SolPol-3 Solar-electrical Systems based on Polymeric Materials: Novel Polymeric Encapsulation Materials for PV Modules

Ergebnisse

Folgende Ergebnisse wurden in den einzelnen Projektphasen (Projektjahr 1, Projektjahr 2 und Projektjahr 3) des insgesamt 3,5-jährigen Projektes (inkl. 6-monatiger Projektverlängerung), sowohl auf die Gesamtzielsetzungen von SolPol-3 als auch auf die Zielsetzungen der einzelnen Arbeitspakete bezogen, erzielt.

Ergebnisse im Projektjahr 1:

Gesamtprojektmäßig gesehen wurden folgende wesentlichen Ergebnisse samt Schlussfolgerungen erzielt:

• Dem Arbeitsplan entsprechend lag der Fokus der Tätigkeiten im Jahr 1 bei den Arbeitspaketen WP-01, WP-02 und WP-03. In diesen Arbeitspaketen wurden geeignete Prüfmethoden identifiziert, teilweise entwickelt und implementiert und für die umfassende Charakterisierung von PV-Polymermaterialien eingesetzt. Damit wurden wesentliche Grundvoraussetzungen für die Forschungsarbeiten der Jahre 2 und 3 geschaffen.
• Für die weiteren Entwicklungen von besonderer Bedeutung waren die sehr positiven Zwischen­ergebnisse an Polyolefin- und Polystyrol-Materialien sowohl für die Einbettung als auch für Rück­seitenfolien. Die in diesem Zusammenhang wichtigen und kritischen TRL 3-Bewertungen waren daher positiv. Dies hat nicht zuletzt auch dazu geführt, dass das Partnerunternehmen Borealis auch für die restliche Laufzeit an SolPol-3 mitwirkte und im Konsortium verblieb.

Zwei Highlights der Ergebnisse aus dem Projektjahr 1 sind nachfolgend detailliert beschrieben:

1. 1.   Implementierung eines Methodenspektrums zur Charakterisierung von polymeren PV-Einkapselungsmaterialien und Erstellung eines umfangreichen Datenkatalogs für kommerzielle und potenzielle PV-Einkapselungsmaterialien

Ein zentrales Problem der Photovoltaik aus polymerwissenschaftlicher Sicht ist die mangelnde Verfügbarkeit und Vergleichbarkeit von physikalischen und physikalisch/chemischen Kenndaten zu in der Photovoltaik genutzten Polymerwerkstoffen und -halbzeugen. Dies liegt einerseits am (teilweise) mangelnden Verständnis für Polymerwerkstoffe in der Photovoltaik-Industrie, andererseits am Fehlen von präzise und quantitativ definierten Leistungsanforderungen auf Werkstoff- und Halbzeugebene sowie der zugehörigen Prüfmethoden samt Prüfbedingungen.

In WP-01 wurde zunächst ein aussagekräftiges Methodenspektrum zur gezielten und systematischen Charakterisierung von Polymerwerkstoffen für die Photovoltaik (Einbettung, Front- und Rückseitenmaterialien) definiert und implementiert, das folgende Methoden umfasst:

Basischarakterisierung:

• IR-Spektroskopie (IR), Differentialthermoanalyse (DTA, DSC) und dynamisch-mechanische Analyse (DMA); werkstoffliche Analyse und Bestimmung thermischer Übergänge,
• UV/VIS/NIR-Spektroskopie (UV/VIS/NIR); solare Transmission und Reflexion,
• Zugversuch (ZV); Bestimmung mechanischer Eigenschaften.

Werkstoffliche und morphologische Analyse

• Hochauflösende IR- und Raman-Mikroskopie (für organische Komponenten)
• Raman-Mikroskopie und Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenstrahl­analyse (für anorganische Komponenten)
• Hochdruck-Flüssigchromatographie und Methodenkopplungen (für die Stabilisatoranalytik)

Kontaktlose Bestimmung von Alterungsindikatoren:

• Fluoreszenzspektrometrie
• Gekoppelte Ramanspektroskopie und dynamische Differenzkalorimetrie (DSC)

