Uno studio sui meccanismi di degradazione del PVDF

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14399 (2022) Citare questo articolo

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I backsheet commerciali basati sul fluoruro di polivinilidene (PVDF) possono subire guasti prematuri sul campo sotto forma di fessurazione dello strato esterno. Questo lavoro cerca di fornire una migliore comprensione dei cambiamenti nelle proprietà dei materiali che portano alla formazione di crepe e di trovare test accelerati adeguati per replicarli. Lo strato esterno del backsheet a base di PVDF può avere una struttura e una composizione diversa ed è spesso miscelato con un polimero di poli(metilmetacrilato) (PMMA). Abbiamo osservato l'esaurimento del PMMA in seguito all'invecchiamento con prove di stress accelerate sequenziali (MAST) e combinate (C-AST). Nei campioni invecchiati sul campo provenienti dall’Arizona e dall’India, dove il PVDF cristallizza nella sua fase α predominante, il grado di cristallinità è notevolmente aumentato. I protocolli MAST e C-AST sono stati, in una certa misura, in grado di replicare l'aumento della cristallinità osservato nel PVDF dopo circa 7 anni sul campo, ma nessuna condizione di stress test singolo (UV, calore umido, cicli termici) ha prodotto cambiamenti significativi nelle proprietà dei materiali. Il regime MAST utilizzato in questo caso era troppo estremo per produrre un degrado realistico, ma il test è stato utile per scoprire i punti deboli della particolare struttura dello strato esterno basata su PVDF studiata. Non è stata osservata alcuna formazione eccessiva di fase β dopo l'invecchiamento con qualsiasi condizione di prova; tuttavia, la presenza della fase β è stata identificata localmente mediante spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier (FTIR). Concludiamo che sia MAST che C-AST sono test rilevanti per lo screening dei meccanismi di cedimento all’aperto nei backsheet in PVDF, poiché hanno avuto successo nel produrre la degradazione del materiale che ha portato alla fessurazione.

I backsheet costituiscono lo strato di protezione più esterno del lato posteriore per i componenti attivi dei moduli fotovoltaici (FV) standard. Un tipico tipo di backsheet è costituito da un foglio polimerico laminato multistrato opaco sul lato posteriore del modulo. Uno strato centrale più spesso fornisce proprietà isolanti e resistenza meccanica. Gli strati interni ed esterni più sottili sono progettati per una buona adesione all'incapsulante e resistenza all'ambiente esterno. Il polietilene tereftalato (PET) è una scelta popolare per lo strato centrale, mentre i fluoropolimeri, come il fluoruro di polivinile (PVF) e il fluoruro di polivinilidene (PVDF), sono comunemente utilizzati per gli strati del backsheet interno/esterno. In questo lavoro, ci concentreremo sulla struttura del backsheet basata su PVDF (ovvero, backsheet contenenti almeno uno strato di polimero PVDF). I backsheet basati su PVDF rappresentano attualmente circa il 50% della quota di mercato mondiale1. Il PVDF è un fluoropolimero termoplastico semicristallino formato da legami covalenti C–H e C–F. Il PVDF ha elevata purezza, eccellente inerzia chimica, resistenza all'abrasione meccanica e stabilità ai raggi UV2,3. L'elevata elettronegatività e l'energia di dissociazione del legame C–F garantiscono una buona stabilità termica del polimero4. Come è comune in molti polimeri, il PVDF può avere diverse conformazioni della catena molecolare, cioè orientamento delle unità –CF2– e –CH2– alternate. Quando i dipoli C – F sono orientati nella stessa direzione (conformazione transplanare a zig-zag, TTTT), il polimero è nella sua fase β cristallina PVDF. Nel caso dell'impaccamento dipolo C-F antiparallelo, il polimero è nella sua fase α non polare (conformazione TGTG')5,6,7. Le conformazioni delle catene α e β del PVDF sono visualizzate in uno schema in Fig. 1. La fase α è la fase più comune, poiché può essere ottenuta mediante cristallizzazione dalla fusione. La fase β può essere formata per deformazione meccanica mediante trafilatura uniassiale o biassiale della fase α al di sotto di 100 °C6. In condizioni speciali, il PVDF può formare altri polimorfi (γ, δ e ε), ma questi sono meno comuni8.

Schema della conformazione della catena molecolare in fase α e β del PVDF.

Per complicare ulteriormente la nostra comprensione dei polimeri nei backsheet, lo strato esterno in PVDF è un materiale complesso contenente pigmenti e additivi ed è tipicamente miscelato anche con polimeri acrilici [ad esempio, poli(metilmetacrilato) (PMMA)]9,10, 11,12. A seconda del produttore, del processo di fabbricazione e della composizione, lo strato può avere proprietà fisiche e meccaniche diverse. È stato riscontrato che i backsheet basati su PVDF nei moduli fotovoltaici installati falliscono prematuramente. Il fallimento qui è definito come cracking. La rottura del backsheet non solo può compromettere la potenza operativa del modulo consentendo un maggiore ingresso di umidità e ossigeno, ma presenta anche un rischio elettrico esponendo i componenti ad alta tensione. In un recente studio sul campo condotto da DuPont, il 23% dei moduli contenenti PVDF esaminati erano difettosi entro il nono anno di implementazione13. Si è vista la formazione di crepe lungo le sbarre collettrici; tuttavia, non è stata trovata alcuna chiara correlazione con un clima particolare.