Etude du vieillissement des modules photovoltaïques bi-verre en silicium sous rayonnement UV

Study of glass-glass silicon photovoltaic modules ageing under UV light

• Auteur / Autrice : Nicolas Pinochet
• Direction : Sandrine Thérias
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie théorique, physique, analytique
• Date : Soutenance le 26/04/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Chimie de Clermont-Ferrand (Aubière, Puy-de-Dôme ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Fayolle
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Couderc, Sophie Duzellier, Julien Dupuis, Delfina Muñoz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Ballif, Jean-François Chailan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Conversion photovoltaïque

Rayonnement ultraviolet

Mots clés libres

Photovieillissement

Photovoltaïque

UV

Polymère d'encapsulation

Hétérojonction

Jaunissement

Photoageing

Photovoltaics

UV

Encapsulation polymer

Heterojunction

Yellowing

Résumé

Les modules photovoltaïques (PV) terrestres se dégradent lors de leur exposition sous le rayonnement ultraviolet (UV) du soleil. Ces dégradations sont susceptibles de conduire au remplacement précoce des modules PV. Des tests de vieillissement accéléré peuvent permettre d'évaluer leur durabilité sous UV, à condition qu'ils soient rapides et qu'ils restent représentatifs d'un vieillissement naturel d'environ 30 ans. Dans ce but, nous avons étudié le comportement des modules PV bi-verre en silicium exposés en extérieur et dans diverses chambres de vieillissement (UV, étuve, chaleur humide, cyclage thermique). Puisqu'il assure l'intégrité du module PV, l'encapsulant de la cellule PV est un matériau déterminant dans l'estimation de sa durabilité. Nous avons donc aussi testé des encapsulants (EVA et TPO) pour identifier les mécanismes de dégradation qui les affectent sous UV, ainsi que les paramètres permettant l'accélération des vieillissements sans compromettre leur représentativité vis-à-vis du vieillissement naturel. Cette étude a été réalisée à l'aide d'un prototype de chambre de vieillissement multiparamétrique. Enfin, la modification des propriétés viscoélastiques et barrière des encapsulants exposés sous UV a été étudiée dans le but d'expliquer certains mécanismes de dégradation des modules PV. Ces derniers ont été associés à des pertes de puissance pouvant atteindre 25 %. Certaines réactions sont directement dues aux UV, comme le jaunissement des encapsulants avec absorbeurs UV ou l'UVID de la cellule SHJ. D'autres, en revanche, peuvent être influencées par la combinaison de plusieurs contraintes environnementales. Par exemple, l'exposition des modules PV sous UV provoque l'accélération de la dépassivation et la désactivation des cellules SHJ qui surviennent en présence d'humidité. Nous avons également mis en évidence la photooxydation des films d'EVA et de TPO testés en condition de vieillissement accéléré sous UV. L'augmentation modérée de la température de test ou de l'irradiance UV peut permettre l'accélération du vieillissement des encapsulants sans le déformer. Néanmoins, la distribution spectrale de l'irradiance UV des sources artificielles employées doit être semblable à celle du soleil. Après seulement 1000 h de test, les coupures de chaines et réticulations entrainées par la photooxydation de la matrice polymère des encapsulants influencent légèrement les propriétés viscoélastiques des TPO étudiés et permettent l'augmentation de la concentration d'eau dans le module PV. Au vu des synergies existant entre les différentes contraintes environnementales, la durabilité des modules PV sous UV ne peut être réellement évaluée que par un test combiné ou séquentiel, ce dernier alternant irradiation solaire (ou équivalent) avant et après chaque autre essai.

Terrestrial photovoltaic (PV) modules degrade when exposed to ultraviolet (UV) radiation from the sun. This degradation may lead to their early replacement. Accelerated ageing tests can be used to evaluate their durability under UV light, provided that the tests are short and remain representative of a natural ageing of about 30 years. To this end, we have studied the behaviour of silicon glass-glass PV modules exposed outdoors and in various ageing chambers (UV, oven, damp heat, thermal cycling). Since it ensures the integrity of the PV module, the encapsulant of the PV cell is a key material in estimating its durability. We have therefore also tested encapsulants (EVA and TPO) to identify the degradation mechanisms initiated under UV, as well as the parameters allowing ageing acceleration without compromising its representativeness with respect to natural ageing. This study was carried out using a prototype multiparameter ageing chamber. Finally, the modification of the viscoelastic and barrier properties of the encapsulants exposed under UV was studied to explain some degradation mechanisms of the PV modules. These have been associated with power losses up to 25 %. Some reactions are directly due to UV, such as the yellowing of encapsulants with UV absorbers or SHJ cell UVID. Others, however, can be influenced by a combination of environmental stresses. For example, UV exposure of PV modules causes accelerated depassivation and deactivation of SHJ cells that occur in the presence of moisture. We also highlighted photooxidation of the tested EVA and TPO films under accelerated UV ageing conditions. Moderate increase of the test temperature or UV irradiance allow encapsulants ageing acceleration without deforming it. Nevertheless, the spectral distribution of the UV irradiance of artificial light sources must mimic that of the sun. After only 1000 h of testing, the chain breaks and cross-linking caused by the photooxidation of encapsulant matrix slightly influence the viscoelastic properties of the studied TPO and allow the increase of water concentration in the PV module. Because of the synergies between the different environmental stresses, the evaluation of PV modules durability under UV requires a combined or sequential test, the latter alternating solar irradiation (or equivalent) before and after any other test.