In Interaktion der Arbeitspakete WP-01 (Prüfmethoden) mit den Arbeitspaketen WP-02 (Einbettungsmaterialien) und WP-03 (Front- und Rückseitenmaterialien) wurden im ersten Projektjahr insgesamt 47 unterschiedliche (kommerzielle und potenzielle) Polymere/Polymerformu­lierungen/Halbzeugzustände für die PV-Einbettung und insgesamt 30 unterschiedliche (kommerzielle und potenzielle) Polymere/Polymerformulierungen/Halbzeugzustände für PV-Front- und Rückseiten untersucht. Die Auswahl der kommerziell bereits eingesetzten und verfügbaren Folien-Halbzeuge (ein- und mehrlagig) erfolgte systematisch und umfassend nach Polymerklassen und beinhaltete Einbettungsmaterialien (EVA, PVB, PUR, TPSE, Ionomer, Polyolefin), Frontseitenfolien (ETFE, FEP, ECTFE, PMMA/PP/PET) und Rückseitenfolien (TPT, FPF, AAA, APA, PET). Damit verfügt das Konsortium über den weltweit wohl umfangreichsten und einzigartig harmonisierten Datenkatalog zu derartigen Materialien. Gleichzeitig war und ist dieser Datenkatalog eine wesentliche Grund­voraussetzung für die Bewertung nachfolgender und künftiger Materialkandidaten für derartige Anwendungen, seien es kommerzielle Materialien oder Entwicklungsmaterialien.

1. 2.   Identifizierung neuartiger, potenzieller polyolefinischer Einkapselungsmaterialien beim Projektpartner Borealis

Borealis beteiligte sich am Konsortium von SolPol-3 vor allem um die technisch-wissenschaftlichen Potenziale und Adaptierungsmöglichkeiten sowie die patentrechtlichen Möglichkeiten ihrer bestehenden Polyolefintechnologie für Hochspannungs-Kabelummantelungsmaterialien auch für Photovoltaik-Anwendungen zu bewerten und bei positiver Bewertung weiter zu entwickeln. Dazu war in den Arbeitspaketen WP-02 (Einbettungsmaterialien) und WP-03 (Front- und Rückseitenmaterialien) nach 12-monatiger Laufzeit eine „kritische“ grundsätzliche Bewertung nach TRL 3 (Machbarkeitsüberprüfung) vorgesehen, von der die Weiterführung der Arbeiten auf dem Gebiet der Polyolefine sowie der weitere Verbleib von Borealis im SolPol-3 Konsortium abhing.

Als Teil von Arbeitspaket WP-02 wurde daher ein starker Fokus auf die Untersuchung und Evaluierung von Silan-vernetzenden Polyolefin-Formulierungen für den Einsatz als Einbettungsmaterial gelegt (10 der insgesamt 22 untersuchten Polymerformulierungen), mit sehr positiven Ergebnissen sowohl die Eigenschaftsprofile als auch die Verarbeitbarkeit und die Kombinierbarkeit mit EVA (Blends oder Mehrschichtfolien) betreffend. Analog wurden in Arbeitspaket WP-03 Formulierungen auf Basis von Polypropylen (PP) (Variationen von Basismaterial und Pigmentierung, unterschiedliche Blends mit anderen Polymeren; 14 der insgesamt 25 untersuchten Polymerformulierungen) für den Rückseiten­folien-Einsatz untersucht, auch hier mit sehr positiven Ergebnissen als potenzielle Kandidaten für diese Anwendung.

Die angesprochene TRL 3-Bewertung wurde bei Borealis Anfang Juni 2012 im Rahmen des internen „Entrepreneurial Projects“ durchgeführt. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse in Projektjahr 1 an den Silan-vernetzenden und nicht Silan-vernetzenden Polyolefin-Formulierungen für PV-Module und der sich daraus ableitenden überaus interessanten Marktchancen wurde die weitere Beteiligung am Projekt bestätigt.

Ergebnisse im Projektjahr 2:

Gesamtprojektmäßig gesehen wurden folgende wesentlichen Ergebnisse samt Schlussfolgerungen erzielt:

• In den Arbeitspaketen WP-01 bis WP-03 wurden geeignete Prüfmethoden implementiert, Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften abgeleitet und Polyolefin-, Polyamid- und Polyoxymethylen-basierende Werkstoffe mit vielversprechenden Eigenschaften formuliert, compoundiert, zu Muster-Folien und -Laminaten verarbeitet und grundlegend charakterisiert. Methoden für die theoretische Simulation von PV-Modulen mit Kunststoffverkapselungsmaterialien wurden zur Optimierung der Einkapselungsfolien im Projektjahr 3 aufgebaut. Bei den Folienhalbzeugen wurde besonderes Augenmerk auf die Untersuchung des Alterungsverhaltens gelegt.
• In den Arbeitspaketen WP-04 und WP-05 wurden starre, semi-flexible und flexible Mustermodule mit neuartigen Einkapselungsmaterialien entwickelt und teilweise sehr positiv beurteilt. Ausgewählte Modulaufbauten wurden außerhalb von SolPol-3 weiteroptimiert und im Hinblick auf die kommerzielle Umsetzung untersucht. Bei den semi-flexiblen Modulen erwies sich eine neuartige organisch-anorganische Hybridfolie im Hinblick auf die Prozessierbarkeit und die Funktions­tauglichkeit als sehr vielversprechend.

