Neues Modell zur Vorhersage des Eindringens von Feuchtigkeit in Photovoltaikmodule

Ein Forschungsteam unter der Leitung der TU Delft in den Niederlanden simulierte das Eindringen von Feuchtigkeit in Photovoltaikmodule, um die durch Feuchtigkeit verursachte Degradation besser zu verstehen. Es analysierte den Einfluss der Wahl des Materials für die Verkapselung und die Rückseite sowie der klimatischen Bedingungen.

Zur Analyse des Eindringens von Feuchtigkeit in ein Photovoltaikmodul simulierte das Team 20 Jahre lang Geräte aus drei verschiedenen Verkapselungsmaterialien und vier verschiedenen Rückseitenfolien sowie Module, die in acht Städten in vier Klimazonen aufgestellt waren.

Zur Berechnung der normierten Leistung während der Lebensdauer des Moduls wurde das Peck-Modell verwendet, ein Beschleunigungsmodell zur Bewertung von Temperatur und Feuchtigkeit bei IC-Ausfällen aufgrund von Feuchtigkeit in epoxidumgeformten Bauteilen.

Als Verkapselungsmaterialien wählte das Team Ethylenvinylacetat (EVA), thermoplastisches Polyolefin (TPO) und Polydimethylsiloxan (PDMS). Als Rückseitenfolien wurden Polyethylenterephthalat (PET), Tedlar-PET-Tedlar (TPT), Tedlar-PET-SiOx (TPSiOx) und Polyamid (PA) ausgewählt. Ihre Eigenschaften wurden aus veröffentlichten Quellen entnommen.

Das Referenz-Photovoltaikmodul verwendete EVA als Verkapselungsmaterial und PET als Rückseite.

Die acht Städte wurden in vier Klimazonen unterteilt: die tropische Zone, vertreten durch Manaus in Brasilien und Jakarta in Indonesien; die gemäßigte Zone, vertreten durch Los Angeles in den USA und Freiburg in Deutschland; die trockene Zone, vertreten durch Dubai in den Vereinigten Arabischen Emiraten und Almería in Spanien; und die kontinentale Zone, vertreten durch Portland in den USA und Oslo in Norwegen.

Die Wissenschaftler haben das Modell anhand von Experimenten im Innenbereich und Simulationen im Außenbereich aus der Literatur überprüft.

„In unserer Forschung haben wir festgestellt, dass das Klima, in dem ein Photovoltaikmodul installiert ist, einen viel größeren Einfluss auf das Eindringen von Feuchtigkeit hat als die Wahl der Materialien für die Rückseitenversiegelung“, sagte Blom. „Dies deutet darauf hin, dass es vorteilhaft sein kann, verschiedene Photovoltaikmodulkonstruktionen für bestimmte Klimazonen zu entwickeln, anstatt eine globale Lösung anzubieten.“

Anschließend entwickelten die Wissenschaftler „eine einfache analytische Gleichung, mit der sich das Eindringen von Feuchtigkeit vorhersagen lässt“, ohne dass zeitaufwändige und rechenintensive Simulationen erforderlich sind. „Diese Gleichung enthält nur vier unbekannte Parameter, die aus den klimatischen Bedingungen des Installationsortes gewonnen werden können“, erklärte Blom.

Das weniger rechenintensive Analysemodell verwendete empirische Parameter, die aus FEM-Simulationen abgeleitet wurden, und erzielte eine Genauigkeit von weniger als 0,05. Die Wissenschaftler kamen zu dem Schluss, dass es die Feuchtigkeitsdurchdringung an neuen Standorten effektiv vorhersagen kann, ohne dass rechenintensive FEM-Simulationen erforderlich sind.

Blom fügte hinzu, dass sein Team weitere Simulationen durchführen will, um die Lebensdauer, weitere Degradationsmechanismen und deren Auswirkungen auf Photovoltaikmodule zu analysieren.