Ein Photovoltaik (PV)-Modul hat eine komplexe Struktur, bei der jede Komponente eine grundlegende Rolle spielt. Die Polymere, die Teil eines PV-Moduls sind, sind für mehrere Degradationsprozesse verantwortlich, die in der Praxis auftreten. Die Materialien werden durch die klimatischen Eigenschaften der Umgebung und durch das Mikroklima belastet. Letzteres entspricht den tatsächlichen Randbedingungen, denen die Polymere in einer PV-Modulkonfiguration während des Betriebs ausgesetzt sind. Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit, Sauerstoff und ultraviolette (UV) Strahlung können die Stabilität der Polymere stark beeinflussen und deren Abbau verursachen. Es ist eine anspruchsvolle Aufgabe zu verstehen, wie sich die einzelnen Faktoren und ihre Kombination auf molekularer Ebene auf die Polymere auswirken, dieses Wissen auf die Veränderungen zu übertragen, die wir auf der Makroebene sehen können, und diese Veränderungen schließlich mit der Leistung der PV-Module in Verbindung zu bringen.
Die Ziele dieser Arbeit sind (I) die Definition der relevanten Faktoren, die das Polymer-Mikroklima während der Exposition in einer PV-Modulkonfiguration charakterisieren, (II) die Identifizierung der Eigenschaften der Verkapselungsmaterialien, die sich während des Betriebs am stärksten verändern, und wie diese Eigenschaften durch das Mikroklima beeinflusst werden, (III) die Korrelation der Polymerveränderungen mit den PV-Modulleistungen, (IV) die Identifizierung von Charakterisierungsmethoden, die in der Lage sind, Polymerveränderungen effektiv zu beschreiben.
Nach einer kurzen Einführung über den Einsatz von PV-Technologien und die wichtigsten Fragen zu ihrer Zuverlässigkeit wird eine Literaturübersicht erstellt, um den Stand der Technik bei der Analyse von Polymerverkapselungen in PV-Modulen zu ermitteln. Insbesondere wird die Zuverlässigkeit von PV-Modulen und vor allem die Rolle der Polymerverkapselungen diskutiert. Das zweite Kapitel enthält zusätzliche Informationen zur Untersuchung der Zuverlässigkeit und Kompatibilität von Materialien in PV-Modulen und konzentriert sich auf die Polymereigenschaften, die für PV-Anwendungen am wichtigsten sind, sowie auf deren Charakterisierung.
Im vierten Kapitel werden die Leistungen des modernsten Verkapselungsmaterials (d. h. Ethylenvinylacetat, EVA) mit zwei neu entwickelten Materialien verglichen, um ihre Eignung als Ersatz für EVA zu prüfen. Qualitative Additivanalysen, die Charakterisierung der thermischen Eigenschaften, der optischen Eigenschaften und der chemischen Struktur werden durchgeführt, um die Auswirkungen von zwei künstlichen Alterungstests auf die Leistungen der Materialien zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die UV-Bestrahlung der schädlichste Stressfaktor ist, wenn die Folien alleinstehend sind. Eine gute Stabilisierungsrezeptur ist der Schlüsselfaktor für die Gewährleistung der Langzeitstabilität. Außerdem wurde eine gute Korrelation zwischen dem Abbau von Stabilisatoren, der Zunahme der Bildung von Oxidationsprodukten und der Abnahme der thermischen Stabilität des Polymers festgestellt. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass das Polyolefinelastomer (POE) ein Ersatz für EVA sein könnte, da es sehr ähnliche Eigenschaften aufweist und den Vorteil hat, dass beim Abbau keine Essigsäure entsteht. Das fünfte Kapitel befasst sich mit der Frage, wie verschiedene künstliche Alterungstests und unterschiedliche Mikroklimas den Polymerabbau und schließlich die Leistung von PV-Mini-Modulen mit EVA als Verkapselungsmaterial beeinflussen. Die Polymere wurden aus drei verschiedenen Bereichen des Mini-Moduls extrahiert und charakterisiert, sowie die elektrischen Leistungen der Mini-Module bewertet. Unter den verwendeten Tests zeigte die kombinierte UV-Feuchtwärme (UV-DH) die größte Auswirkung auf die Leistung der PV-Module und verursachte einen Leistungsverlust von etwa 5 % im Vergleich zum Referenzwert. Der Leistungsverlust stand hauptsächlich im Zusammenhang mit der Vergilbung der Verkapselung, die durch den Abbau von Additiven verursacht wurde. Das Mikroklima spielte eine wesentliche Rolle, da der Überschuss an Verkapselungsmaterial, der direkt der Umgebung ausgesetzt war, eine viel stärkere Degradation erfuhr als das Material, das innerhalb des Mini-Moduls eingekapselt war. Das sechste Kapitel schließlich zeigt die Auswirkungen des Mikroklimas auf den Polymerabbau und die Leistung von PV-Modulen in Originalgröße, die etwa acht Jahre lang in zwei verschiedenen Klimazonen betrieben wurden. Verkapselungsproben wurden aus verschiedenen Bereichen des PV-Moduls entnommen: von der Vorderseite, von der Rückseite und vom Bereich der Anschlussdose. Die Ergebnisse zeigten, dass sich das tropische Klima am stärksten auf die elektrische Leistung auswirkte und Leistungsverluste zwischen 10% und 45% verursachte. Die Leistungsverschlechterung resultierte hauptsächlich aus der Korrosion der Metallisierung und der Verbindungen.