Prediction and diagnosis of solar cells properties under climatic conditions

Abstract

In this study we have analyzed investigations on the aging and degradation of organic solar cells (OSCs). In the first part of this study we have conducted QUV aging on commercial samples of OSCs. The use of QUV chamber leads to study the effect of cyclic aging on the electrical and optical properties namely PCE, Jsc, FF, Voc, UV-VIS and PL measurements under variation of UV irradiation, temperature, humidity and dark. The degradation process of the OSCs under cyclic aging fits with the earlier finding in the literature and is occurred in two phases with deferent aging rates. Furthermore, it has been found that the OSCs lose more than 60% of their initial performances, and for some properties like PCE the decrease reaches 80%. This drastic drop of the OSCs performances, associated to the formation of bubbles, indicates that samples undergo very hard bulk degradation. In the second part we have assessed the degradation behaviour of lab-scale and scalable OSCs devices employing similar non-fullerene (NFA) based active layers. It is demonstrated that the scalable NFA OSC exhibit completely reversible degradation when assessed in ISOS-O-1 outdoor conditions, which is in contrast to the lab-scale devices assessed via the indoor ISOS-L-2 protocol. Results from transient photovoltage (TPV) indicate the presence of charge trap formation, and a number of potential mechanisms are proposed. In the end of this study we have reported some results of the ANN prediction of the OSCs performances under aging. The reported results show that the accuracy of prediction is very good and the predicted values are close to the experimental values في هذه الدراسة قمنا بتحليل و تحقيق حول تدهور و شيخوخة الخلايا الشمسية العضوية.(OSCs)في الجزء الاول من الدراسة طبقنا الشيخوخة على عينات تجارية من الخلايا الشمسية العضوية بواسطة اختبارQUVالمسرع للعوامل الجوية. يسمح استخدام اختبارQUV المسرع للعوامل الجوية بدراسة تأثير الشيخوخة الدورية على الخصائص الكهربائية والخصائص الضوئية مثل الأشعة فوق البنفسجية واللمعان الضوئي تحت مختلف الأشعة فوق البنفسجية ودرجة الحرارة والرطوبة والظلام. تتناسب عملية تدهور الشيخوخة الدورية للخلايا الشمية العضوية مع النتائج المتحصل عليها سابقا و يتم ذلك في مرحلتين مع اختلاف في معدل الشيخوخة. علاوة على ذلك، فقد وجد أن الخلايا الشمسية العضوية تخسر أكثر من 60 ٪ من أدائها الأولي، وبالنسبة لبعض الخصائص مثلPCE يصل الانخفاض إلى 80 ٪. يشير هذا الانخفاض الحاد في أداء الخلايا الشمسية العضوية، المرتبط بتشكيل الفقاعات، إلى أن العينات تخضع لتدهور كبير جدًا. في المرحلة الثانية تطرقنا الى تقيم سلوك تحلل اجهزة الخلايا الشمسية العضوية في مقياس المختبر التي تستخدم طبقات نشطة مماثلة غير الفوليرين. ثبت أن تطور الخلايا الشمسية العضوية الغير فوليرين تظهر انحطاطًا يمكن عكسه تمامًا عند إخضاعه للظروف الخارجية) ISOS-O-1 القمة الدولية حول استقرار الخلايا الكهروضوئية العضوية)،و هذا ما يتناقض مع نتائج القياسات المختبرية عبر بروتوكول ISOS-L-2 الداخلي. تشير نتائج الجهد الكهربائي العابر (TPV) إلى وجود مصيدة شحن تم تشكيلها، مع اقتراح عدد من الآليات المحتملة. في نهاية هذه الدراسة ،قدمنا بعض النتائج عن التنبؤباستخدام الذكاء الصناعي للشبكات العصبية( ANN )لأداء الخلايا الشمسية العضوية في حالة الشيخوخة. أظهرت النتائج المقدمةأن دقة التنبؤ جيدة جدًا وأن القيم المتنبئة قريبة من القيم التجريبية. Dans cette étude, nous avons analysé des travaux de recherche sur le vieillissement et la dégradation des cellules solaires organiques (CSOs). Dans la première partie de cette étude, nous avons effectué un vieillissement QUV sur des échantillons commerciaux des CSOs. L'utilisation de la chambre QUV permet d'étudier l'effet du vieillissement cyclique sur les propriétés électriques et optiques, notamment : PCE, Jsc, FF, Voc, UV-VIS et PL sous l'effet de la variation de l'irradiation UV, de la température, de l'humidité et de l'obscurité. Le processus de dégradation des CSOslors du vieillissement cyclique est en accord avec celui reporté dans littérature et se produit en deux phases avec des taux de vieillissement déférents. De plus, il a été constaté que les OSC perdent plus de 60% de leurs performances initiales, et pour certaines propriétés comme le PCE, la diminution atteint 80%.Cette chute drastique des performances des OSC, associée à la formation de bulles, indique que les échantillons subissent une dégradation massive très dure. Dans la deuxième partie, nous avons évalué le comportement de dégradation des dispositifs des CSOs à l'échelle du laboratoire et des dispositifs évolutifs utilisant des couches actives similaires non basées sur le fullerène. Il est démontré que les CSO NFA non évolutives présentent une dégradation totalement réversible lorsqu'elles sont évaluées dans les conditions extérieures ISOS-O-1, ce qui est le contraire avec les dispositifs à l'échelle du laboratoire évalués par le biais du protocole ISOS-L-2 en intérieur. Les résultats de la phototension transitoire (TPV) indiquent la présence d'une formation de piège à charge, et un certain nombre de mécanismes potentiels sont proposés. À la fin de cette étude, nous avons présenté certains résultats de la prédiction en utilisant les réseaux de neurones artificiels (ANN) des performances des CSOs en cours de vieillissement. Les résultats rapportés montrent que la précision de la prédiction est très bonne et que les valeurs prédites sont proches des valeurs expérimentales