Qu'est-ce qu'un film intercalaire PVB de qualité photovoltaïque et pourquoi est-ce important ?

Qu'est-ce qu'un film intercalaire PVB de qualité photovoltaïque et en quoi diffère-t-il du PVB architectural ?

Le film intercalaire en polyvinylbutyral (PVB) est utilisé dans le verre de sécurité feuilleté depuis des décennies, notamment dans les pare-brise automobiles et les vitrages architecturaux. Dans ces applications, les fonctions principales du PVB sont de maintenir les fragments de verre ensemble après la rupture, d'absorber l'énergie d'impact et de fournir un amortissement acoustique. Le film intercalaire PVB de qualité photovoltaïque remplit un objectif fondamentalement différent et plus exigeant : il doit encapsuler et protéger les cellules solaires dans un module tout en transmettant simultanément la quantité maximale de lumière solaire à la surface active de la cellule, en maintenant la clarté optique pendant des décennies d'exposition extérieure et en préservant l'intégrité électrique du circuit cellulaire sur toute la plage de température, d'humidité et de charge UV qu'un module solaire déployé sur le terrain subira.

Le PVB architectural standard est formulé pour les performances mécaniques et n'est pas optimisé pour la transmission optique, la stabilité aux UV à long terme sous un rayonnement solaire continu ou les exigences spécifiques d'adhésion et de résistance à l'humidité de la construction de modules photovoltaïques. Le PVB de qualité photovoltaïque est une catégorie de produits distincte avec une formulation soigneusement conçue qui comprend des stabilisants UV, des plastifiants spécialisés, des promoteurs d'adhérence et des antioxydants sélectionnés pour répondre aux exigences de performance des normes de qualification de module CEI 61215 et CEI 61730 sur une durée de vie projetée du module de 25 à 30 ans. Traiter ces deux catégories de matériaux comme interchangeables est une erreur courante et coûteuse dans la conception de modules.

Quel rôle le film intercalaire PVB joue-t-il dans la structure d'un module solaire ?

Un module photovoltaïque verre-verre ou verre-feuille de verre standard est un assemblage feuilleté dans lequel les cellules solaires sont entièrement entourées d'un matériau d'encapsulation. L'encapsulant remplit plusieurs fonctions simultanées qui sont essentielles aux performances, à la fiabilité et à la longévité du module. Dans les modules utilisant du PVB comme encapsulant, le film est placé à la fois au-dessus et au-dessous de la chaîne de cellules — entre la vitre avant et les cellules, et entre les cellules et la vitre arrière ou la feuille arrière — créant un environnement scellé continu autour du circuit électrique.

Au cours du processus de laminage, le film PVB est chauffé sous vide dans un laminateur, ce qui le ramollit, s'écoule autour de la géométrie des cellules et se lie de manière adhésive à la fois aux surfaces en verre et aux surfaces des cellules. En refroidissant, le film se solidifie en une matrice viscoélastique résistante et transparente qui soutient mécaniquement les cellules, isole électriquement le circuit cellulaire du verre et du cadre, amortit la dilatation thermique différentielle entre le verre et le silicium et crée une barrière contre la pénétration d'humidité qui autrement provoquerait la corrosion de la métallisation des cellules, le délaminage de l'encapsulant et, finalement, la dégradation électrique du module. La qualité et les spécifications du film PVB déterminent directement la manière dont chacune de ces fonctions est exécutée pendant la durée de vie du module.

Quelles sont les principales propriétés de performance du film PVB de qualité photovoltaïque ?

La performance d'un film intercalaire PVB de qualité photovoltaïque se caractérise par un ensemble de propriétés qui déterminent collectivement son adéquation à l’encapsulation de modules. Chaque propriété possède des spécifications mesurables que les fabricants responsables publient et que les producteurs de modules doivent vérifier par le biais d'un contrôle qualité entrant et de tests de qualification périodiques.

Transmission optique

Une transmission optique élevée dans la plage de longueurs d'onde que les cellules photovoltaïques convertissent en électricité (environ 300 à 1 200 nm pour le silicium cristallin) est essentielle pour éviter les pertes optiques parasites au sein de la couche d'encapsulation. Les films PVB de qualité photovoltaïque atteignent généralement des valeurs de transmission initiales supérieures à 90 % sur tout le spectre visible, mesurées sur des échantillons de verre feuilleté avant vieillissement accéléré. Cependant, la transmission initiale est moins importante que la rétention de la transmission après une exposition prolongée aux UV et un cycle thermique. Un film qui commence à une transmission de 92 % mais qui jaunit à 80 % après cinq ans d'exposition sur le terrain provoque une perte de puissance mesurable et permanente. Les formulations PV PVB de haute qualité intègrent des stabilisants à la lumière à base d'amines encombrées (HALS) et des absorbeurs UV spécifiquement sélectionnés pour empêcher la formation de chromophores dans la matrice polymère sous une irradiation solaire continue.

