Degradationskinetik von polymeren Verkapselungswerkstoffen für die Anwendung in photovoltaischen Modulen

• Antragsteller: Professor Dr. Ralph Gottschalg
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Elektrische Energiesysteme, Power Management, Leistungselektronik, elektrische Maschinen und Antriebe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538707333

Die Photovoltaikindustrie hat in den letzten Jahren ein immenses Wachstum erfahren. Folglich ist es im Sinne der energetischen Versorgungssicherheit und der sparsamen Verwendung von Ressourcen essenziell, die Lebensdauer von Solarmodulen möglichst genau vorhersagen zu können. Auf Ebene des Solarmoduls werden Lebensdauer- und Performancesimulationen bisher in erster Linie rein empirisch durchgeführt. Verschiedene Degradationsraten berechnen sich aus makroskopischen Prozessgrößen, ohne die tieferliegenden physikalischen und chemischen Effekte zu berücksichtigen. Auf Materialebene wird zumeist nur das Verhalten einzelner Bestandteile bewertet und die Wechselwirkung mit anderen Schichten bleibt unberücksichtigt. Aufgrund dieser Ausgangslage lassen sich Degradationsraten verschiedener Materialkombinationen nur schwer vorhersagen. Es ist bekannt, dass eine Vielzahl von Degradationseffekten von Solarmodulen auf das Alterungsverhalten der polymeren Bestandteile zurückzuführen ist. Das geplante Projekt soll die makroskopische Degradationsrate von Solarmodulen (d.h. den Leistungsverlust) mit den zugrundeliegenden Degradationseffekten der polymeren Bestandteile in Verbindung bringen. Für das Projekt ergeben sich folgende konkrete Zielstellungen: i. Entwicklung eines neuartigen Systems für die UV-Alterung von Prüfkörpern zur Analyse spektraler Einflüsse auf die Polymerdegradation mit variablen Temperaturen. ii. Ermittlung des Einflusses der Wechselwirkung verschiedener Bestandteile von Solarmodulen und der Additivierung der Polymerlagen auf das Alterungsverhalten der Verkapselungspolymere und schlussendlich auf die Degradation des Gesamtmoduls. iii. Modellbildung der Materialveränderungen von Verkapselungspolymeren in Abhängigkeit spektraler Einflüsse und Korrelation mit der Moduldegradation. Dabei wird die chemische Alterung der Polymerlagen und die Wechselwirkung der einzelnen Bestandteile maßgeblich mit Hilfe des Großgerätes (Triple Raman Spektrometer mit Einzelphotonenzählung) analysiert. Durch diverse Vorarbeiten konnte bereits eine solide Grundlage geschaffen werden, um die im Projekt definierte Ziele zu erreichen. So wurde beispielsweise ein Verfahren entwickelt, um die in Polymerfolien enthaltenen Additive zu quantifizieren und folglich deren Degradationsverhalten in Abhängigkeit von verschiedenen Stressoren untersuchen zu können. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass sich das Alterungsverhalten von Verkapselungspolymeren an verschiedenen Stellen Modul stark voneinander und vom Alterungsverhalten als Einzelschicht unterscheidet. Folglich ist eine ganzheitliche Betrachtung des Moduls zwingend erforderlich. Auch der Einfluss des Beleuchtungsspektrums auf das Degradationsverhalten von Polymerlagen wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sie spektrale Photonenverteilung einen größeren Einfluss auf das Degradationsverhalten hat als der Einfluss der kumulierten Strahlungsintensität.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen