Rissbildung auf der Photovoltaik-Rückwandplatine in der Materialversagensanalyse

Ich glaube, Photovoltaikprodukte sind mittlerweile allgemein bekannt. Sie finden Anwendung in Freiflächen-Photovoltaikanlagen, gebäudeintegrierter Photovoltaik (BIPV), Solarautobahnen, energiesparenden Fahrzeugen usw. Es ist davon auszugehen, dass die Anwendung von Photovoltaik in naher Zukunft noch weiter zunehmen wird.

Photovoltaikmodule sind die Kernkomponenten von Solarenergieanlagen. Ihre Lebensdauer hängt zwar vom Laminierungsprozess ab, ist aber auch von den verwendeten Rohstoffen abhängig, insbesondere von der Rückseitenfolie. Als äußerste Schicht des Moduls steht diese in direktem Kontakt mit der Umgebung und muss Wind, Regen, Witterungseinflüssen, Korrosion und Verschmutzung standhalten. Sie bildet außerdem eine Verbindung zum internen Verpackungsmaterial, um Leckagen nach außen und das Eindringen von Wasserdampf nach innen zu verhindern.

Photovoltaik-Rückseitenfolien bestehen aus Polymermaterialien. Einige dieser Folien weisen bereits nach einer gewissen Nutzungsdauer deutliche Qualitätsmängel auf, die sogar zum Ausfall von Modulen führen können. Eines der gravierendsten Probleme aktueller Photovoltaik-Rückseitenfolien ist deren Rissbildung. Untersuchungen ergaben, dass dieses Problem hauptsächlich bei 3A-Rückseitenfolien auftritt. Photovoltaik-Kraftwerke mit 3A-Rückseitenfolien weisen bereits nach einem Jahr eine große Anzahl von Mikrorissen auf deren Oberfläche auf. Nach vier Betriebsjahren übersteigt die Rissrate 40 %. Um das Jahr 2016 waren weltweit mehrere Photovoltaik-Kraftwerke im Gigawattbereich betroffen, darunter auch westliche und ausländische Anlagen, was die Investitionsrendite dieser Kraftwerke erheblich beeinträchtigte.

Als Reaktion auf das Problem der Rissbildung auf der Rückseite wählten Forscher weltweit Bauteile aus, die nach drei bis sechs Jahren Nutzung Risse aufwiesen, und unterzogen diese einer Reihe chemischer und mechanischer Tests. Dabei zeigte sich, dass die anfälligsten Stellen auf der Innenseite der Rückseitenfolie lagen, nicht in den äußeren, der Luft ausgesetzten Schichten. Zudem wurde festgestellt, dass die meisten Risse zwischen den Zellen auftraten.

Bei der Nutzung von Photovoltaikmodulen unterliegt das Verpackungsmaterial EVA (Ethylenvinylacetat) unter dem Einfluss von Wasserdampf (die Photovoltaik-Rückwandfolie weist eine gewisse Wasserdurchlässigkeit auf) und Sonnenlicht (einschließlich UV-Licht) bei einer bestimmten Temperatur einer Hydrolysereaktion. Dabei entsteht Essigsäure, deren Einwirkung auf das Rückseitenmaterial zu dessen Zersetzung und Rissbildung führt. Das EVA-Verpackungsmaterial auf der Rückseite der Batterie hydrolysiert aufgrund der geringeren Lichteinwirkung weniger stark als das EVA in den Zwischenräumen der Batterie. Kurz gesagt, die Hauptursache für die Rissbildung auf der Rückseite ist die Hydrolyse von EVA unter Bildung von Essigsäure, während die Risse in den Zwischenräumen aufgrund der stärkeren Lichteinwirkung auf das EVA dort ausgeprägter sind.

Aus den obigen Analyseergebnissen geht hervor, dass die für die EVA-Hydrolyse erforderlichen Bedingungen Licht, Wasserdampf und Temperatur sind. Die gängigen Prüfnormen für Photovoltaikprodukte, IEC 61215 und IEC 61730, beinhalten lediglich separate UV-Alterungstests und separate Tests unter hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit (DH-Tests). Die Auswirkungen der EVA-Hydrolyse auf die Gesamtlebensdauer von Bauteilen können somit nicht simuliert werden. Eine UV+DH-Kombinations-Alterungskammer ermöglicht die effektive Überprüfung der Alterungsbeständigkeit von Bauteilmaterialien (einschließlich der Rückplatte) unter komplexen Testbedingungen.

Die UV+DH-Kombinations-Alterungskammer kombiniert zwei unabhängige Alterungstests (UV+DH) und ermöglicht so die gleichzeitige Durchführung von UV+DH-Tests unter hohen Temperaturen und hoher Luftfeuchtigkeit. Sie eignet sich für die Witterungsbeständigkeitsprüfung von Photovoltaik-Steckverbindern, Photovoltaik-Rückwandplatinen und Photovoltaikmodulen (kleiner Baugröße).

Gemäß den Prüfnormen und Prüferfahrungen mit Komponentenmaterialien empfiehlt Huayang Testing die folgenden Prüfparameter für den Alterungstest des Verbundwerkstoffs:

Der oben genannte Test ermöglicht die schnelle Beurteilung der Qualität von Bauteilen und Materialien und stellt eine effiziente Screening-Methode dar. Huayang Testing verwendet die DH+UV-Komposit-Alterungskammer, um für Kunden UV-Hochtemperatur- und Hochfeuchtigkeitstests an Steckverbindermaterialien durchzuführen (siehe Abbildung unten; Einstellparameter: Temperatur 85 °C, relative Luftfeuchtigkeit 85 %, Strahlung 120 kWh/m², Testdauer 1000 h).

Inzwischen schenken immer mehr Materialhersteller der Prüfung von Verbundwerkstoffen Beachtung und führen entsprechende Tests durch. Es wird davon ausgegangen, dass die Alterungsprüfung von Verbundwerkstoffen in naher Zukunft zu den Standardprüfverfahren gehören wird.