Zwei Highlights der Ergebnisse aus dem Projektjahr 2 sind nachfolgend detailliert beschrieben:

1.  Modellierungs- und Simulationsmethoden zur Optimierung von Einkapselungsmaterialien für Photovoltaik-Module

Während zur Optimierung von Solarzellen eine Reihe von Simulationsmethoden entwickelt und implementiert wurde, standen zu Beginn des Projekts für die Bestimmung der Anforderungsprofile an Einkapselungsmaterialien für PV-Module kaum Simulationswerkzeuge zur Verfügung. Die Bestimmung der erforderlichen Eigenschaftsprofile für Einkapselungsmaterialien erfolgte daher weitgehend über empirische Ansätze durch experimentelle Charakterisierung kommerziell verwendeter Einbettungs-, Frontseiten- und Rückseitenfolien. Die experimentell-empirische Herangehensweise ergab allerdings weite Spannen für die erforderlichen Eigenschaften, die keine systematische Optimierung und Sensitivitätsanalyse der unterschiedlichen Einflussfaktoren erlaubten. Das im Projektjahr 1 in WP-01 definierte und implementierte aussagekräftige Methodenspektrum zur gezielten und systematischen Charakterisierung von Polymerwerkstoffen für die Photovoltaik (Einbettung, Front- und Rückseitenmaterialien), wurde im Projektjahr 2 auf eine Vielzahl kommerziell eingesetzter Einkapselungsmaterialien angewendet. Die abgeleiteten Eigenschaftsanforderungen (Grenzwerte) wurden dann zur technisch-wissenschaftlichen Bewertung und Auswahl der in WP-02 und WP-03 entwickelten Materialien verwendet.

Die Entwicklung grundlegender Charakterisierungs- und Simulationsmethoden betreffend, lag in Projektjahr 2 der Schwerpunkt bei der Implementierung von Modellierungs- und Simulationsmethoden zur Optimierung von Einkapselungsmaterialien für Photovoltaik-Module. Dazu wurde ein ein­dimensionales Simulationsprogramm zur Lösung der Wärmeleitungsgleichung in PV-Zellen weiterentwickelt und adaptiert. Das erweiterte Programm nutzt beispielsweise Ergebnisse aus extensiven CFD-Simulationen zur Berechnung der Windkühlung des Moduls. Zudem bietet sich die Möglichkeit den Strahlungsverlauf über Tageszeit und Breitengrad zu variieren und so unterschiedliche weltweite Einsatzgebiete zu simulieren. Das Simulationsprogramm wurde signifikant durch strahlungstechnische Kennwerte und Parameter erweitert. So ist es nun möglich die materialabhängigen Absorptionskoeffizienten und Brechungsindizes quantitativ zu erfassen. Durch die Absorption in den Einkapselungsmaterialien kommt es zu einer ortsabhängigen Energiedissipation und Temperatur­erhöhung im Modul, die wesentlich von den wärmetechnischen Kennwerten Wärmeleitung, Wärme­kapazität und Wärmestrahlungsabsorption abhängig ist.

Das implementierte Simulationsprogramm wurde für eine systematische Parametervariation an einem Referenzmodul (starres PV-Modul mit Glas/Rückseitenfolie-Aufbau) angewendet. Dabei wurden in einem ersten Schritt die Inputparameter Lichtabsorptionskoeffizient und Wärmeleitung des Einbettungs­materiales in weiten Bereichen variiert und die Effekte auf die absolute Leistung des Referenzmoduls untersucht. Die Variationsrechnungen zeigten, dass die Erhöhung der für Kunststoffe üblichen Wärmeleitfähigkeitswerte von etwa 0,2 W/(mK) um den Faktor 2 zu einer Leistungssteigerung des Moduls von etwa 0,07% führt.

