Il degrado dei sistemi fotovoltaici (FV) è uno dei fattori chiave da affrontare per ridurre il costo dell’energia elettrica prodotta aumentando la durata operativa dei sistemi FV. Per ridurlo è indispensabile conoscere i fenomeni di deterioramento e di guasto. Questo articolo è stato preparato per presentare una panoramica dello stato dell’arte delle conoscenze sull’affidabilità dei moduli fotovoltaici.
Introduzione
L’impatto economico e sociale del fotovoltaico (FV) è enorme e continuerà a crescere rapidamente.
La qualità e l’attrattiva commerciale di un sistema fotovoltaico sono determinate principalmente dalle sue prestazioni sul campo, dal costo e dalla durata di vita, a cui il modulo fotovoltaico contribuisce in modo significativo. Durante la vita operativa di un modulo, questo sarà esposto a sollecitazioni ambientali simultanee come la luce solare, il caldo e il freddo, l’umidità e i carichi meccanici. Questi fattori spesso portano a una graduale diminuzione delle prestazioni e, in alcuni casi, a guasti improvvisi e perdite di potenza. È auspicabile limitare questi effetti.
Cruciale è garantire l’affidabilità a lungo termine. I nostri ingegneri si impegnano a minimizzare il più possibile il degrado e prevederne quantitativamente i fenomeni che non possono essere eliminati. Ciò consentirà una stima più accurata della durata di vita prevista di un modulo e della sua resa elettrica. Tali stime sono necessarie per gli investimenti su larga scala, poiché gli investitori, le banche e le compagnie di assicurazione desiderano ridurre al minimo i rischi e le incertezze. Per ottimizzare l’affidabilità e la prevedibilità e per aumentare la durata di vita del modulo, è fondamentale che i meccanismi di degrado e di guasto siano noti e possano essere facilmente riconosciuti e contenuti.
Una tecnologia di energia rinnovabile come il fotovoltaico svolgerà un ruolo chiave nella transizione energetica verso un sistema energetico a emissioni nette zero, tuttavia è fondamentale che le diverse tecnologie fotovoltaiche continuino a evolversi per consentire ulteriori riduzioni dei costi, ma anche per ridurre l’impatto ambientale e per facilitare il riutilizzo e il riciclaggio. È chiaro che le nuove architetture dei dispositivi e i nuovi materiali devono prendere in considerazione gli effetti di scala, la capacità di avere una lunga durata e un basso impatto ambientale. Questo documento riassume le sfide di affidabilità che devono essere rispettate per ottenere una maggiore durata e garantire un’ulteriore riduzione dei costi.
Durante il funzionamento reale, i moduli FV sono esposti a vari fattori di stress esterni e interni che ne influenzano le prestazioni e l’affidabilità a lungo termine. Mentre i fattori di stress esterni sono legati alle condizioni ambientali, i fattori di stress interni sono causati dalla distinta dei materiali dei moduli FV e dagli effetti legati alla lavorazione.
Fattori di stress ambientale
1. Irraggiamento
Le caratteristiche principali dell’irraggiamento solare incidente sui moduli FV sono la sua potenza, la distribuzione spettrale e l’angolo di incidenza.
La distribuzione spettrale e il livello di intensità dell’irradiazione incidente dipendono da una serie di fattori, come le variazioni dell’ozono stratosferico con la latitudine e la stagione, l’ora del giorno, la stagione, l’azimut (angolo della bussola), l’angolo di inclinazione rispetto all’orizzontale, la copertura nuvolosa, la riflessione superficiale, l’altitudine e l’inquinamento atmosferico. Gli UVB (280-315 nm) sono la parte più dannosa della luce UV, in particolare per i materiali polimerici dei moduli fotovoltaici, sebbene la loro frazione di potenza (∼1,5%) sia piccola rispetto a quella degli UVA (315-400 nm; ∼98,5%) secondo lo spettro di riferimento. Questa frazione fluttua per la luce UV incidente: è più alta alle latitudini più basse, durante l’estate e nelle ore centrali del pomeriggio, quando i raggi solari sono più forti, e ci si può aspettare una degradazione più rapida in queste condizioni esterne.
2. Temperatura
La temperatura è un fattore di stress ambientale fondamentale, in quanto può influire direttamente sulle prestazioni elettriche di un modulo fotovoltaico, accelerare i tassi di permeazione e reazione nei materiali e indurre stress meccanico a causa delle differenze nei coefficienti di espansione termica delle parti del modulo. La temperatura all’interno della cella o del modulo può differire dalla temperatura ambiente, in particolare a causa dell’irraggiamento incidente. Il flusso di calore fuori dalle celle dipende dalla geometria e dalla conducibilità termica dei materiali circostanti, dalla velocità del vento e dalla configurazione di installazione del modulo fotovoltaico.
