W ostatnich latach na rynku fotowoltaicznym pojawiły się nowe rozwiązania materiałowe, które mają na celu zastąpić dotychczas stosowane enkapsulanty i warstwy spodnie typu „backsheet”. Opracowywane materiały muszą zapewnić wytwarzanym z ich udziałem modułom wysoką wydajność i niezawodność w porównaniu ze standardowymi odpowiednikami, nie tylko pod względem parametrów elektrycznych, ale także pod względem długoterminowej stabilności i niezawodności.
Naukowcy z austriackiego TÜV zajęli się ilościowym określeniem wpływu rodzaju polimeru i warstwy spodniej na parametry elektryczne i degradację modułów PV. W tym celu stosuje się różne podejście do modelowania statystycznego, mające na celu identyfikację powiązań między początkową wydajnością modułów fotowoltaicznych, degradacją zastosowanych materiałów oraz odpornością na naprężenia [B. Brune, et al., Prog. Photovolt. Res. Appl., 2023, 31, 716-728].
Chociaż właściwości standardowych materiałów fotowoltaicznych, takich jak polimer EVA (kopolimer etylen-octan winylu) i warstwa spodnia PPF (politereftalan etylenu (PET) zawierający fluor), spełniają wymagania techniczne, to bardziej zrównoważone materiały na bazie poliolefin są typowane do zastąpienia tych używanych obecnie. Warunkiem koniecznym jest udowodnienie ich przewagi w porównaniu ze standardowymi materiałami pod względem wydajności elektrycznej modułów z ich użyciem oraz niezawodności tych materiałów. Długoterminowa stabilność nowych materiałów jest testowana i oceniana za pomocą testów przyspieszonego starzenia i modelowania degradacji.
Alternatywą dla polimeru EVA używanego do hermetyzacji ogniw PV są TPO (termoplastyczny elastomer olefinowy) oraz POE (kopolimer akrylanu etylenu). Polimery różnią się głównie efektem po procesie laminowania. O ile POE, podobnie jak EVA, ulega sieciowaniu typowemu dla polimerowych materiałów, o tyle TPO zmienia swoją postać bez etapu sieciowania wykazując właściwości termoplastyczne. Ponadto różnią się mechanizmem degradacji chemicznej przy odnotowanej odporności POE i TPO na środowisko kwasowe. Z kolei warstwy spodnie różnią się składem i procesem produkcji. Laminowana warstwa spodnia PPF (politereftalan etylenu (PET) zawierający fluor) składa się z dwóch warstw PET, przy czym warstwa rdzenia jest pokryta dodatkową, cienką warstwą fluoru o grubości 5 μm. Współwytłaczana warstwa spodnia CPO składa się z trzech różnie modyfikowanych warstw polipropylenu (PP). Największą różnicę między tymi dwoma arkuszami spodnimi można znaleźć we współczynniku przepuszczania pary wodnej (WVTR) oraz współczynniku przepuszczania tlenu i kwasu octowego (AATR). Podczas gdy warstwa PPF wykazuje dobre właściwości barierowe wobec tlenu, pary wodnej i kwasu octowego, współwytłaczana warstwa CPO charakteryzuje się korzystnymi właściwościami selektywnego przenikania, wykazując niskie wartości WVTR, ale wysokie szybkości przenikania dla tlenu i kwasu octowego. Umożliwia to szybką ucieczkę żrącego kwasu octowego z modułu fotowoltaicznego i jednocześnie zapobiega przedostawaniu się dużej ilości pary wodnej z otoczenia do modułu.
Wyniki modelowania dotyczące wpływu składu materiału hermetyzującego i warstwy spodniej na moc modułu przed ekspozycją pokazują, że połączenie polimeru TPO z warstwą spodnią CPO pozwala uzyskać znacznie wyższą moc początkową modułu PV niż wszystkie inne kombinacje materiałów. Ogólnie rzecz biorąc, moduły z folią CPO mają tendencję do wykazywania większego początkowego PMPP niż moduły z podkładkami PPF. Główną przyczyną tego efektu jest poprawiony współczynnik odbicia CPO (80,4%) w porównaniu z PPF (68,4%). Wydaje się jednak, że rodzaj polimeru ma niewielki wpływ na moc modułu, przy czym te z EVA wykazują niższe wartości niż poliolefiny (POE i TPO), co można wytłumaczyć różną przepuszczalnością światła przez polimery, zwłaszcza w obszarze UV (transmisja EVA = 31 %, POE = 67 %, TPO = 78 % w zakresie długości fali 295 – 395 nm).
Modelując wpływ polimeru i warstwy spodniej uzyskano ilościową ocenę szybkości degradacji modułów. Badania wyraźnie pokazują, że szybkość degradacji modułów z EVA jest znacznie większa niż w przypadku stosowania polimerów TPO i POE. Szybkości degradacji dla wariantów TPO i POE nie różnią się znacząco od siebie. Można to wytłumaczyć faktem, że materiały poliolefinowe są bardzo stabilne chemicznie, podczas gdy EVA ma tendencję do odszczepiania kwasu octowego podczas hydrolizy i/lub degradacji fotoutleniającej. Ponieważ jako procedurę testową zastosowano długotrwałą ekspozycję na wilgotne ciepło, korozyjne działanie kwasu octowego na ogniwo i elektrody Ag przebiegało w drastyczny sposób. Co zaskakujące, zastosowanie EVA w modułach testowych z folią CPO nie wykazały efektu, który był wyraźny po tym samym czasie ekspozycji dla warstwy spodniej PPF. Decydującą różnicą między tymi dwiema warstwami spodnimi są ich odmienne właściwości przenikania kwasu octowego gdzie warstwa CPO wykazuje ponad 10-krotnie wyższy współczynnik AATR niż PPF. W ten sposób utworzony kwas octowy nie gromadzi się w polimerze EVA, ale może z dużą szybkością wydostawać się z modułu fotowoltaicznego. Efekt ten jest również widoczny w utracie PMPP, podczas gdy moduł z folią PPF wykazał utratę mocy na poziomie 12%, moduł z CPO uległ degradacji tylko o 2%. Moduły z polimerami POE i TPO nie wykazały istotnej degradacji niezależnie od materiału warstwy spodniej.
Ogólnie rzecz biorąc, moduły z warstwami tylnymi na bazie polipropylenu (CPO) mają wyższą moc początkową niż moduły z warstwami tylnymi na bazie PET (PPF), przy czym połączenie polimeru hermetyzującego z termoplastycznej poliolefiny (TPO) i poliolefinowej warstwy spodniej (CPO) jest lepsze niż inne kombinacje materiałów. Porównanie zależnych od materiału szybkości degradacji uzyskanych z modeli efektów mieszanych wyraźnie pokazuje, że szybkość degradacji po wystawieniu na działanie wilgotnego ciepła w przypadku modułów z EVA jest znacznie większa niż w przypadku zastosowania poliolefinowych odpowiedników (POE i TPO). Badanie to pokazało, że stosując różne podejście do modelowania statystycznego można określić ilościowo wpływ różnych materiałów na moc elektryczną i jej degradację. Takie podejście może pomóc w identyfikacji odpowiednich zestawień materiałów oraz optymalizacji jakości i niezawodności modułów fotowoltaicznych.
