EVAplus - Erhöhung von Versorgungsicherheit, Anlagenperformance und Produktivität durch lebensdauerrelevante Untersuchungen der Stabilität der Modulverkapselung von PV-Modulen; Teilvorhaben: Materialzuverlässigkeit von EVA in realistischen Feldbedingungen

Abstract

AP1: Für die smarte Qualitätskontrolle der Lamination wurden Methoden entwickelt, um Vernetzungsgrad und Vernetzungsbeschleuniger-Gehalt in EVA-Folien präzise zu erfassen. In AP1.1 wurden optische Verfahren (NIR, FTIR) etabliert, die chemische Degradation und Materialzusammensetzung zerstörungsfrei analysieren. AP1.2a fokussierte auf mikrostrukturelle Parameter: Mittels ortsaufgelöster Messungen an speziellen Minimodulen und der Etablierung des Quellversuchs als effizienter Alternative zu Soxhlet-Tests wurde eine robuste Korrelation zwischen X-Link®-Messwerten (LXM) und Vernetzungsgrad erreicht. Round-Robin-Tests validierten die Reproduzierbarkeit der Methoden. Parallel wurde in AP1.3a/b eine BOM-Datenbank aufgebaut, die chemische Fingerabdrücke (u.a. durch Py-GCMS), Materialeigenschaften und Analyseverfahren integriert. Diese bildet die Grundlage für prädiktive FEM-Simulationen und industrielle Qualitätssicherung. AP2: Zur Weiterentwicklung des zerstörungsfreien X-Link®-Verfahrens für die Vernetzungsgradmessung wurden FEM-Simulationen (AP2.2c) als digitaler Zwilling etabliert. Diese reproduzieren zuverlässig physikalische Trends – niedrige Vernetzung führt zu reduzierten LXM-Werten, hohe Vernetzung zu erhöhten Werten – und liegen nach Normalisierung für die meisten Rückseitenfolien innerhalb der messtechnischen Toleranz. Experimentell validierte Materialkombinationen (AP2.2d) bestätigten die Modellkonsistenz, zeigen jedoch systematische Abweichungen in Absolutwerten. Beschleunigte Alterungstests (AP2.3b) offenbarten, dass nur verlängerte Damp-Heat-Belastungen (DH) einen signifikanten Einfluss des Vernetzungsgrads auf die Leistungsdegradation zeigten. Tests mit Temperaturen um 100°C (DH+UV, PCT) maskierten den Einfluss durch thermisch induzierte Re-Laminationseffekte. Analysen zur Materialvariabilität (AP2.4d) identifizierten signifikante Inhomogenitäten: DSC Messungen wiesen bis zu 25% Abweichungen in der Vernetzungsenthalpie auf, und Py-GCMS belegte den direkten Zusammenhang zwischen Additivkonzentration und Gelgehalt. Diese Schwankungen spiegeln sich in X-Link®-Messungen kommerzieller Module wider und unterstreichen die Notwendigkeit homogener Additivverteilung für konsistente Laminationsqualität. AP3 identifizierte den optimalen Vernetzungsgrad-Bereich für zuverlässige PV-Module durch systematische Alterungstests und Feldanalysen. Beschleunigte Tests (AP3.2b/c) zeigten, dass nur verlängerte Damp-Heat-Belastung (85°C/85% r.F.) signifikante Korrelationen zwischen initialem Gelgehalt und Degradation aufwies. In kombinierten Stresstests (z.B. DH+UV) führte die starke thermische Nachvernetzung zu nicht unterscheidbaren Proben. Im Pressure Cooker Test degradierte die Rückseitenfolien sehr stark. Das verfälscht die LXM-Messwerte bei gealterten Modulen (AP3.2c). Feldrückläufer-Analysen (AP3.2d) belegten die praktische Relevanz: Bei einem 18-jährigen Modul korrelierte die Elektrolumineszenz-Intensität mit LXM-Werten, was auf materialbedingte Degradationsmuster hinweist. Chemische Fingerabdrücke (AP3.3a) ermöglichten die Identifikation von Folienzusammensetzungen und validierten Referenzmaterialien für die Prozessoptimierung. Die Ergebnisse definieren kritische Grenzwerte für den Gelgehalt und unterstreichen die Notwendigkeit materialangepasster Bewitterungsprotokolle. AP4 zielte auf die industrielle Umsetzung einer zuverlässigkeitsoptimierten Produktionsbeschleunigung ab. Sunset entwickelte eine Methodik zur präzisen Einstellung vorbestimmter Vernetzungsgrade für bekannte Folientypen (Basierend auf AP3-Daten), wodurch kontinuierliche Prozessführung ermöglicht wird. Die X-Link®-Technologie erwies sich als Schlüssel für Echtzeit-Qualitätskontrolle, da sie zeitnahe Anpassungen der Laminationsparameter bei Abweichungen erlaubt. Das CSP bestätigte durch GCMS-Analysen den direkten Zusammenhang zwischen Additivkonzentration und Gelgehalt, identifizierte jedoch Pyrolyse-GCMS als ungeeignet für Inline-Anwendungen (nicht zerstörungsfrei und nicht echtzeitfähig). Kritisch wurde herausgestellt, dass verkürzte Laminationszeiten (wie in DH-Tests beobachtet) die Moduldegradation beschleunigen können – ein übertragbares Risiko für Freifeldbedingungen. Diese Erkenntnisse wurden in Fachkonferenzen (EUPVSEC, IEEE PVSC) kommuniziert und bilden die Grundlage für künftige Implementierungen. AP5 entwickelte eine wirtschaftliche Qualitätssicherungsstrategie für PV-Systeme durch praxistaugliche Anwendung der X-Link®-Technologie. Bei IBC Solar erfolgten Vor-Ort-Messungen verschiedener Materialkombinationen (BOMs) mit dem X-Link. Ein Round-Robin-Test (LayTec, CSP, Sunset) bestätigte die robuste Tool-übergreifende Reproduzierbarkeit der Vernetzungsgradmessungen. Die ortsaufgelöste Datenerfassung etabliert eine Referenzbasis für künftige Degradationsanalysen bereits installierter Module. Parallel genutzte NIR-Messungen verbessern die Materialdatenbank und ermöglichen eine präzisere automatische Materialerkennung - eine Grundvoraussetzung für zuverlässige