UPDATE – Enea sta testando incapsulanti altamente trasparenti ai raggi UV

Un gruppo di ricerca dell’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile (Enea) ha eseguito test di invecchiamento UV accelerato su due tipi di incapsulanti, uno realizzato in poliolefine elastomeriche (POE) e l’altro in poliolefine termoplastiche (TPO), per confrontare le prestazioni con quelle degli incapsulanti convenzionali in etilene vinil acetato (EVA).

“Le analisi hanno evidenziato differenze marcate nella perdita di corrente di cortocircuito, ossia la massima corrente che il pannello può erogare quando è completamente esposto alla luce”, spiega Valeria Fiandra, ricercatrice Enea e coautrice dello studio. “Ad esempio il dispositivo realizzato con il materiale ‘standard’ EVA (etilene vinil acetato) ha mostrato una perdita dell’1,4%, segnalando una degradazione più marcata rispetto a quello incapsulato con la POE (poliolefina elastomerica), che ha registrato una perdita leggermente inferiore, pari all’1,1%”.

Il risultato più promettente è stato ottenuto dalla TPO (poliolefina termoplastica), che ha evidenziato un degrado minimo (0,2%), confermandosi il più resistente all’esposizione ai raggi UV tra i tre materiali testati.

“Gli incapsulanti altamente trasparenti ai raggi UV consentono di sfruttare l’intera gamma di lunghezze d’onda della luce solare. Il loro utilizzo nella fabbricazione di un modulo fotovoltaico è quindi particolarmente utile per aumentare l’efficienza di conversione energetica. Tuttavia, la formulazione di un incapsulante che sia trasparente ai raggi UV e allo stesso tempo chimicamente resistente al degrado è particolarmente impegnativa e complessa”, ha dichiarato a febbraio Fiandra a pv magazine.

Il team ha eseguito un’analisi iniziale della struttura chimica degli incapsulanti fotovoltaici. Ha osservato che l’analisi mediante spettroscopia infrarossa con trasformata di Fourier (FTIR) ha rivelato che il POE, denominato POE-8110, era un copolimero elastomerico di etilene e propilene e che il TPO era un polimero cristallino a catena laterale: poli(etilene-co-ottadecil acrilato).

Per verificare il comportamento in una configurazione modulare realistica, il team ha fabbricato dispositivi in silicio cristallino (c-Si) delle dimensioni di 30 cm × 30 cm. La composizione dei mini-moduli era la seguente: vetro sul lato anteriore, celle c-Si tagliate a metà, pellicola in PET sul lato posteriore, più uno dei tre incapsulanti oggetto di studio, applicati secondo le istruzioni del produttore.

I test di invecchiamento UV hanno raggiunto 6.000 ore di irradiazione e 1.800 kWh/m2 di dose UV per rivelare gli effetti di degrado sui vari materiali, secondo quanto riportato nell’articolo. Il team ha esaminato in che modo i raggi UV influenzano la perdita di prestazioni elettriche e in che misura. I risultati sono stati confrontati con le prestazioni dell’EVA standard, denominato EVA-05HTL.

La caratterizzazione è stata effettuata mediante diffrazione dei raggi X e sono stati registrati gli spettri Raman. I campioni sono stati misurati in modalità di trasmittanza. Sono state inoltre effettuate misurazioni dell’indice di giallume (XI) con ciascun campione misurato in triplicato. È stato monitorato l’indice di carbonile (CI) ed è stata completata un’analisi al microscopio elettronico a scansione (SEM).

“Durante l’invecchiamento, tutti gli incapsulanti subiscono una degradazione chimica, evidenziata dall’ingiallimento, dalla rottura dei legami polimerici e dalla formazione di prodotti di ossidazione contenenti gruppi carbonilici”, ha osservato il team, aggiungendo che il TPO è il “polimero chimicamente più stabile”, come dimostrato dall’analisi FTIR e Raman e dalla variazione trascurabile del suo indice di giallume (YI).

Il team ha scoperto che il degrado più significativo è stato rilevato per il mini-dispositivo realizzato con EVA-05HTL. “Questo risultato è dovuto alla presenza del gruppo acetato nella molecola di EVA, assente in POE e TPO, che porta alla produzione di acido acetico e determina sia la corrosione dei metalli che la propagazione del degrado”.

Inoltre, secondo il gruppo, il POE e il TPO hanno mantenuto prestazioni migliori rispetto all’EVA, “non solo perché non producono acido acetico, ma anche perché sono termicamente più stabili”.

Ha inoltre osservato che la quantità di radiazione UV e la temperatura svolgono “un’azione sinergica nel causare il degrado dei moduli fotovoltaici e hanno influenze diverse sull’integrità strutturale” dei polimeri utilizzati per l’incapsulamento.

“I nostri risultati sulle variazioni delle caratteristiche ottiche, chimiche e strutturali dei materiali e sulle prestazioni elettriche dei mini-dispositivi hanno dimostrato che il mini-dispositivo realizzato con il film TPO presenta una maggiore stabilità nel comportamento a lungo termine rispetto al POE e all’EVA”, ha detto Fiandra.

Attualmente sono in corso ulteriori ricerche per valutare la permeabilità all’umidità nei mini-dispositivi realizzati con i nuovi incapsulanti, insieme agli effetti di degrado sull’affidabilità e la durata. Secondo Fiandra, i ricercatori stanno anche lavorando per migliorare l’efficienza dei moduli fotovoltaici utilizzando incapsulanti funzionalizzati con proprietà di downshifting della luce.

La ricerca è stata descritta in dettaglio nell’articolo “New high UV transparency PV encapsulants: Properties and degradation after accelerated UV aging tests”, pubblicato da Polymer Degradation and Stability.

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