Pomimo oczekiwanego okresu użytkowania wynoszącego ok. 30 lat, moduły fotowoltaiczne podlegają mechanizmom degradacji, które w różny sposób wpływają na ich wydajność. Są to odbarwienie, rozwarstwienie, korozja lub pękanie ogniw. Od dziesięcioleci obserwuje się żółknięcie modułów fotowoltaicznych (PV) głównie spowodowane ekspozycją na promieniowanie UV.
To zjawisko nie tylko stanowi niedogodność estetyczną, ale może poważnie pogorszyć wydajność modułu i sprzyjać innym mechanizmom degradacji, osłabiając fotoprotekcję zapewnianą przez odpowiednią hermetyzację. Pierwsze obserwacje utraty mocy mogły sięgać nawet 40 %, choć obecnie szacuje się, że maksymalne straty przypisywane samym przebarwieniom wynoszą ok. 15 %.
W celu wyjaśnienia żółknięcia modułów na bazie EVA w warunkach zewnętrznych sformułowano dwie hipotezy: deacetylację i degradację addytywną. Pierwsza hipoteza zakłada, że żółknięcie stabilizowanej EVA miałoby wynikać z degradacji matrycy polimerowej, a dokładniej z deacetylacji spowodowanej fotoutlenianiem łańcuchów węglowych. Druga hipoteza zakłada, że przyczyną mogą być reakcje addytywne, a dokładniej środki utwardzające, takie jak nadtlenki, ponieważ żółknięcie niestabilizowanej EVA staje się bardziej intensywne, jeśli substancja hermetyzująca zawiera albo hydroksybenzofenon (powszechny pochłaniacz UV), fosforyn arylu (wtórny przeciwutleniacz) lub oba.
Francuscy naukowcy wykorzystali typowe krzemowe ogniwa słoneczne laminowane z użyciem różnych, dostępnych na rynku polimerów hermetyzujących i poddali je testom starzenia w przyspieszonych warunkach sztucznego światła UV [Pinochet N., et al., Prog. Photovolt. Res. Appl., 2023, 31, 1091–1100]. Aby podkreślić rolę absorberów UV w różnych matrycach polimerowych, wykorzystano kontrolę wzrokową, pomiary fluorescencji i charakterystyki I-V w warunkach STC. Ogniwa i wybrane polimery laminowano w układzie szkło-szkło. Do hermetyzacji użyto dwóch rodzajów kopolimerów etylenu i octanu winylu (EVA), oraz trzech termoplastycznych elastomerów olefinowych (TPO). Polimery oznaczone jako EVAUV, TPOA-UV i TPOB-UV zawierają absorbery UV. Moduły starzono w komorze środowiskowej przez 4200 godzin naświetlając je diodami UV LED w celu zbadania wpływu samego światła UVB (280–320 nm) i UVA (320–400 nm) na zjawisko przebarwienia.
Po badaniach starzeniowych moduły wykazują żółknięcie o różnym poziomie intensywności. Dokładna kontrola wizualna, umożliwiła mapowanie występowania zażółknięć. Najbardziej dotknięty jest moduł hermetyzowany polimerem EVA-UV, który odbarwił się na brązowy kolor. Polimer TPOB-UV również wykazuje niewielkie przebarwienia, a żółknięcie TPOA-UV prawie nie jest zauważalne gołym okiem. Przebarwienia zlokalizowane były w przedniej części modułu pokrywając ogniwo oraz część tasiemek łączących, natomiast nieobecne w obszarze krawędzi ogniwa i szczelin pomiędzy taśmami zbierającymi ładunek a ogniwem. Żaden z modułów hermetyzowanych w polimerach bez dodatków pochłaniaczy UV nie wykazywał oznak przebarwień.
