Anche se l'umidità e l'acqua si consumano sull'intera superficie esterna dei fogli posteriori, si rompono più rapidamente nell'area tra le celle solari dove la luce solare filtra. I ricercatori del NIST suggeriscono che la degradazione è peggiore lì perché l'acido acetico, che si forma quando la luce del sole colpisce gli strati superiori gommosi, può passare tra le celle solari verso i fogli posteriori, facendoli decadere dall'interno verso l'esterno. Credito:N. Hanacek/NIST
A differenza dei diamanti, i pannelli solari non sono per sempre. Raggi ultravioletti, raffiche di vento e pioggia battente li consumano nel corso della loro vita.
I produttori in genere garantiscono che i pannelli resisteranno agli elementi per almeno 25 anni prima di subire significativi cali nella produzione di energia, ma rapporti recenti evidenziano una tendenza al fallimento dei pannelli decenni prima del previsto. Per alcuni modelli, c'è stato un picco nel numero di backsheet incrinati, strati di plastica che isolano elettricamente e schermano fisicamente il retro dei pannelli solari.
Il cracking prematuro è stato in gran parte attribuito all'uso diffuso di alcune materie plastiche, come poliammide, ma la ragione del loro rapido degrado non è stata chiara. Esaminando attentamente i backsheet incrinati a base di poliammide, ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e colleghi hanno scoperto come le interazioni tra queste plastiche, i fattori ambientali e l'architettura dei pannelli solari possono accelerare il processo di degrado. Questi risultati potrebbero aiutare i ricercatori nello sviluppo di test di durata migliorati e pannelli solari più longevi.
Le crepe nei fogli posteriori spesso si presentano prima vicino a determinate caratteristiche, come lo spazio a forma di griglia tra le celle solari che producono elettricità blu o nere, e possono eventualmente propagarsi attraverso l'intero spessore di un foglio. Questi difetti lasciano spazio all'ossigeno e all'umidità per infiltrarsi e danneggiare l'interno dove si trovano le cellule e consentono anche alla corrente elettrica di fuoriuscire, crescenti rischi di folgorazione.
Se lasciato fuori abbastanza a lungo, qualsiasi backsheet a base di plastica inizierà a sfaldarsi, ma non tutti i backsheet sono uguali. Alcune plastiche si deteriorano molto più rapidamente di altre.
"Nel periodo 2010-2012, sono stati implementati molti moduli contenenti backsheet a base di poliammide, che ha presentato un drammatico fallimento di cracking in appena quattro anni nonostante il rispetto dei requisiti standard, " ha detto Xiaohong Gu, Ingegnere dei materiali del NIST e coautore dello studio.
Le crepe si formano spesso sui fogli posteriori del pannello solare in linea retta, lungo gli spazi tra le celle solari. Credito:NIST
Per arrivare alla radice del problema della degradazione della poliammide, Gu e il suo team hanno acquisito campioni di backsheet da pannelli solari installati in regioni di tutto il mondo, compresi i siti negli Stati Uniti, Cina, Thailandia e Italia. La maggior parte dei pannelli, che erano in uso da tre a sei anni, ha mostrato evidenti segni di rottura prematura.
Con i backsheet stagionati in mano, i ricercatori hanno condotto una gamma di test chimici e meccanici per esaminare i modelli e la gravità del degrado per tutta la profondità dei fogli. I risultati, descritto nel giornale Progressi nel fotovoltaico: Ricerca e applicazioni, hanno mostrato che le aree dei fogli che avevano subito la peggiore fessurazione erano quelle che erano diventate più rigide. E curiosamente, le zone più fragili erano sul lato interno dei fogli, ha detto Gu.
Come potrebbe la qualità dell'interno murato diminuire più rapidamente dello strato esterno esposto? Gu e il suo team hanno ipotizzato che la degradazione indotta dalla luce solare del lato superiore dell'incapsulante, una pellicola che circonda le celle solari, producesse sostanze chimiche dannose che scendevano verso i fogli posteriori, accelerando il loro decadimento. Se è vero, il meccanismo proposto spiegherebbe perché si formano crepe tra le celle solari, poiché le sostanze chimiche potrebbero trovare il passaggio nella parte posteriore attraverso queste regioni.
I ricercatori hanno identificato l'acido acetico come il principale sospettato, poiché è noto per essere dannoso per la poliammide e viene prodotto durante la degradazione di un polimero comunemente usato come incapsulante, chiamato etilene vinil acetato (EVA). Per verificare la loro ipotesi, i ricercatori hanno riposto diverse strisce di poliammide in fiale di acido acetico e poi, dopo cinque mesi, hanno analizzato come sono decaduti rispetto alle strisce poste in aria o in acqua.
Al microscopio, sulla superficie delle strisce di plastica esposte all'acido acetico apparivano crepe che rispecchiavano quelle dei fogli posteriori stagionati, che sembrava molto peggio di quelli che erano stati nell'aria o nell'acqua. L'analisi chimica ha mostrato che i prodotti di degradazione della poliammide erano più alti nelle strisce esposte all'acido acetico, fornendo ulteriore prova che l'acido accelera il deterioramento del materiale del backsheet.
Lo studio evidenzia l'interazione tra i componenti dei pannelli solari (in questo caso l'incapsulante EVA e il backsheet in poliammide) come un fattore potenzialmente critico da considerare quando si progettano pannelli solari costruiti per durare.
Queste nuove intuizioni sui guasti prematuri potrebbero anche diventare preziose per i ricercatori del NIST e altri che cercano di replicare il processo di degradazione in laboratorio come un modo per testare e prevedere la longevità dei componenti del pannello solare.