La temperatura ha un effetto accelerante su molti meccanismi di degrado del modulo, in particolare quelli legati alle reazioni chimiche e alla diffusione. La dipendenza dalla temperatura di tali effetti è spesso modellata utilizzando l’equazione di Arrhenius con un’energia di attivazione dipendente dal meccanismo. La degradazione dei film incapsulanti e del backsheet e la corrosione degli elementi di metallizzazione seguono il comportamento di Arrhenius.
A causa della mancata corrispondenza dei coefficienti di espansione termica, i materiali dei moduli si espandono e si contraggono a tassi variabili al variare della temperatura. Questo disallineamento può indurre sollecitazioni termomeccaniche all’interno della struttura del modulo. La stabilità meccanica degli elementi elettrici attivi, come le celle, i giunti di saldatura e i nastri di interconnessione, è particolarmente influenzata da tali sollecitazioni. Possono verificarsi deformazioni, delaminazioni alle interfacce dei moduli e persino fessurazioni delle celle. Le variazioni di temperatura diurne e stagionali producono sollecitazioni termomeccaniche cicliche che possono portare a guasti indotti dalla fatica nei vari componenti del modulo.
3. Umidità
L’umidità è un altro importante fattore di stress per i moduli fotovoltaici, in quanto l’ingresso dell’umidità può deteriorare i legami adesivi alle interfacce tra i componenti del modulo, provocando la delaminazione, causando la perdita di passivazione e degradando i rivestimenti antiriflesso; inoltre, porta alla corrosione degli elementi di metallizzazione. In condizioni esterne, l’umidità si presenta sotto diverse forme, come il vapore acqueo (o umidità), la condensazione (o rugiada), la pioggia, la neve e il ghiaccio.
Poiché il vapore acqueo è in forma gassosa, può permeare attraverso i materiali polimerici di imballaggio, accumularsi all’interno della struttura del modulo e indurre la degradazione dei componenti del modulo. Anche l’acqua liquida, soprattutto umidità condensata, rugiada o pioggia, può essere assorbita o desorbita. L’ingresso di acqua in grandi quantità può indurre sollecitazioni meccaniche a causa dell’espansione e della contrazione idrodinamica del volume. Può anche erodere le specie a basso peso molecolare e gli additivi dai materiali polimerici. Può inoltre dissolvere gli ioni, deteriorare l’isolamento elettrico dei materiali dielettrici e causare correnti di dispersione. In forma solida come ghiaccio, può subire variazioni di volume durante i cicli di gelo e disgelo e produrre sollecitazioni meccaniche sul lato esterno del modulo fotovoltaico che portano alla delaminazione del vetro frontale o al danneggiamento della cornice.
Quando il modulo è saturo di umidità, un calo di temperatura può far sì che il livello di umidità superi il limite di saturazione, provocando la condensazione sotto forma di goccioline d’acqua, in particolare sulle interfacce, sulle superfici delle celle e sugli elementi di metallizzazione. Mentre le interfacce indebolite possono delaminare e creare ulteriori percorsi per l’ingresso dell’umidità, il cortocircuito e la corrosione della metallizzazione possono causare una significativa perdita di prestazioni a causa dell’aumento della resistenza. I moduli difficilmente contengono acqua dopo la produzione, ma le concentrazioni interne di umidità aumentano nel tempo sul campo. Il tempo necessario per raggiungere il livello di concentrazione di umidità in equilibrio è uno dei parametri chiave per la durata di vita dei moduli fotovoltaici. È stato stimato da pochi giorni a una settimana in una struttura traspirante (modulo vetro/backsheet), ma fino a qualche anno in una struttura non traspirante (modulo vetro/vetro).
4. Carico meccanico
I moduli fotovoltaici possono essere sottoposti a diverse sollecitazioni meccaniche dovute ai processi di produzione, al trasporto, alla manipolazione durante l’installazione, al vento, alla grandine, alla neve e ai carichi termomeccanici. Poiché le celle solari e gli elementi di metallizzazione sono sottili e fragili, sono suscettibili a tali condizioni di stress e devono essere protetti contro la fessurazione o la rottura. Anche i backsheet infragiliti sono soggetti a carichi meccanici. Anche il vetro frontale e la cornice possono essere danneggiati da carichi meccanici che possono portare alla rottura del modulo fotovoltaico. Per i materiali di imballaggio polimerici, le sollecitazioni meccaniche possono creare o estendere le crepe, in particolare quando la resistenza meccanica di un polimero è già indebolita da altri fattori di stress ambientale, come i raggi UV o l’umidità.
