Bien que l'humidité et l'eau s'usent sur toute la surface extérieure des feuilles de fond, ils se fissurent plus rapidement dans la zone entre les cellules solaires où la lumière du soleil brille. Les chercheurs du NIST proposent que la dégradation y est pire parce que l'acide acétique, qui se forme lorsque la lumière du soleil frappe les couches supérieures caoutchouteuses, peut passer entre les cellules solaires vers les backsheets, les faisant se décomposer de l'intérieur vers l'extérieur. Crédit :N. Hanacek/NIST
Contrairement aux diamants, les panneaux solaires ne sont pas éternels. Rayons ultraviolets, les rafales de vent et les fortes pluies les usent au cours de leur vie.
Les fabricants garantissent généralement que les panneaux résisteront aux éléments pendant au moins 25 ans avant de subir des baisses importantes de la production d'électricité, mais des rapports récents mettent en évidence une tendance à l'échec des panneaux des décennies plus tôt que prévu. Pour certains modèles, il y a eu une augmentation du nombre de feuilles de fond fissurées, des couches de plastique qui isolent électriquement et protègent physiquement l'arrière des panneaux solaires.
La fissuration prématurée a été largement attribuée à l'utilisation généralisée de certains plastiques, comme le polyamide, mais la raison de leur dégradation rapide n'est pas claire. En examinant de près les feuilles de fond à base de polyamide craquelées, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et des collègues ont découvert comment les interactions entre ces plastiques, les facteurs environnementaux et l'architecture des panneaux solaires peuvent accélérer le processus de dégradation. Ces résultats pourraient aider les chercheurs à développer des tests de durabilité améliorés et des panneaux solaires à plus longue durée de vie.
Les fissures dans les feuilles de fond apparaissent souvent d'abord à proximité de certaines caractéristiques, telles que l'espace en forme de grille entre les cellules solaires produisant de l'électricité bleue ou noire, et peuvent éventuellement se propager à travers toute l'épaisseur d'une feuille. Ces défauts permettent à l'oxygène et à l'humidité de s'infiltrer et d'endommager l'intérieur où se trouvent les cellules et permettent également au courant électrique de s'échapper, augmentation des risques d'électrocution.
S'il est laissé dehors assez longtemps, toute feuille de fond à base de plastique commencera à se désagréger, mais tous les backsheets ne sont pas créés égaux. Certains plastiques se détériorent beaucoup plus rapidement que d'autres.
« Au cours de la période de 2010 à 2012, de nombreux modules ont été déployés contenant des backsheets à base de polyamide, qui a présenté une rupture de fissuration dramatique en aussi peu que quatre ans malgré le respect des exigences standard, " a déclaré Xiaohong Gu, Ingénieur en matériaux du NIST et co-auteur de l'étude.
Des fissures se forment souvent sur les feuilles de fond des panneaux solaires en lignes droites, le long des interstices entre les cellules solaires. Crédit :NIST
Pour aller à la racine du problème de dégradation du polyamide, Gu et son équipe ont acquis des échantillons de backsheet de panneaux solaires déployés dans des régions du monde entier, y compris des sites aux États-Unis, Chine, Thaïlande et Italie. La plupart des panneaux, qui ont duré de trois à six ans, a montré des signes évidents de fissuration prématurée.
Avec les feuilles de fond patinées en main, les chercheurs ont mené une gamme de tests chimiques et mécaniques pour examiner les modèles et la gravité de la dégradation sur toute la profondeur des feuilles. Les résultats, décrit dans le journal Progrès dans le photovoltaïque : Recherche et Applications, ont montré que les zones des tôles qui avaient subi les pires fissurations étaient celles qui étaient devenues les plus rigides. Et curieusement, les zones les plus fragiles se trouvaient sur la face intérieure des feuilles, dit Gu.
Comment la qualité de l'intérieur muré pourrait-elle diminuer plus rapidement que la couche extérieure exposée ? Gu et son équipe ont émis l'hypothèse que la dégradation induite par la lumière du soleil de la face supérieure de l'encapsulant - un film qui entoure les cellules solaires - produisait des produits chimiques nocifs qui descendaient vers les feuilles de fond, accélérant leur décadence. Si vrai, le mécanisme proposé expliquerait pourquoi des fissures se forment entre les cellules solaires, car les produits chimiques pourraient trouver un passage vers l'arrière à travers ces régions.
Les chercheurs ont identifié l'acide acétique comme le principal suspect, comme il est connu pour être nocif pour le polyamide et est produit lors de la dégradation d'un polymère couramment utilisé comme encapsulant, appelé éthylène-acétate de vinyle (EVA). Pour tester leur hypothèse, les chercheurs ont rangé plusieurs bandes de polyamide dans des flacons d'acide acétique puis, après cinq mois, analysé comment ils se sont décomposés par rapport aux bandes placées dans l'air ou dans l'eau.
Sous le microscope, des fissures reflétant celles des feuilles de fond altérées sont apparues à la surface des bandes de plastique exposées à l'acide acétique, qui paraissait bien pire que sur celles qui avaient été dans l'air ou dans l'eau. L'analyse chimique a montré que les produits de dégradation du polyamide étaient plus élevés dans les bandes exposées à l'acide acétique, fournissant une preuve supplémentaire que l'acide accélère la détérioration du matériau de la feuille de fond.
L'étude met en évidence l'interaction entre les composants des panneaux solaires (l'encapsulant EVA et la feuille de fond en polyamide dans ce cas) en tant que facteur potentiellement critique à prendre en compte lors de la conception de panneaux solaires conçus pour durer.
Ces nouvelles informations sur les défaillances prématurées pourraient également devenir précieuses pour les chercheurs du NIST et d'autres qui cherchent à reproduire le processus de dégradation en laboratoire afin de tester et de prédire la longévité des composants des panneaux solaires.
