PVDFの劣化メカニズムの研究

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14399 (2022) この記事を引用

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21 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ポリフッ化ビニリデン (PVDF) をベースとした市販のバックシートでは、外層に亀裂が生じるという早期の現場破損が発生する可能性があります。 この研究は、亀裂の形成につながる材料特性の変化をより深く理解し、それらを再現するための適切な加速試験を見つけることを目的としています。 PVDF ベースのバックシートの外層は、異なる構造と組成を持つことができ、多くの場合、ポリ（メタクリル酸メチル）（PMMA）ポリマーとブレンドされます。 逐次（MAST）および複合（C-AST）加速ストレス試験により、経年劣化による PMMA の減少を観察しました。 PVDF が主な α 相で結晶化するアリゾナ州とインドの野外熟成サンプルでは、​​結晶化度が大幅に増加しました。 MAST および C-AST プロトコルは、現場で約 7 年間使用した後の PVDF で見られる結晶化度の増加をある程度再現できましたが、単一ストレス試験条件 (UV、湿熱、熱サイクル) では大きな変化は生じませんでした。材料特性で。 ここで使用された MAST レジメンは現実的な劣化を引き起こすには極端すぎましたが、このテストは、研究された特定の PVDF ベースの外層構造の弱点を発見するのに役立ちました。 どの試験条件でもエージング後に過剰なβ相の形成は観察されませんでした。 ただし、β 相の存在はフーリエ変換赤外分光法 (FTIR) によって局所的に確認されました。 MAST と C-AST はどちらも亀裂につながる材料劣化を引き起こすことに成功したため、PVDF バックシートの屋外破損メカニズムをスクリーニングするのに関連したテストであると結論付けています。

バックシートは、標準的な太陽光発電 (PV) モジュールのアクティブ コンポーネントを保護する背面の最外層を構成します。 典型的なバックシート タイプの 1 つは、モジュールの背面にある不透明な多層積層ポリマー シートで構成されています。 より厚いコア層は、絶縁特性と機械的強度を提供します。 より薄い内層と外層は、封止材への良好な接着性と屋外環境への耐性を考慮して設計されています。 コア層にはポリエチレン テレフタレート (PET) が一般的に選択され、内側/外側バックシート層にはポリフッ化ビニル (PVF) やポリフッ化ビニリデン (PVDF) などのフッ素ポリマーが一般的に使用されます。 この研究では、PVDF ベースのバックシート構造 (つまり、PVDF ポリマーの少なくとも 1 層を含むバックシート) に焦点を当てます。 PVDF ベースのバックシートは現在、世界市場シェアの約 50% を占めています1。 PVDF は、C-H および C-F 共有結合で形成される半結晶性の熱可塑性フッ素ポリマーです。 PVDF は高純度、優れた化学的不活性性、機械的耐摩耗性、および UV 安定性を備えています2,3。 高い電気陰性度と C-F 結合の解離エネルギーにより、ポリマーの良好な熱安定性が保証されます4。 多くのポリマーで一般的であるように、PVDF は異なる分子鎖構造、つまり -CF2- と -CH2- 単位が交互に並んだ配向を持つことができます。 C-F 双極子が同じ方向に配向している場合 (平面横断ジグザグ構造、TTTT)、ポリマーは結晶性 PVDF β 相になります。 逆平行 C-F 双極子充填の場合、ポリマーは非極性 α 相 (TGTG' 構造) になります 5、6、7。 PVDF の α 鎖と β 鎖の立体構造を図 1 に示します。α 相は溶融物からの結晶化によって得られるため、最も一般的な相です。 β 相は、α 相を 100 °C 以下で一軸または二軸延伸することにより機械的に変形させることで形成できます6。 特殊な条件下では、PVDF は他の多形体 (γ、δ、ε) を形成する可能性がありますが、これらはあまり一般的ではありません 8。

PVDF α 相および β 相の分子鎖構造の模式図。

バックシートのポリマーに関する我々の理解をさらに複雑にしているのは、PVDF の外層は顔料と添加剤を含む複雑な材料であり、通常はアクリルポリマー [例: ポリ(メチルメタクリレート) (PMMA)] 9,10 ともブレンドされます。 11、12。 メーカー、製造プロセス、組成に応じて、層の物理的および機械的特性は異なる場合があります。 導入された PV モジュール内の PVDF ベースのバックシートは、早期に故障することが確認されています。 ここでの失敗はクラックと定義されます。 バックシートの亀裂は、湿気や酸素の侵入を促進してモジュールの動作電力を低下させるだけでなく、高電圧コンポーネントを露出させて電気的危険を引き起こす可能性があります。 デュポン社が実施した最近の現地調査では、調査した PVDF 含有モジュールの 23% が導入 9 年目までに欠陥があったと報告されています13。 バスバーに沿って亀裂が形成されているのが見られました。 ただし、特定の気候との明確な相関関係は見つかりませんでした。