TPO - Nyt laminat til solceller

Termoplastisk polyolefin, TPO er et nyudviklet laminat til laminering af krystallinske silicium solcelle moduler, som et alternativ til ethylen-vinylacetat (EVA) laminering.

Baggrund

Efterspørgslen på solceller (PV photovoltaisk) er vokset i et hurtigt tempo på verdensplan i det sidste årti. Solcelle-modulets levetid afhænger af effektiviteten af materialet der er anvendt til at indkapsle solcellemodulet og beskytte solcellerne mod det ydre miljø. Hovedkomponenterne i det krystallinske silicium solcelle-modul er topglasset, polymerindkapsling på forsiden, solceller, polymerindkapsling på bagsiden og en polymerbagside. I solcelle-modulet er de primære funktioner af indkapslingslagene at give høj optisk kobling, mekanisk støtte, elektrisk isolering af solcellerne og cellekredsløbskomponenterne.

Laminater til solceller

EVA har været solcelle-industriens foretrukne materiale til indkapsling af solcellerne. Men adskillige undersøgelser tilbage fra slutningen af 1990'erne til i dag rapporterer, at solcelle-modulets ydeevne reduceres på grund af nedbrydningen af EVA-lamineringen. De problemer der fremkommer, er brunfarvning/gulfarvning (hvilket reducerer lyset, der når solcellerne), fugtabsorption og eddikesyredannelse (som forårsager korrosion af metallet) og delaminering og bobledannelse i EVA. 

På grund af misfarvningen reduceres transmittansen af EVA-film, hvilket i sidste ende resulterer i et fald i solcelle-modulets effekt. Forskellige andre laminattyper som silikone, ionomer, polyvinylbutyral (PVB) og polyolefinelastomerer (POE), termoplastisk polyurethan (TPU) er også kendt i industrien som alternativer til EVA, men oftest er de enten meget dyre eller har problemer med langtidsstabilitet. Desuden har de fleste af disse lamineringsmaterialer brug for en cocktail af kemikalier som flere stabilisatorer, additiver, peroxidhærdere, UV-absorbere osv. for at fungere korrekt.

Krav til laminater til solceller

Et lamineringsmateriale bør opfylde de minimumskriterier, der kræves i solcelle-moduler. Et nyt laminat skal have minimum 90% lystransmittans, høj vedhæftningsstyrke (>75N/cm), lav glasovergangstemperatur (Tg)* omkring -40°C, høj smelteovergangstemperatur (Tm) op til 100°C, lav krystallinitet (<20%) og høj termisk stabilitet (>300°C).

Høj optisk transmittans hjælper solcellen med at fange flere fotoner, hvilket kan føre til højere effekt i solcelle-modulet. 

lav Tg betyder at man undgår problemer med delaminering af solcellemoduler, hvis de udsættes for ekstremt lave temperaturer som ned til -40°C

Udvikling af TPO

Forskere har nu udviklet et termoplastisk ikke-tværbindende laminat for at overvinde de velkendte problemer. Termoplastiske polyolefin (TPO) lamineringer findes i to kategorier: tværbindende og ikke-tværbindende. 

Ikke-tværbindende TPO er et nyt lamineringsmateriale. Der er ikke behov for et peroxid-tværbindingsmiddel for at sikre stærke og stabile laminater under lamineringen af solcellemodulerne. Derfor er gelindhold eller tværbindingstæthed altid nul for ikke-tværbindende TPO-indkapsling. Ikke-tværbindende TPO giver mulighed for at undgå alle negative virkninger forbundet med peroxid-assisteret tværbindingsproces. Så ikke-tværbindende TPO kan blive et alternativ til de konventionelle lamineringsmidler. På grund af den ikke-tværbindende natur ændres de fysiske egenskaber af TPO ikke meget ved laminering, hvorimod der for EVA sker en dramatisk ændring i egenskaberne på grund af dets hærdningsreaktioner. TPO-lamineringen smeltes ganske enkelt, og der påføres samtidigt tryk for at skabe tæt kontakt med modulkomponenterne under laminering.

Test af TPO og EVA

Vurderingen af anvendeligheden som et lamineringsmateriale omfatter resultaterne af forskellige test, der er karakteristiske for misfarvning, nedbrydning af optiske og termiske egenskaber før og efter den UV-accelererede test. For at evaluere dets vejrstabilitet er UV-365 accelerationstesten blevet udført på glas til glas TPO-laminat med EVA som sammenligning. I 50 dages vejrbestandighedstests reduceredes transmittansen for EVA betydeligt, mens TPO forblev næsten uændret. Misfarvningen af TPO er omkring ni gange langsommere end af EVA. De analytiske værktøjer som Raman-spektroskopi**, fluorescerende billeddannelse og spektre er blevet brugt til at vurdere nedbrydningsadfærden, hvilket indikerer en klar forskel mellem EVA- og TPO-baseret laminering.

Termiske egenskaber (glas- og smelteovergange) af TPO og EVA er blevet undersøgt gennem varme-køl-varme-cyklustest med differentielt scanningkalorimeter (DSC). Denne test bekræftede, at TPO's termiske egenskaber forbliver næsten uændrede, hvorimod EVA viser signifikante ændringer efter 50 dages UV-eksponering. I resultaterne af termogravimetrianalysen (TGA) viser, at TPO er stabilt indtil en væsentlig højere temperatur end EVA. Derudover tyder 180° skrælningsvedhæftningstesten på, at TPO har en højere vedhæftningsstyrke end EVA.

Udviklingsarbejdet og de udførte tests kan ligge til grund for at vælge det nyudviklede ikke-tværbindende TPO som en potentiel erstatning for EVA til solcelle-moduler.

*Læs mere om Tg, glasovergangstemperatur her.

**Raman-spektroskopi er en universel analytisk teknik til identifikation af molekyler i gasser, væsker og faste stoffer ved spredning af laserlys.