Che cos'è la pellicola interstrato PVB di grado fotovoltaico e perché è importante?

Che cos'è la pellicola interstrato PVB di grado fotovoltaico e in cosa differisce dal PVB architettonico?

La pellicola interstrato in polivinilbutirrale (PVB) è stata utilizzata per decenni nel vetro laminato di sicurezza, soprattutto nei parabrezza automobilistici e nelle vetrate architettoniche. In queste applicazioni, le funzioni primarie del PVB sono tenere insieme i frammenti di vetro dopo la rottura, assorbire l'energia dell'impatto e fornire smorzamento acustico. La pellicola interstrato in PVB di grado fotovoltaico ha uno scopo fondamentalmente diverso e più impegnativo: deve incapsulare e proteggere le celle solari all'interno di un modulo trasmettendo contemporaneamente la massima quantità possibile di luce solare alla superficie attiva della cella, mantenendo la chiarezza ottica per decenni di esposizione all'aperto e preservando l'integrità elettrica del circuito della cella nell'intero intervallo di temperatura, umidità e carico UV che un modulo solare utilizzato sul campo subirà.

Il PVB architettonico standard è formulato per prestazioni meccaniche e non è ottimizzato per la trasmissione ottica, la stabilità UV a lungo termine sotto irradiazione solare continua o i requisiti specifici di adesione e resistenza all'umidità della costruzione dei moduli fotovoltaici. Il PVB di grado fotovoltaico è una categoria di prodotti distinta con una formulazione accuratamente progettata che include stabilizzatori UV, plastificanti specializzati, promotori di adesione e pacchetti antiossidanti selezionati per soddisfare i requisiti prestazionali degli standard di qualificazione dei moduli IEC 61215 e IEC 61730 per una durata prevista del modulo compresa tra 25 e 30 anni. Trattare queste due categorie di materiali come intercambiabili è un errore comune e costoso nella progettazione dei moduli.

Che ruolo gioca la pellicola intercalare in PVB nella struttura di un modulo solare?

Un modulo fotovoltaico standard in vetro-vetro o vetro-backsheet è un assieme laminato in cui le celle solari sono completamente circondate da materiale incapsulante. L'incapsulante svolge più funzioni simultanee che sono fondamentali per le prestazioni, l'affidabilità e la longevità del modulo. Nei moduli che utilizzano PVB come incapsulante, la pellicola viene posizionata sia sopra che sotto la stringa di celle, tra il vetro anteriore e le celle e tra le celle e il vetro posteriore o il backsheet, creando un ambiente sigillato continuo attorno al circuito elettrico.

Durante il processo di laminazione, la pellicola PVB viene riscaldata sotto pressione del vuoto in un laminatore, facendola ammorbidire, fluire attorno alla geometria della cella e legarsi in modo adesivo sia alle superfici di vetro che a quelle delle celle. Mentre si raffredda, la pellicola si solidifica in una matrice resistente, trasparente e viscoelastica che supporta meccanicamente le celle, isola elettricamente il circuito delle celle dal vetro e dal telaio, tampona l'espansione termica differenziale tra il vetro e il silicio e crea una barriera contro l'ingresso di umidità che altrimenti causerebbe la corrosione della metallizzazione delle celle, la delaminazione dell'incapsulante e, infine, il degrado elettrico del modulo. La qualità e le specifiche della pellicola PVB determinano direttamente la qualità di esecuzione di ciascuna di queste funzioni durante la vita utile del modulo.

Quali sono le principali proprietà prestazionali della pellicola PVB di grado fotovoltaico?

La prestazione di a Film interstrato in PVB di grado fotovoltaico è caratterizzato da un insieme di proprietà che determinano collettivamente la sua idoneità per l'incapsulamento dei moduli. Ogni proprietà dispone di specifiche misurabili che i produttori responsabili pubblicano e che i produttori di moduli dovrebbero verificare attraverso il controllo di qualità in entrata e test di qualificazione periodici.

Trasmittanza ottica

Un’elevata trasmittanza ottica nell’intervallo di lunghezze d’onda che le celle fotovoltaiche convertono in elettricità – circa da 300 a 1200 nm per il silicio cristallino – è essenziale per evitare perdite ottiche parassite all’interno dello strato incapsulante. Le pellicole PVB di grado fotovoltaico raggiungono tipicamente valori di trasmittanza iniziali superiori al 90% in tutto lo spettro visibile, misurati su campioni di vetro laminato prima dell'invecchiamento accelerato. Tuttavia, la trasmittanza iniziale è meno importante della ritenzione della trasmittanza dopo una prolungata esposizione ai raggi UV e cicli termici. Una pellicola che inizia con una trasmittanza del 92% ma ingiallisce all'80% dopo cinque anni di esposizione sul campo provoca una perdita di potenza misurabile e permanente. Le formulazioni PV PVB di alta qualità incorporano stabilizzatori di luce ad ammina impedita (HALS) e assorbitori UV appositamente selezionati per prevenire la formazione di cromofori nella matrice polimerica sotto irradiazione solare continua.