Kalibrierungen. Die Ergebnisse demonstrieren die Eignung für Servicedienstleistungen und legen den Grundstein für standardisierte Testprotokolle. Die etablierte Methodik ermöglicht erstmals eine quantifizierbare Risikobewertung über den gesamten Lebenszyklus von PV-Anlagen. AP1: Methods were developed for smart quality control of lamination to precisely measure the degree of cross-linking and cross-linking accelerator content in EVA films. In AP1.1, optical methods (NIR, FTIR) were established to analyze chemical degradation and material composition in a non-destructive manner. AP1.2a focused on microstructural parameters: Using spatially resolved measurements on special mini-modules and establishing the swelling test as an efficient alternative to Soxhlet tests, a robust correlation between X-Link® measurements (LXM) and degree of cross-linking was achieved. Round-robin tests validated the reproducibility of the methods. In parallel, a BOM database was set up in AP1.3a/b, which integrates chemical fingerprints (including Py-GCMS), material properties, and analysis methods. This forms the basis for predictive FEM simulations and industrial quality assurance. AP2: To further develop the non-destructive X-Link® method for measuring the degree of cross-linking, FEM simulations (AP2.2c) were established as a digital twin. These reliably reproduce physical trends – low cross-linking leads to reduced LXM values, high cross-linking to increased values – and, after normalization, are within the metrological tolerance for most backsheets. Experimentally validated material combinations (AP2.2d) confirmed the model consistency, but show systematic deviations in absolute values. Accelerated aging tests (AP2.3b) revealed that only prolonged damp heat (DH) exposure showed a significant influence of the degree of crosslinking on performance degradation. Tests at temperatures around 100°C (DH+UV, PCT) masked the influence due to thermally induced re-lamination effects. Analyses of material variability (AP2.4d) identified significant inhomogeneities: DSC measurements showed up to 25% deviations in crosslinking enthalpy, and Py-GCMS confirmed the direct relationship between additive concentration and gel content. These fluctuations are reflected in X-Link® measurements of commercial modules and underscore the need for homogeneous additive distribution for consistent lamination quality. AP3: AP3 identified the optimal crosslinking degree range for reliable PV modules through systematic aging tests and field analyses. Accelerated tests (AP3.2b/c) showed that only prolonged damp heat exposure (85°C/85% RH) exhibited significant correlations between initial gel content and degradation. In combined stress tests (e.g., DH+UV), the strong thermal post-crosslinking led to indistinguishable samples. In the pressure cooker test, the backsheets degraded very severely. This distorts the LXM measurements for aged modules (AP3.2c). Field return analyses (AP3.2d) confirmed the practical relevance: in an 18-year-old module, the electroluminescence intensity correlated with LXM values, indicating material-related degradation patterns. Chemical fingerprints (AP3.3a) enabled the identification of film compositions and validated reference materials for process optimization. The results define critical limits for gel content and underscore the need for material-specific weathering protocols. AP4: AP4 aimed at the industrial implementation of reliability-optimized production acceleration. Sunset developed a methodology for precisely setting predetermined crosslinking degrees for known film types (based on AP3 data), enabling continuous process control. X-Link® technology proved to be the key to real-time quality control, as it allows for timely adjustments to lamination parameters in the event of deviations. The CSP confirmed the direct correlation between additive concentration and gel content through GCMS analyses, but identified pyrolysis GCMS as unsuitable for inline applications (not non-destructive and not real-time capable). It was critically pointed out that shortened lamination times (as observed in DH tests) can accelerate module degradation – a transferable risk for open-field conditions. These findings were communicated at specialist conferences (EUPVSEC, IEEE PVSC) and form the basis for future implementations. AP5: AP5 developed a cost-effective quality assurance strategy for PV systems through the practical application of X-Link® technology. At IBC Solar, on-site measurements of various material combinations (BOMs) were carried out using the X-Link. A round-robin test (LayTec, CSP, Sunset) confirmed the robust cross-tool reproducibility of the crosslinking degree measurements. The spatially resolved data acquisition establishes a reference basis for future degradation analyses of already installed modules. Parallel NIR measurements improve the material database and enable more precise automatic material recognition—a basic prerequisite for reliable calibrations. The results demonstrate suitability for service provision and lay the foundation for standardized test protocols. The established methodology enables, for the first time, a quantifiable risk assessment across the entire life cycle of PV systems