkia oikeassa ulkoilmassa esiintyviä vaihteluita. Tästä johtuen, kehittyvien aurinkokennoteknologioiden testaaminen ulko-olosuhteissa on tärkeä vaihe, kun niiden soveltuvuutta kaupallistamiseen arvioidaan.

Laitteiston suunnittelussa huomioitiin ISOS standardit orgaanisten aurinkokennojen ulkoikäännytysmittauksille: se mittaa testikennojen virta-jännite yhteyttä, kuormittaa kennoja sähköisesti sekä tallentaa sääarvoja. Uudella laitteistolla suoritettiin myös lyhyt ikäännytyskoe väriaineherkistetyillä aurinkokennoilla myöhään syksyllä, jolloin sää vaihteli lämpöisestä syyskelistä lumisiin pakkaskeleihin. Kevyesti suojatut testikennot kärsivät kulumisesta testauksen aikana, koska niiden oikosulkuvirta laski. Kuluminen ei kuitenkaan ajoittunut pakkasjaksoon, vaan lämpöisempiin sadejaksoihin, eli kulumisen syy oli mitä luultavimmin kosteus.

Testatut kennot pystyivät lisäksi tuottamaan virtaa pakkasessa kutakuinkin yhtä lailla kuin lämpöisemmässä kelissä, mistä ei ole aikaisempaa tutkimusta kirjallisuudessa väriaineherkistettyjen aurinkokennojen alalla.