Velocità di trasmissione del vapore acqueo

L'ingresso di vapore acqueo è uno dei principali meccanismi di degrado dei moduli a lungo termine. L'umidità provoca la corrosione della metallizzazione di argento e alluminio sulle celle solari, promuove la delaminazione nelle interfacce vetro incapsulante e cella incapsulante e accelera la degradazione indotta dal potenziale (PID) nei moduli che funzionano a tensioni di sistema elevate. Il PVB ha un tasso di trasmissione del vapore acqueo (MVTR) intrinsecamente più elevato rispetto all'EVA, l'incapsulante alternativo più utilizzato nel settore, il che significa che le costruzioni di moduli vetro-vetro sono fortemente preferite quando si utilizza il PVB, poiché i doppi strati di vetro riducono drasticamente il percorso effettivo di ingresso dell'umidità rispetto a un backsheet polimerico. Per i moduli PVB vetro-vetro, l'umidità che penetra attraverso la sigillatura del bordo è il fattore limitante e un'adeguata progettazione della sigillatura del bordo è essenziale per integrare la resistenza all'umidità della pellicola.

Forza di adesione al vetro e alle superfici cellulari

L'adesione tra la pellicola PVB e il vetro anteriore, il vetro posteriore e le superfici delle celle deve rimanere forte e stabile nell'intero intervallo di temperature cui è sottoposto un modulo utilizzato sul campo: da meno di -40°C nelle installazioni a clima freddo a oltre 85°C in ambienti desertici. La delaminazione, che si manifesta come bolle visibili o macchie bianche all'interno del laminato del modulo, è esteticamente inaccettabile e praticamente dannosa perché le regioni delaminate perdono la loro funzione di barriera contro l'umidità e creano una dispersione ottica che riduce la produzione delle celle. Le pellicole PVB di grado fotovoltaico sono formulate con additivi che promuovono l'adesione e sono disponibili con livelli di adesione controllati, un parametro che può essere regolato per bilanciare tra il forte legame strutturale e il comportamento di rilascio controllato richiesto in alcuni progetti di moduli.

Resistività di volume e isolamento elettrico

L'incapsulante deve mantenere un'elevata resistività elettrica per tutta la sua durata di servizio per evitare correnti di dispersione dal circuito della cella al telaio del modulo e alla struttura di montaggio. La perdita di resistività, che può verificarsi quando l'assorbimento di umidità è elevato o quando il polimero si degrada, aumenta la corrente di dispersione, esacerba il PID nei sistemi ad alta tensione e crea rischi per la sicurezza in condizioni di umidità. Il PVB di grado fotovoltaico di alta qualità mantiene la resistività del volume superiore a 10¹³ Ω·cm in condizioni di umidità, una specifica che deve essere verificata tramite test di calore umido a 85°C/85% di umidità relativa per 1.000 ore in conformità con i protocolli IEC 61215.

Come si confronta il PVB con l'EVA e altri incapsulanti solari?

La pellicola in copolimero di etilene-vinil acetato (EVA) ha storicamente dominato il mercato degli incapsulanti solari grazie al suo processo di laminazione consolidato e a basso costo e all'ampia compatibilità sia con le tecnologie delle celle in silicio cristallino che a film sottile. Tuttavia, l’EVA presenta debolezze ben documentate che hanno stimolato l’interesse verso incapsulanti alternativi tra cui PVB, elastomero poliolefinico (POE) e film ionomerici. La tabella seguente riassume le principali caratteristiche comparative rilevanti per i progettisti dei moduli e i team di procurement.

Un vantaggio fondamentale del PVB rispetto all’EVA standard è l’assenza di generazione di acido acetico durante l’invecchiamento. Quando l'EVA si degrada sotto l'esposizione ai raggi UV e a temperature elevate, rilascia acido acetico come sottoprodotto della reazione di inversione della reticolazione. L'acido acetico corrode la metallizzazione delle celle, degrada i rivestimenti antiriflesso e attacca alcune strutture cellulari a film sottile. Il PVB non genera acido acetico in nessuna condizione di esposizione sul campo, rendendolo un incapsulante sostanzialmente più chimicamente inerte per progetti di moduli di lunga durata e per tecnologie a film sottile che sono particolarmente sensibili all'esposizione agli acidi.

Quali applicazioni sono più adatte alla pellicola interstrato PVB di grado fotovoltaico?

La pellicola interstrato in PVB di grado fotovoltaico trova la sua più forte giustificazione commerciale nelle applicazioni in cui la longevità del modulo, le prestazioni ottiche, l'integrità strutturale sotto carico meccanico e la resistenza a specifiche modalità di degrado hanno la priorità rispetto al costo iniziale del materiale. Diverse categorie di applicazioni traggono costantemente vantaggio dall'incapsulamento PVB.

