Une étude des mécanismes de dégradation du PVDF

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14399 (2022) Citer cet article

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Les feuilles de support commerciales à base de fluorure de polyvinylidène (PVDF) peuvent subir des défaillances prématurées sur le terrain sous la forme de fissuration de la couche externe. Ce travail vise à mieux comprendre les changements dans les propriétés des matériaux qui conduisent à la formation de fissures et à trouver des tests accélérés appropriés pour les reproduire. La couche externe de la feuille de fond à base de PVDF peut avoir une structure et une composition différentes et est souvent mélangée à un polymère poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA). Nous avons observé un épuisement du PMMA lors du vieillissement avec des tests de contrainte accélérés séquentiels (MAST) et combinés (C-AST). Dans les échantillons vieillis sur le terrain en provenance d’Arizona et d’Inde, où le PVDF cristallise dans sa phase α prédominante, le degré de cristallinité a considérablement augmenté. Les protocoles MAST et C-AST ont été, dans une certaine mesure, capables de reproduire l'augmentation de la cristallinité observée dans le PVDF après environ 7 ans sur le terrain, mais aucune condition de test de contrainte unique (UV, chaleur humide, cycles thermiques) n'a entraîné de changements significatifs. dans les propriétés des matériaux. Le régime MAST utilisé ici était trop extrême pour produire une dégradation réaliste, mais le test s'est avéré utile pour découvrir les faiblesses de la structure particulière de la couche externe à base de PVDF étudiée. Aucune formation excessive de phase β n’a été observée après vieillissement dans aucune des conditions de test ; cependant, la présence de la phase β a été identifiée localement par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Nous concluons que les tests MAST et C-AST sont tous deux pertinents pour détecter les mécanismes de défaillance extérieure des feuilles de support en PVDF, car ils ont réussi à produire une dégradation du matériau conduisant à des fissures.

Les feuilles arrière constituent la couche de protection la plus externe du côté arrière pour les composants actifs des modules photovoltaïques (PV) standard. Un type de feuille de fond typique est constitué d'une feuille polymère stratifiée multicouche opaque sur la face arrière du module. Une couche centrale plus épaisse offre des propriétés isolantes et une résistance mécanique. Des couches intérieures et extérieures plus fines sont conçues pour une bonne adhérence à l'encapsulant et une bonne résistance à l'environnement extérieur. Le polyéthylène téréphtalate (PET) est un choix populaire pour la couche centrale, et les fluoropolymères, tels que le fluorure de polyvinyle (PVF) et le fluorure de polyvinylidène (PVDF), sont couramment utilisés pour les couches de fond interne/externe. Dans ce travail, nous nous concentrerons sur la structure de la feuille de fond à base de PVDF (c'est-à-dire les feuilles de fond contenant au moins une couche de polymère PVDF). Les feuilles de fond à base de PVDF représentent actuellement environ 50 % de la part de marché mondiale1. Le PVDF est un fluoropolymère thermoplastique semi-cristallin formé de liaisons covalentes C-H et C-F. Le PVDF présente une pureté élevée, une excellente inertie chimique, une résistance à l'abrasion mécanique et une stabilité aux UV2,3. L'électronégativité élevée et l'énergie de dissociation de la liaison C – F assurent une bonne stabilité thermique du polymère4. Comme cela est courant dans de nombreux polymères, le PVDF peut avoir différentes conformations de chaîne moléculaire, c'est-à-dire l'orientation des unités –CF2– et –CH2– alternées. Lorsque les dipôles C – F sont orientés dans la même direction (conformation trans-planaire en zigzag, TTTT), le polymère est dans sa phase β cristalline de PVDF. Dans le cas d'un empilement dipolaire C – F antiparallèle, le polymère est dans sa phase α non polaire (conformation TGTG ') . Les conformations des chaînes α et β du PVDF sont visualisées dans un schéma sur la figure 1. La phase α est la phase la plus courante, car elle peut être obtenue par cristallisation à partir d'une masse fondue. La phase β peut être formée par déformation mécanique via un étirage uniaxial ou biaxial de la phase α en dessous de 100 °C6. Dans des conditions particulières, le PVDF peut former d’autres polymorphes (γ, δ et ε), mais ceux-ci sont moins courants8.

Schéma de la conformation de la chaîne moléculaire du PVDF en phases α et β.

Pour compliquer davantage notre compréhension des polymères dans les feuilles de fond, la couche externe de PVDF est un matériau complexe contenant des pigments et des additifs, et elle est généralement également mélangée à des polymères acryliques [par exemple, le poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA)]9,10, 11,12. Selon le fabricant, le processus de fabrication et la composition, la couche peut avoir des propriétés physiques et mécaniques différentes. Il a été constaté que les feuilles de fond à base de PVDF dans les modules photovoltaïques déployés échouent prématurément. L’échec est ici défini comme une fissuration. La fissuration de la feuille arrière peut non seulement compromettre la puissance de fonctionnement du module en permettant une pénétration accrue d'humidité et d'oxygène, mais elle présente également un risque électrique en exposant les composants haute tension. Dans une étude de terrain récente menée par DuPont, 23 % des modules contenant du PVDF étudiés étaient défectueux à la neuvième année de déploiement13. Des fissures se sont formées le long des jeux de barres ; cependant, aucune corrélation claire avec un climat particulier n'a été trouvée.