PV Polymer PV Polymer – Methoden u. Untersuchungen z. werkstoffgerechten Entwicklung und Charakterisierung von Polymeren f. PV Module
Die PV Industrie hat in den letzten Jahren ein außerordentlich starkes Wachstum erfahren. Wenn dieses rasante Wachstum fortgesetzt werden soll, sind zur Erschließung neuer Märkte und Anwendungsbereiche umfangreiche Forschungs- und Technologieentwicklungsaktivitäten erforderlich. Um in Zukunft die Netzparität zu erreichen und damit signifikante Beiträge zum Gesamtstrombedarf beizutragen, ist vor allem eine beträchtliche Kostenreduktion anzustreben. Diese Kostenreduktion lässt sich nicht nur durch verstärkte Massenproduktion und Scale-Up Effekte erreichen, sondern vor allem auch durch Verringerung der Kosten der PV Modul Einkapselung. Im Rahmen des Projektes „PV Polymer“ sollen grundlegende Methoden und Untersuchungen zur werkstoffgerechten Entwicklung und Charakterisierung von polymeren Einkapselungsmaterialien ermittelt werden. Ein Ziel des Projekt ist es, ein umfassendes Verständnis der Materialeigenschaften von polymeren Einkapselungsmaterialien während dem PV Modulfertigungsprozess zu gewinnen und damit die Grundlage einer werkstoffgerechten Optimierung des PV Modulherstellungsprozesses zu schaffen. Ein weiteres wesentliches Ziel ist die Entwicklung und Implementierung von Methoden zum Screening und zur Qualifizierung neuer Materialien für die PV Moduleinkapselung. Schließlich soll das Langzeitverhalten neuartiger PV Einkapselungsmaterialien untersucht werden. Um diese Ziele zu erreichen, wird zuerst eine intensive Literatur und Marktrecherche über polymere PV Einkapselungsmaterialien, ihre Eigenschaftsprofile, relevante Charakterisierungsmethoden und den PV Modulherstellungsprozess durchgeführt und eine Materialauswahl getroffen. Anschließend werden Methoden zur Bestimmung der wesentlichen thermischen und thermo-mechanischen Eigenschaften ausgelotet und die geeigneten Parameter und Messmodi definiert. Mit den evaluierten Methoden werden in weiterer Folge chemische und physikalische Änderungen in ausgewählten Einkapselungsmaterialien, die während der Modulherstellung auftreten, charakterisiert und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermittelt. Anhand dieser Struktur-Eigenschaftsbeziehungen werden dann Potentiale zur Prozessoptimierung aber auch der Einfluss der physikalischen und morphologischen Veränderungen auf Modulversagensmechanismen wie Delamination oder Zellenbruch diskutiert. Für die Qualifizierung neuer PV Einkapselungsmaterialien werden zuerst Anforderungsprofile für Einbett- und Rückseitenfolien ermittelt, daraus Degradationsindikatoren bestimmt und ein Prüfprogramm erstellt. Anschließend werden ausgewählte neuartige Einkapselungsmaterialien künstlich bewittert und anhand des erstellten Prüfprogramms charakterisiert und das Alterungsverhalten beschrieben. Die ermittelten Kennwerte vor und nach der Alterung werden mit den Resultaten etablierter Einkapselungsmaterialien verglichen und die Eignung der neuen Materialien für die PV Einkapselung bewertet.
Ergebnisse
Im Zuge des Projektes wurden folgende Haupterkenntnisse gewonnen:
Für den Einsatz neuer Materialien in PV Modulen müssen Module nach der IEC Norm 61215 zertifiziert werden. Diese Norm dient vor allem einer Überprüfung der Leistung und der erforderlichen elektrischen Sicherheit über die Lebensdauer von 20 Jahren. Für die Qualifizierung neuer Materialien in Bezug auf die für Einbettmaterialien und Rückseitenfolien erforderlichen Eigenschaften sowie der Ermittlung des Alterungsverhaltens und der Lebensdauer ist diese Norm nicht geeignet. Auf Basis der Literaturrecherche und vorangegangenen Arbeiten am PCCL konnte folgendes Anforderungsprofil an Einbettungsmaterialien (s. Tabelle 2) und Rückseitenfolien (S. Tabelle 3) erstellt sowie geeignete Methoden (S. Tabelle 1) zur Bestimmung relevanter Degradationsindikatoren ausgewählt und definiert. Die Tabellen 2 und 3 zeigen das Anforderungsprofil an Einbettungsmaterialien und Rückseitenfolien.
Tabelle 2: Notwendige Spezifikation und Anforderungen an das Einbettungsmaterial.
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Thermo-mechanische Eigenschaften |
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Optische Eigenschaften |
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Beständigkeit und Alterungsverhalten |
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Verarbeitbarkeit |
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Tabelle 3: Notwendige Spezifikation und Anforderungen an das Rückseitenlaminat.