• Il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) rappresenta una delle soluzioni più naturali per l'incapsulamento del PVB. I moduli BIPV fungono contemporaneamente da elementi architettonici di verniciatura e da componenti generatori di elettricità, richiedendo le prestazioni di sicurezza strutturale del vetro architettonico laminato – inclusa la ritenzione dei frammenti dopo la rottura – combinate con le prestazioni ottiche ed elettriche di un modulo solare. PVB ha una storia decennale di certificazione di sicurezza nel vetro laminato architettonico e le formulazioni di grado fotovoltaico portano queste credenziali di sicurezza direttamente nel prodotto BIPV.
• I moduli bifacciali vetro-vetro destinati a sistemi ad alta tensione su scala industriale beneficiano della buona resistenza PID del PVB e dell'assenza di generazione di acido acetico, entrambi fattori che diventano più importanti quando le tensioni del sistema aumentano oltre 1000 V e poiché la durata dei moduli si estende verso 30 anni e oltre.
• I moduli vetro-vetro senza telaio per tettoie per auto, pergolati e tettoie architettoniche richiedono un incapsulante che mantenga una forte adesione ai bordi senza il supporto meccanico di un telaio in alluminio convenzionale. L'elevata adesione del PVB alle superfici di vetro e la sua resistenza meccanica lo rendono particolarmente adatto a queste installazioni strutturalmente impegnative.
• I produttori di moduli a film sottile che utilizzano tecnologie cellulari al tellururo di cadmio (CdTe) o al seleniuro di rame indio gallio (CIGS) preferiscono il PVB proprio perché queste tecnologie sono sensibili all'acido acetico che l'EVA può generare e l'inerzia chimica del PVB protegge la chimica della superficie della cella per tutta la vita operativa del modulo.

Cosa dovrebbero valutare i produttori di moduli quando selezionano un fornitore di pellicole interstrato in PVB?

La scelta di una pellicola interstrato PVB di grado fotovoltaico è una decisione che influisce sulle prestazioni del modulo, sulla responsabilità della garanzia e sulla bancabilità, ovvero sulla capacità di attrarre finanziamenti per progetti da istituti di credito che richiedono un'affidabilità dimostrata del modulo. Un rigoroso processo di valutazione dei fornitori dovrebbe affrontare le seguenti dimensioni:

• Richiedi schede tecniche complete che coprano la trasmittanza ottica prima e dopo 1000 ore di esposizione ai raggi UV secondo IEC 61345, prestazioni al calore umido secondo IEC 61215, resistività volumetrica in condizioni umide, adesione al vetro a più temperature e velocità di trasmissione del vapore acqueo: qualsiasi fornitore non in grado di fornire questi dati non deve essere preso in considerazione per la qualificazione.
• Verificare che la pellicola sia stata inclusa con successo nei test di qualificazione dei moduli IEC 61215 e IEC 61730 con almeno un produttore di moduli certificato e richiedere i riferimenti specifici del rapporto di test anziché accettare dichiarazioni generiche di conformità.
• Valutare il sistema di gestione della qualità del fornitore, i dati sulla coerenza tra lotto e lotto e le specifiche di tolleranza dello spessore: la variazione dello spessore del film PVB lungo la larghezza e la lunghezza del rotolo influisce direttamente sull'uniformità della laminazione e dovrebbe essere entro ±5% della specifica nominale.
• Valutare attentamente i requisiti di stoccaggio e movimentazione: la pellicola in PVB è igroscopica e deve essere conservata in condizioni di umidità controllata, inferiore al 30% di umidità relativa, per evitare l'assorbimento di umidità pre-laminazione che compromette la laminazione senza bolle e la qualità ottica finale.
• Considerare la capacità di supporto tecnico del fornitore per l'ottimizzazione del processo di laminazione: il profilo della temperatura di laminazione, il tempo di mantenimento del vuoto e i parametri del ciclo di pressa per PVB differiscono da quelli stabiliti per EVA e un fornitore esperto dovrebbe essere in grado di fornire indicazioni sul processo specifiche per l'applicazione e supporto per la risoluzione dei problemi durante la transizione dall'incapsulamento EVA all'incapsulamento PVB.

La pellicola interstrato in PVB di grado fotovoltaico occupa una posizione ben definita e difendibile nel panorama degli incapsulanti solari. Per le applicazioni in cui viene data priorità all'inerzia chimica, alle prestazioni di sicurezza strutturale, al mantenimento della qualità ottica e alla compatibilità con l'architettura dei moduli vetro-vetro, offre una combinazione di proprietà che l'EVA non può eguagliare e che diventerà sempre più importante poiché il settore spinge la durata dei moduli e le tensioni del sistema oltre quanto richiesto dagli standard attuali.