Polyolefine als alternative PV-Modulverkapselung

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1 Polyolefine als alternative PV-Modulverkapselung Gernot M. Wallner Präsentation anlässlich des 12. Workshops Photovoltaik-Modultechnik TÜV Rheinland Köln, 12. November

2 Polyolefine als alternative PV-Modulverkapselung Inhalt Einleitung und Hintergrund Marktentwicklung Kunststoffe und Potentiale in der Photovoltaik SolPol-Forschungsinitiative Einkapselungsmaterialien Chemische Struktur der verwendeten Werkstoffe Eigenschaften von EVA, PVB. Ionomeren und Polyolefinen im Vergleich Stabilisierung von Einkapselungsmaterialien Analysemethoden Verwendete Stabilisatoren Vor- und Nachteile

3 Die Bedeutung der Kunststoffindustrie Marktentwicklung der Kunststoffe vs. Stahl (Volumsbezogen) Source: Plastics Europe, D (2008)

4 Entwicklung der Photovoltaik-Industrie Kumulierter, globaler Materialbedarf für 100% REN-Szenario bis 2050 (Basis: Energy[R]Evolution Studie, Greenpeace, 2012) Jahr Kum. Kunststoffbedarf [mio t] Mittlerer, jährlicher Kunststoffbedarf bis 2050: 0.6 mio t/year Source: K. Holzhaider, JKU-IPMT (2014)

5 SolPol-3: Solarelectrical Systems based on Polymeric Materials

6 SolPol-3: Solarelectrical Systems based on Polymeric Materials

7 SolPol-3: Entwicklungsziele Von neuen Materialien Stand der Technik EVA-Elastomere Thermopl. Elastomere Entwicklungsziele Specimen chemisch vernetzt Constituents (mit Peroxiden) zu neuen Prozessen. vornehmlich physikalisch vernetzt kürzere Laminationszykluszeiten Kontinuierliche Produktion (Rolle-zu-Rolle) verbesserte Performance Stand der Technik Entwicklungsziele In-line Lamination + Laminierter Film Co-Extrusion + extrudierter Layer 1 Akasol, Krempel (GER) Backsheet-Lamination mit extrudierten Folien Kontinuierliche Herstellung von Backsheet/Einbettungsund Frontsheet/Einbettungs-Kombinationen Extrudierter Film + extrudierter Layer 2

8 Chemische Struktur thermopl. Einkapselungsmaterialien EVA PVB m: 28-32% Vern.: Peroxid Vern.: physikalisch Ionomer n: 10-15% Polyolefin (PO) ( ( ( n ( m Vern.: Kristall, Ionen Vern.: Kristall, Silan

9 Schmelzbereiche/Morphologie der Einkapselungsmaterialien Wärmefluss, - EVA PVB Ionomer PO Temperatur, C EVA: wenig teilkristallin T S ~ 55 C PVB: amorph T G ~ 15 C Ionomer: teilkristallin T S ~ 90 C PO: teilkristallin T S ~ 80, 120 C

10 Brechungsindex thermoplastischer Einkapselungsmaterialien Brechungsindex, - 1,54 EVA PVB Ionomer 1,52 PO 1,50 1,48 1, Temperatur, C PO: höherer Index vorteilhaft, da n ideal = n Glas nzelle n > 1,

11 Mechanik thermoplastischer Einkapselungsmaterialien (bei RT) Spannung, MPa EVA PVB Ionomer PO PO: steifer als EVA, PVB flexibler als Ionomer hochduktil Dehnung, %

12 Temperaturabhängige Steifigkeiten der Einkapselungsmaterialien Modul, MPa EVA PVB Ionomer PO Temperatur, C EVA PVB Ionomer PO Temperatur, C PO zeigt weniger ausgeprägte Übergänge geringere innere Spannungen Modul, MPa

13 Viskosität von Einkapselungsmaterialien Fließfähigkeit der Schmelze bei der Lamination niedrige Schmelzeviskositäten sind für gute Ausformung der Kavitäten unerlässlich zu hohe Viskosität führt zu schlechter Ankopplung und Delamination (z.b. an Busbars) EVA spezielle Grades für die PV mit MFI-Werten (Melt flow index) von > 40 g/10min (190 C, 2,16 kg) sind verfügbar auch Stabilisator- und Vernetzer-Masterbatches sind erhältlich Compounding und Extrusion von EVA-Folien möglich Polyolefine Grades mit hohen MFI-Werten nicht (bzw. nur sehr eingeschränkt verfügbar) Herstellung und Vertrieb der Folien durch Rohstoffhersteller (z.b. DOW)

14 Stabilisierung von Einkapselungsmaterialien - Grundlagen am gebräuchlichsten in Kunststoffen H-Donatoren H-Abstraktion Formierung von Hydroperoxiden Metallionen katalysieren Abbau von Peroxiden Bildung reaktiver Radikale Formation stabiler Komplexe mit Metallen Hydroperoxidzersetzer Gemeinsam mit Phenolen eingesetzt Stabilisierung von Schmelzen bei Verarbeitung Metall-Deaktivator Hocheffizienter Stabilisator Schutz vor Thermo-oxidation und Licht Einsatz oligomerer Strukturen: geringere Migrationstendenz Benzophenone oder -triazole: Absorption des UV und Umwandlung zu Wärme/Fluoreszenz Quelle: S. Beißmann,

15 Stabilisierung von Einkapselungsmaterialien - Analysemethoden Lösung der Probe und Fällung des Polymers für Polyolefine: Lösemittel: Toluol bei 130 C Fällungsmittel: Acetonitril High Pressure Liquid Chromatography mit UV-Detektion (für 80% der Additive anwendbar) Massenspektrometrie (MS) Quelle: I. Hintersteiner,

16 Stabilisierung von Einkapselungsmaterialien State-of-the-Art UV-Absorber Benzophenone: z.b. Chimassorb 81 für EVA Benzotriazole: z.b. Tinuvin 328, 571 geringere Migrationsneigung HALS niedermolekulares HALS Tinuvin 770 vornehmlich im Einsatz, z.b. bei EVA, PO und Backsheets Nachteil: hydrolisierbare Estergruppe Phenolische Langzeitstabilisatoren oft Phenole mit Estergruppe im Einsatz besser Phenol mit aliphatischem Zentrum, z.b. Adeka AO 40 Phosphite Achtung: Schneckenspuren bei EVA

17 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Polyolefine (unpolar) weisen signifikante Vorteile auf: bessere (schnellere) Verarbeitbarkeit und Langzeitbeständigkeit (Silan- statt Peroxid-Vernetzung; keine Säurespaltprodukte) bessere Gebrauchseigenschaften (thermomechanisch, optisch, elektrisch) Nachteile liegen bei: höheren Materialpreisen wegen (noch) geringeren Produktionsmengen und aufwändigerer Katalyse physikalischen Alterungseffekten mit einhergehender Eintrübung und geringerer Haftung zu unterschiedlichen, polaren Substraten Mittelfristig werden bei Standardmodulen: maßgeschneiderte Silan-vernetzende Einkapselungsmaterialien Peroxidvernetzende substituieren