2.  Neuartige Olefin-basierende Polymerwerkstoffe für die Einbettung von Solarzellen und für Rückseitenfolien

Ein zentrales Problem der Photovoltaik ist die Verfügbarkeit von großserien- und massenfertigungstauglichen Technologien für die Modulherstellung. Dreh- und Angelpunkt sind kosteneffiziente Einkapselungsmaterialien, die mit kontinuierlichen Verfahren hergestellt und mit kurzen Zykluszeiten verarbeitbar sind. In WP-02 und WP-03 wurden in den Projektjahren 1 und 2 eine Vielzahl von Werkstoffformulierungen erstellt, Compounds und Folienhalbzeuge gefertigt und in Wechselwirkung mit den Modularbeitspaketen WP-04 und WP-05 zu Musterlaminaten und Kleinmodulen verarbeitet. Den Aufbau und die chemische Struktur der Werkstoffe betreffend wurde stringent auf eine möglichst kosteneffiziente Rohstoffbasis geachtet. Neben technischen Kunststoffen auf Basis von halogenfreien CHO- und CHON-Polymeren wurden vorrangig neuartige Kohlenwasserstoff(CH)-basierende Polymer­werkstoffe entwickelt, Legierungen und Blends hergestellt und untersucht. Durch systematischen Abgleich mit den in WP-01 erstellten Leistungsanforderungen und daraus abgeleiteten erforderlichen Eigenschaftsprofilen wurde eine kontinuierliche Bewertung, Selektion und Optimierung der Werkstoffe vorgenommen. Nach Projektjahr 2 kristallisierten sich folgende Werkstoffe und Halbzeuge auf Basis von Olefinen als besonders vielversprechend für die Einbettung von Solarzellen und für Rückseitenfolien heraus:

• Silan-vernetzende polare Polyolefin-Formulierungen als Einbettungsmaterialien
• Polare Polyolefin-Einbettungsmaterialien mit funktionalen ionisierten Gruppen (Ionomere)
• Extrudierte Rückseitenfolien auf Basis von Polyolefin-Formulierungen (Copolymere und Blends) mit Oberflächenfunktionalisierung (Primer)
• Extrudierte Rückseiten- und Einbettungsfolien auf Basis von olefin-modifizierten Polyamiden
• In-line-laminierte Hybridrückseitenfolie auf mit Einbettungsschicht und Witterungsschutzschicht.

Ergebnisse im Projektjahr 3:

Gesamtprojektmäßig gesehen wurden folgende wesentlichen Ergebnisse samt Schlussfolgerungen erzielt:

• Mit den im Arbeitspaket WP-01 entwickelten Prüf- und Charakterisierungsmethoden wurden in WP-02 und WP-03 die neuartigen Einbettungsmaterialien und Rückseitenfolien weiter optimiert, wobei besonderes Augenmerk auf die Prozessierbarkeit und das Alterungsverhalten gelegt wurde. Für die neuartigen Einbettungsfolien auf Basis von polaren Polyolefin-Formulierungen wurde im Vergleich zu EVA eine deutlich bessere Langzeitbeständigkeit und geringere Vergilbung nach Damp Heat- und UV-Alterung nachgewiesen. Von den untersuchten Rückseitenfolien auf Basis von Polyolefin-Blends, POM, PA-Blends und einer Hybridfolie zeigten die PA-Blend-Folien und das Hybridlaminat die beste Performance unter praxisrelevanten Einsatzbedingungen. Sowohl die neuartigen Einbet­tungsmaterialien als auch die PA-Blend- und Hybrid-Rückseitenfolie wurden bezüglich der kommerziellen Umsetzbarkeit sehr positiv bewertet.
• In Arbeitspaket WP-04 wurden die neuartigen Einkapselungsfolien aus WP-02 und WP-03 für die Herstellung von starren PV-Mustermodulen verwendet und mit ausgewählten Methoden für die Zulassungsprüfung charakterisiert. Bezüglich der Prozessierbarkeit war feststellbar, dass die neuartigen Einbettungsfolien geringfügig höhere Laminationstemperaturen erfordern, wobei durch die physikalische Vernetzung eine deutliche Verkürzung der Laminationszeit möglich ist (Faktor 1,5 bis 2,0). Bezüglich des Alterungsverhaltens der PV-Module wurde ein vergleichbares Ranking der Rückseitenfolien wie auf Halbzeugebene erhalten. In Arbeitspaket WP-05 wurde besonderes Augenmerk auf die Entwicklung von flexiblen Modulen mit CIGS-Solarzelle gelegt. Die besten Ergebnisse in Bezug auf Haftung, Schrumpfung und Verarbeitbarkeit wurden für Laminate mit CIGS-Solarzellen auf Polyimidsubstrat und Ionomer-Einkapselung erzielt. Flexible CIGS-Zellen auf Metallfolie waren ohne Rückseitenfolie nicht defektfrei laminierbar.

Zwei Highlights der Ergebnisse aus dem Projektjahr 3 sind nachfolgend detailliert beschrieben:

1.  Kontaktlose Charakterisierung des Alterungsverhaltens von PV-Einkapselungsmaterialien

Im grundlegenden Arbeitspaket WP-01 lag ein Schwerpunkt bei der Entwicklung von neuartigen Methoden für die Charakterisierung von Einkapselungsmaterialien. In einer wissenschaftlichen Kooperation mit der Humboldt-Universität Berlin (HUB), Institut für Photobiophysik (Dissertation Jan Schlothauer) wurden neuartige nicht-invasive Lumineszenz-Messmethoden, thermoanalytische Ver­fahren, Infrarot-Spektroskopie und gekoppelte chromatographische Methoden implementiert und verwendet um das Alterungsverhalten von EVA-Einkapselungsmaterialien in PV-Minimodulen mit Si-Solarzelle zu beschreiben. Mit den unterschiedlichen Methoden wurden nach Heißluft-, Damp Heat- und UV-Alterung sensitive Indikatoren bestimmt, systematisch gegenübergestellt und Korrelationen herausgearbeitet. Die Ergebnisse werden in einem Peer-Review Journal veröffentlicht.

In Übereinstimmung mit der ortsabhängigen Verteilung der Lumineszenzintensitäten ergaben sich auch bei dynamisch-mechanischer Analyse im Schermodus Veränderungen im Speichermodul und in der Verlustzahl oberhalb der Schmelztemperatur. Als wissenschaftliches Highlight wurde erstmals gezeigt, dass die Lumineszenz­intensität mit Schmelze-rheologischen Kennwerten, die von der makromolekularen Struktur des weitmaschig vernetzten EVAs bestimmt werden, korrelieren. Bisher wurde vermutet, dass die Lumineszenz vornehmlich durch strukturelle Veränderungen der Stabilisatoren bestimmt wird. Um diese Hypothese zu überprüfen wurde an ausgewählten Proben auch der Gehalt an HALS und UV-Absorbern gemessen. Die Korrelation zwischen HALS-Gehalt und Lumineszenzintensität war deutlich schwächer ausgeprägt. Durch die Arbeit wurde ein signifikanter Fortschritt im Verständnis der Abbaumechanismen in EVA-Einkapselungsmaterialien erzielt.

2.  Neuartige starre PV-Module mit physikalischer Einbettung und Hybridrückseitenfolie

Konventionelle Glas/Folie-PV-Module sind asymmetrische Laminate, bei denen die Solarzelle nicht in der neutralen Faser liegt und daher bei Biegebelastungen Zug/Druck-Wechselspannungen ausgesetzt sind. Dies kann eine mechanische Schädigung der spröden Solarzelle (Mikrorisse) und damit einhergehend Leistungseinbußen bedingen. Deutliche Verbesserungen wären durch symmetrischere Aufbauten und vergleichbare Ausdehnungskoeffizienten der Einkapselung auf Vorder- und Rückseite möglich. Zur Lösung dieses Problems wurde in SolPol-3 eine neuartige Hybridrückseitenfolie entwickelt, die sich durch hohe Steifigkeits- und Festigkeitswerte, geringere temperaturabhängige Ausdehnungs­koeffizienten und eine Hochbarrierewirkung auszeichnet. Für die Lamination wurden physikalisch-vernetzende Polyolefin-Formulierungen erarbeitet, die bei besseren Gebrauchseigenschaften auch eine signifikante Reduktion der Prozesszeiten erlaubt.

Mit diesen Einkapselungsmaterialien wurden neuartige starre PV-Mustermodule realisiert, die letztlich auch upgescalt wurden und für die eine ausgezeichnete Gesamtperformance nachgewiesen wurde. In weiterführenden Arbeiten wird die Behebung und Lösung identifizierter Defizite (Isolationseigenschaften, Laminationstemperatur und Benetzung der Zellkomponenten) angestrebt, sodass als Voraussetzung für die kommerzielle Umsetzung die Bauartzulassung erreicht wird. Die neuartigen Rückseitenlaminate bieten auch hohes Potenzial für dünnere Module mit reduzierter Frontglasdicke.

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• SolPol-3-Publizierbarer-Endbericht.pdf