Um estudo dos mecanismos de degradação em PVDF

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 14399 (2022) Citar este artigo

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As folhas traseiras comerciais baseadas em fluoreto de polivinilideno (PVDF) podem sofrer falhas prematuras em campo na forma de rachaduras na camada externa. Este trabalho busca proporcionar uma melhor compreensão das mudanças nas propriedades dos materiais que levam à formação de trincas e encontrar testes acelerados apropriados para replicá-las. A camada externa da folha inferior à base de PVDF pode ter uma estrutura e composição diferentes e é frequentemente misturada com um polímero de poli(metacrilato de metila) (PMMA). Observamos o esgotamento do PMMA ao envelhecer com testes de estresse acelerados sequenciais (MAST) e combinados (C-AST). Em amostras envelhecidas em campo do Arizona e da Índia, onde o PVDF cristaliza em sua fase α predominante, o grau de cristalinidade aumentou bastante. Os protocolos MAST e C-AST foram, até certo ponto, capazes de replicar o aumento na cristalinidade observado no PVDF após ~ 7 anos no campo, mas nenhuma condição de teste de estresse único (UV, calor úmido, ciclo térmico) resultou em mudanças significativas nas propriedades dos materiais. O regime MAST usado aqui foi extremo demais para produzir degradação realista, mas o teste foi útil na descoberta de fraquezas da estrutura específica da camada externa baseada em PVDF estudada. Nenhuma formação excessiva de fase β foi observada após envelhecimento em qualquer condição de teste; entretanto, a presença da fase β foi identificada localmente por espectroscopia no infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Concluímos que tanto o MAST quanto o C-AST são testes relevantes para a triagem de mecanismos de falha externa em placas traseiras de PVDF, pois foram bem-sucedidos na produção de degradação do material que levou à fissuração.

As folhas traseiras constituem a camada de proteção mais externa da parte traseira para os componentes ativos dos módulos fotovoltaicos (PV) padrão. Um tipo típico de folha traseira é composto por uma folha polimérica laminada multicamadas opaca na parte traseira do módulo. Uma camada central mais espessa fornece propriedades isolantes e resistência mecânica. Camadas internas e externas mais finas são projetadas para boa adesão ao encapsulante e resistência ao ambiente externo. O tereftalato de polietileno (PET) é uma escolha popular para a camada central, e fluoropolímeros, como fluoreto de polivinila (PVF) e fluoreto de polivinilideno (PVDF), são comumente usados ​​para as camadas internas/externas da folha traseira. Neste trabalho, focaremos na estrutura de backsheet baseada em PVDF (isto é, backsheets contendo pelo menos uma camada de polímero PVDF). As backsheets baseadas em PVDF representam atualmente cerca de 50% da participação no mercado mundial1. PVDF é um fluoropolímero termoplástico semicristalino formado por ligações covalentes C – H e C – F. O PVDF possui alta pureza, excelente inércia química, resistência à abrasão mecânica e estabilidade UV2,3. A alta eletronegatividade e energia de dissociação da ligação C – F garantem boa estabilidade térmica do polímero . Como é comum em muitos polímeros, o PVDF pode ter diferentes conformações de cadeia molecular, ou seja, orientação de unidades alternadas –CF2– e –CH2–. Quando os dipolos C – F são orientados na mesma direção (conformação transplanar em zigue-zague, TTTT), o polímero está em sua fase β cristalina de PVDF. No caso do empacotamento dipolo C – F antiparalelo, o polímero está em sua fase α apolar (conformação TGTG') . As conformações das cadeias α e β do PVDF são visualizadas em um esquema na Fig. 1. A fase α é a fase mais comum, pois pode ser obtida por cristalização a partir do fundido. A fase β pode ser formada por deformação mecânica via estiramento uniaxial ou biaxial da fase α abaixo de 100 °C6. Sob condições especiais, o PVDF pode formar outros polimorfos (γ, δ e ε), mas estes são menos comuns8.

Esquema da conformação da cadeia molecular das fases α e β do PVDF.

Para complicar ainda mais nossa compreensão dos polímeros nas folhas traseiras, a camada externa de PVDF é um material complexo contendo pigmentos e aditivos, e normalmente também é misturada com polímeros acrílicos [por exemplo, poli(metacrilato de metila) (PMMA)]9,10, 11,12. Dependendo do fabricante, do processo de fabricação e da composição, a camada pode ter diferentes propriedades físicas e mecânicas. As folhas traseiras baseadas em PVDF em módulos fotovoltaicos implantados falharam prematuramente. A falha aqui é definida como rachadura. A fissuração da folha traseira pode não só comprometer a potência operacional do módulo, permitindo maior entrada de umidade e oxigênio, mas também apresenta um risco elétrico ao expor os componentes de alta tensão. Num recente estudo de campo conduzido pela DuPont, 23% dos módulos investigados contendo PVDF apresentavam defeitos no 9º ano de implantação13. Foram observadas rachaduras se formando ao longo dos barramentos; no entanto, não foi encontrada nenhuma correlação clara com um clima específico.