Jak już wspomniano, żółknięcie modułu to także poważny problem związany z wydajnością, która jest monitorowana poprzez okresowe testy błyskawiczne. Przed starzeniem moc maksymalna (Pmax) modułów bez absorberów UV jest nieco większa (około 1%) niż modułów z tą samą matrycą i absorberami UV. Różnica ta wynika z wyższego prądu zwarciowego (ISC) dzięki udziałowi fotonów UV w fotogeneracji w ogniwie. Początkowa rozbieżność pomiędzy modułami z i bez absorberów UV szybko się zmniejsza, a wartości Pmax modułów z tymi samymi matrycami hermetyzującymi są podobne już po 300 godzinach. Po tej wstępnej stabilizacji moc maksymalna wszystkich modułów maleje w tym samym tempie aż do 1500 godziny starzenia. Po 1500 godzinach moc modułu z EVA-UV spada znacznie szybciej niż pozostałych. Co więcej, jeśli porównamy tę samą matrycę z absorberami UV i bez nich, straty Pmax modułów TPOA-UV są nieco większe niż straty modułów TPOA. Różnica ta jest jeszcze bardziej wyraźna w przypadku modułów EVA-UV i EVA, a Pmax modułów TPOB-UV po wstępnej stabilizacji wykazuje podobny trend jak modułów EVA-UV. Straty te nie są związane ze zmianą napięcia obwodu otwartego (VOC). Żaden moduł, z lub bez absorberów UV, nie wykazuje utraty Voc po 4200 godzinach starzenia. Niezmienność VOC oznacza, że straty mocy pochodzą z degradacji ISC lub FF. Wartości ISC maleją dla wszystkich modułów. Z jednej strony, po 1500 godzinach moduły bez pochłaniaczy UV (EVA i TPOA) zachowują swoje aktualne wartości przy stracie ISC wynoszącej 3,3%. Z drugiej strony moduły z absorberami promieniowania UV (EVA-UV, TPOA-UV i TPOB-UV) wykazują ciągły spadek wartości ISC, który w przypadku EVA-UV sięga nawet 7,5%. Długoterminowa redukcja prądu zwarciowego jest powiązana z żółknięciem modułów po zastosowaniu polimerów z absorberami promieni UV, a tym samym zmniejszoną transmisją światła niebieskiego, co pogarsza fotogenerację w ogniwie.
Aby zbadać lokalizację przestrzenną obserwowanego zażółcenia modułów po starzeniu UV, przeprowadzono pomiary fluorescencji przy wzbudzeniu 510 nm. Przednie strony modułów z absorberami UV wykazują emisję fluorescencji o większym natężeniu w sąsiedztwie metalizacji, natomiast tylne strony tych modułów pozostają czarne. Pozostałe moduły nie wykazują oznak fluorescencji po starzeniu. Porównanie obrazu modułu i zdjęcia fluorescencyjnego ujawnia podobną lokalizację zażółknięć i fluorescencji, co oznacza, że widzialne chromofory i fluorofory należą do tego samego gatunku.
Moduły z polimerem TPOB-UV zostały również poddane starzeniu pod wpływem diod LED UV z emisją o długości około 365 oraz 305 nm, dla których widma emisji są znacznie węższe niż w przypadku lampy AM 1,5G lub lampy ksenonowej. W związku z tym specyficzną rolę promieniowania UV w żółknięciu bada się na polimerze, w przypadku którego udowodniono, że podczas testów przyspieszonego starzenia pod wpływem światła słonecznego mogą wystąpić odbarwienia. Na postarzanych modułach można zauważyć lekką fluorescencję odpowiednio po 1000 i 1300 godzinach przyspieszonego starzenia. Długi czas naświetlania (1000 h) przy naświetlaniu UVA LED (365 nm) wydaje się indukować większą emisję fluorescencji niż 1300 h przy naświetlaniu UVB LED (305 nm).
Chociaż pochłaniacze UV mają tendencję do degradacji z biegiem czasu i pogarszają wydajność modułów fotowoltaicznych nadal można uzasadniać ich zastosowanie w hermetyzacji ogniw wrażliwych na promieniowanie UV np. ogniw perowskitowych. Naukowcy podkreślają, że próbki, które uległy odbarwieniu, poddano przyspieszonemu starzeniu w wyniku laboratoryjnej ekspozycji na wysoką temperaturę i promieniowanie przez okres krótszy niż 6 miesięcy. W warunkach zewnętrznych żółknięcie nie nastąpi tak szybko. Nie określono jeszcze współczynnika przyspieszenia, który umożliwiłby wiarygodną ekstrapolację rzeczywistego tempa degradacji modułów zewnętrznych.