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Thermo-mechanische Eigenschaften |
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Optische Eigenschaften |
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Beständigkeit und Alterungsverhalten |
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Elektrische Eigenschaften |
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Barriere Eigenschaften |
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Verarbeitbarkeit |
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Dynamisch mechanische Analyse (DMA) ist eine ausgezeichnete Methode sowohl zur Prozessoptimierung als auch zur Wareneingangsprüfung von Einbettfolien. Die Methode ist sowohl für chemische vernetzende EVA Folien wie auch bei thermoplastischen Materialien verwendbar. So lassen sich bei Messung im Schermodus und der Wahl der richtigen Prüfparameter die thermo-mechanischen Eigenschaften über einen weiten Temperaturbereich sowohl im festen als auch im erweichten, schmelzflüssigen Zustand messen. Anhand der der Schermodul – Temperaturkurve lässt sich damit einerseits der Vernetzungsvorgang von EVA charakterisieren, andererseits den Erweichungspunkt von thermoplastischen Einbettfolien bestimmen. Der Vergleich mit der Gel-Content Analyse zeigte eine ausgezeichnete Korrelation der Ergebnisse. Basierend darauf lassen sich für jeden Werkstoff optimale Prozessparameter – Zeit-Temperatur-Druckprofil – ableiten.
Die Ergebnisse von Arbeitspaket 4 zeigten, das Zugversuche die vielseitigste Methode zur Charakterisierung von Alterungserscheinungen sind. Mittels Zugversuche können sowohl chemische als auch physikalische Alterungseffekte bestimmt werden. Zusätzlich lässt sich globaler von lokaler Alterung unterscheiden. Begleitende spektroskopische Methoden wie Infrarot- und UV/Vis/NIR Spektroskopie tragen zur besseren Aufklärung der Alterungsvorgänge bei, sind aber auf chemische Alterungsvorgänge beschränkt. Zusätzlich lässt sich aus den beobachteten Alterungsverläufen keine Korrelation zur Lebensdauer herstellen. Mittels Differenzthermokalorimetrie (DSC) und dynamisch mechanischer Analyse (DMA) lassen sich physikalische Alterungsvorgänge bestimmen. Im Laufe dieses Projektes zeigte sich aber, dass diese Methoden bei Laminaten mit dem Aufbau E-Layer (PE) – PET – Fluorpolymer nur beschränkt einsetzbar sind. Die sogenannten E-Layer bestehen in der Regel aus Polyethylen (PE) oder Polyethylen Copolymeren und dienen der besseren Haftung zwischen Rückseitenfolie und Einbettfolie. Unglücklicherweise überlagert sich der Oxidationsbereich von PE und deren Copolymeren mit dem Schmelzbereich von PET. Somit können Änderungen im Schmelzbereich der PET Lage nicht eindeutig identifiziert werden. Der Schmelzbereich dieser E-Layer liegt je nach Material zwischen 70 und 100°C. Durch die daraus folgende Erweichung können DMA Messungen nur bis zu diesem Temperaturbereich durchgeführt werden, da die Laminate beginnen aus der Einspannung zu rutschen. Dadurch lassen sich Änderungen in den thermo-mechanischen Eigenschaften der PET Mittelschichten oder der Fluorpolymerschichten nicht mehr messen.
Die Haupterkenntnis von Arbeitspaket 4 ist, dass die Probenvorbereitung einen signifikanten Einfluss auf das Alterungsverhalten von Mehrschichtlaminaten hat. Für alle untersuchten Laminate führten unterschiedliche Probekörpergeometrie und Probenvorbereitung zu unterschiedlichen mechanischen Verhalten nach der Auslagerung. So zeigte sich bei allen Proben, die erst nach dem Damp Heat Test zugeschnitten wurden, mit fortschreitender Alterungsdauer eine wesentlich schnellere Abnahme der Bruchdehnungswerte. Dieser Effekt wurde vornehmlich bei Laminaten mit einer dicken PET Mittelschicht beobachtet, nicht aber bei den co-extrudierten Folien. Der Grund hierfür ist die signifikante Hydrolyse der PET Mittelschicht, die in weiterer Folge zu einer starken Versprödung führt. Beim Schneiden der versprödeten Proben bilden sich Risse entlang der Schnittkanten, welche eine nicht mehr zu vernachlässigende Kerbwirkung haben und somit ein frühzeitiges Versagen der Proben im Zugversuch auslösen.