A seconda dell’orientamento, i moduli subiscono spesso sollecitazioni meccaniche sul lato anteriore durante il funzionamento. Il carico di neve è un fattore di stress statico e l’accumulo a lungo termine sul lato anteriore può esercitare una forza significativa sul modulo, causando crepe nella cella. Se il modulo è inclinato, l’accumulo di neve e la formazione di ghiaccio sul bordo del modulo possono indurre forze di flessione e danneggiare la rigidità del telaio. Può verificarsi persino il distacco della cornice dal modulo. In questo caso, i moduli perdono la loro protezione ambientale ed elettrica. Il vento, invece, è un fattore di stress dinamico e può applicare forze sulla parte anteriore e posteriore a seconda della sua direzione. I carichi meccanici dovuti al vento possono essere significativi, poiché la sua direzione e la sua velocità possono cambiare improvvisamente in caso di raffiche. L’esposizione prolungata a raffiche di vento cicliche può provocare la formazione di microfessure nelle celle e indurre guasti a fatica degli elementi di metallizzazione. I moduli nella struttura di montaggio devono quindi avere un certo grado di torsione per resistere alle vibrazioni indotte dal vento.
5. Sporcizia
Lo sporco può derivare dall’accumulo di polvere, dall’inquinamento atmosferico, dalla crescita di alghe microbiche o da escrementi di uccelli sulla superficie del modulo. L’accumulo uniforme di polvere o di sporco biologico non influisce sull’affidabilità a lungo termine dei moduli FV, a differenza di altri meccanismi di guasto come la corrosione, la delaminazione e le cricche delle celle, ma può influenzare le prestazioni di potenza e questo deve essere considerato quando si misura il degrado all’aperto. Il grado di sporcizia può dipendere dalle proprietà della superficie del modulo, dalla posizione dell’installazione e dalla configurazione di montaggio dei moduli, come l’angolo di inclinazione e l’altezza dal suolo. La formazione di rugiada o i cicli di essiccazione possono causare la cementazione delle particelle di polvere, rendendole difficili da rimuovere con la pulizia naturale. Lo sporco di polvere può essere significativo soprattutto nei climi desertici. D’altra parte, nei climi tropicali con elevata umidità e frequente formazione di rugiada, lo sporco biologico può anche ostacolare la trasmissione della luce nella cella solare.
La caduta degli uccelli può essere considerata una forma di sporco biologico, ma il suo effetto è diverso da quello della polvere e dello sporco biologico. A causa delle loro dimensioni maggiori e della formazione non uniforme sulla superficie frontale, possono bloccare la trasmissione della luce a livello locale e quindi influire in modo significativo sulle prestazioni e sull’affidabilità del modulo. In questo modo possono agire come un’ombreggiatura parziale del modulo e portare a fenomeni di disadattamento delle cellule che, se non puliti, potrebbero portare alla formazione di hotspot. I punti caldi sono aree localizzate di temperatura elevata, a volte superiore a diverse centinaia di gradi. Sono potenzialmente uno dei tipi più gravi di degrado del modulo perché possono essere pericolosi e causare danni significativi alla cella solare e all’imballaggio del modulo. Gli hotspot si formano in aree in cui grandi correnti passano attraverso una piccola area resistiva e possono essere causati da ombreggiamento, sporcizia e celle o connessioni danneggiate (metallizzazione, interconnessioni).
6. Sostanze chimiche (inquinanti naturali e industriali)
Alcune specie chimiche presenti in natura o prodotte industrialmente possono causare la corrosione dei moduli FV. Le più comuni sono la nebbia salina nelle aree offshore (particolarmente dannosa nei climi tropicali), l’ammoniaca nelle aree agricole rurali e l’acido solforico e nitrico nelle aree industriali. Questi fattori di stress possono degradare vari componenti dei moduli fotovoltaici, come i backsheet, i sigillanti adesivi dei bordi, le scatole di giunzione, i cablaggi e i connettori. Oltre al degrado delle prestazioni, possono causare problemi di sicurezza a causa della compromissione dell’isolamento dei moduli.
Oltre ai fattori di stress ambientale, descritti in precedenza, anche i fattori interni come la progettazione del modulo, la distinta base e gli effetti legati alla lavorazione possono causare o influenzare il degrado del modulo.