Nach dem Damp Heat Test konnten für die drei Kategorien in der mechanischen Prüfung unterschiedliche Alterungsvorgänge festgestellt werden. Speziell die Laminate mit PET Mittellage zeigten spezielle Effekte während der mechanischen Prüfung. So zeigten sich bei einigen Materialien bereits nach 2000h Delaminationen an den Kanten. Während der Zugprüfung führte das dann speziell bei THV zu folgenden Verhalten: Zuerst kommt es zu Delamination der einzelnen Schichten von der Kante weg, bis eine Schicht vollständig reißt. Anschließend wird die Zugprüfung bis zum Versagen des Restquerschnittes weitergeführt. In der Regel sind die so gemessenen Bruchdehnungen signifikant höher als beim Versagen des Gesamtlaminats bei früheren Alterungsstufen. Wenn diese Delaminationseffekte nicht berücksichtigt werden entsteht so der Eindruck, dass Alterungseffekte mit fortschreitender Testdauer rückgängig gemacht werden und somit scheinbar die Bewitterungsstabilität steigt.
Bei Verwendung von unterschiedlichen Probekörpergeometrien („dumb bell“, Streifen) zeigten sich klare Unterschiede im mechanischen Verhalten. Interessanterweise ergab sich für alle Laminate mit PET als Mittelage mit „dumb bell“ Probekörpern ein schnellerer Alterungsverlauf als mit Streifenproben. Zusätzlich traten bei einigen Materialien noch die bereits beschriebenen Delaminationseffekte auf, welche eine Vergleichbar der Ergebnisse zu nicht delaminierten Proben unmöglich macht. Interessanterweise zeigte sich bei einem Material eine Abhängigkeit des Auftretens dieser Delaminationseffekte von der Probekörpergeometrie. So kam es bei „dumb bell“ Prüfkörpern schon nach 250h in der Damp Heat Auslagerung bei allen getesteten Proben zu Delaminationen. Bei den Streifenproben hingegen wurden hingegen bis einschließlich 2000h keine Delamination festgestellt.
Daher lassen sich einige Empfehlungen für die Durchführung mechanischer Untersuchungen von Mehrschichtlaminaten nach beschleunigten Bewitterungstests aussprechen. Ziel dieser Empfehlungen ist es, eine Vergleichbarkeit bzw. eine Wiederholbarkeit sicherzustellen und externe Einflüsse auf das Ergebnis so weit wie möglich zu eliminieren:
- Probekörper immer vor der Auslagerung zuschneiden
- Streifenproben sind „dumb bell“ Proben vorzuziehen
- Schneiden ist genauer als Stanzen
- Geringere Kerbwirkung durch sauberere Schnittkanten
- Verstärkte Delaminationseffekte bei „dumb bell“ Geometrie
- Versagensverhalten dokumentieren
- Delaminationseffekte müssen bei Bewertung der Ergebnisse berücksichtigt werden
Die Ergebnisse von AP4 legten klar offen, das eine falsche Probenvorbereitung und die Nichtberücksichtigung dieser Faktoren zu falschen Schlüssen bezüglich der Bewitterungsstabilität von Rückseitenlaminaten führen kann. In Bezug auf die Bestrahlungstests kann aufgrund der Ergebnisse der Untersuchungen in AP4 keine Empfehlung über die Wahl der richtigen Strahlungsquelle (UV Fluoreszenzlampen oder Xenonbogenlampen) gegeben werden. Es zeigte sich, dass die Konditionen laut ISO 4892 nicht für eine Qualifizierung von PV Rückseitenfolien geeignet sind. In beiden Fällen kam es nach 3000h Alterungszeit zu wesentlich geringeren Alterungseffekten als nach dem Damp Heat Test. Für eine schnellere Qualifizierung neuer Materialien müsste der Test beschleunigt werden, klassisch nach Arrhenius durch höhere Temperaturen, aber auch durch einen höheren permanenten Feuchtigkeitsgehalt. Zu bevorzugen wäre ein Test mit UV Bestrahlung und einer geregelten Temperatur von 80°C und hoher Luftfeuchtigkeit. Leider stößt man damit an die instrumentellen Limits der Bewitterungsgeräte. Wenn man berücksichtigt, dass die Rückseitenfolien nur bei frei aufgestellten Modulen, und dann nur in Abhängigkeit der Umgebungsalbedo maximal 20% der einfallen UV Strahlung abbekommen, ist der Damp Heat Test nach wie vor der geeignetste Test für eine schnelle, erste Qualifizierung neuer Materialien und Laminate. Nichtsdestotrotz müssen Photo-oxidationseffekte auf jeden Fall untersucht werden. Es bietet sich daher an, neue Materialien und Materialkombinationen zuerst mittels Damp Heat Test nach vorher definierten Kriterien zu untersuchen und zu reihen und die kostspieligeren Bestrahlungstests erst im Anschluss an ausgewählten Proben durchzuführen.
Downloads
Steckbrief
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Projektnummer825379
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Koordinator
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ProjektleitungGernot Oreski, gernot.oreski@pccl.at
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Partner
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SchlagwörterEinkapselungsmaterialien, Photovoltaik
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FörderprogrammNeue Energien 2020
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Dauer01.2010 - 09.2012
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Budget204.667 €