Taux de transmission de vapeur d'humidité

La pénétration de vapeur d’eau est l’un des principaux mécanismes de dégradation à long terme des modules. L'humidité provoque la corrosion de la métallisation d'argent et d'aluminium sur les cellules solaires, favorise le délaminage aux interfaces encapsulant-verre et encapsulant-cellule et accélère la dégradation induite par le potentiel (PID) dans les modules fonctionnant à des tensions de système élevées. Le PVB a un taux de transmission de vapeur d'humidité (MVTR) intrinsèquement plus élevé que l'EVA — l'encapsulant alternatif le plus largement utilisé dans l'industrie — ce qui signifie que les constructions de modules verre-verre sont fortement préférées lorsque le PVB est utilisé, car les doubles couches de verre réduisent considérablement le chemin d'entrée efficace de l'humidité par rapport à une feuille de fond en polymère. Pour les modules verre-verre PVB, l'humidité qui pénètre à travers le joint de bord est le facteur limitant, et une conception appropriée du joint de bord est essentielle pour compléter la propre résistance à l'humidité du film.

Force d'adhésion aux surfaces du verre et des cellules

L'adhésion entre le film PVB et le verre avant, le verre arrière et les surfaces des cellules doit rester forte et stable sur toute la plage de températures subie par un module déployé sur le terrain - de moins de -40°C dans les installations à climat froid à plus de 85°C dans les environnements désertiques. Le délaminage, qui se manifeste par des bulles visibles ou des taches blanches dans le stratifié du module, est à la fois esthétiquement inacceptable et pratiquement dommageable, car les régions délaminées perdent leur fonction de barrière contre l'humidité et créent une diffusion optique qui réduit la production cellulaire. Les films PVB de qualité photovoltaïque sont formulés avec des additifs favorisant l'adhérence et sont disponibles avec des niveaux d'adhésion contrôlés — un paramètre qui peut être ajusté pour équilibrer entre une forte liaison structurelle et le comportement de libération contrôlée requis dans certaines conceptions de modules.

Résistivité volumique et isolation électrique

L'encapsulant doit maintenir une résistivité électrique élevée tout au long de sa durée de vie pour éviter les courants de fuite du circuit cellulaire vers le cadre du module et la structure de montage. La perte de résistivité, qui peut se produire lorsque l'absorption d'humidité est élevée ou lorsque le polymère se dégrade, augmente le courant de fuite, exacerbe le PID dans les systèmes haute tension et crée des risques pour la sécurité dans des conditions humides. Le PVB de qualité photovoltaïque de haute qualité maintient une résistivité volumique supérieure à 10¹³ Ω·cm dans des conditions humides, une spécification qui doit être vérifiée par des tests de chaleur humide à 85°C / 85 % d'humidité relative pendant 1 000 heures conformément aux protocoles CEI 61215.

Comment le PVB se compare-t-il à l’EVA et aux autres encapsulants solaires ?

Le film copolymère éthylène-acétate de vinyle (EVA) a historiquement dominé le marché des encapsulants solaires en raison de son faible coût, de son processus de laminage bien établi et de sa large compatibilité avec les technologies de silicium cristallin et de cellules à couches minces. Cependant, l'EVA présente des faiblesses bien documentées qui ont suscité l'intérêt pour d'autres encapsulants, notamment le PVB, l'élastomère polyoléfinique (POE) et les films ionomères. Le tableau ci-dessous résume les principales caractéristiques comparatives pertinentes pour les concepteurs de modules et les équipes d'approvisionnement.

Un avantage essentiel du PVB par rapport à l’EVA standard est l’absence de génération d’acide acétique pendant le vieillissement. Lorsque l'EVA se dégrade sous l'exposition aux UV et à une température élevée, il libère de l'acide acétique comme sous-produit de la réaction d'inversion de réticulation. L'acide acétique corrode la métallisation des cellules, dégrade les revêtements antireflet et attaque certaines structures cellulaires en couches minces. Le PVB ne génère pas d'acide acétique dans aucune condition d'exposition sur le terrain, ce qui en fait un encapsulant chimiquement plus inerte pour les conceptions de modules à longue durée de vie et pour les technologies à couches minces particulièrement sensibles à l'exposition aux acides.

Quelles applications sont les mieux adaptées au film intercalaire PVB de qualité photovoltaïque ?

Le film intercalaire PVB de qualité photovoltaïque trouve sa justification commerciale la plus solide dans les applications où la longévité du module, les performances optiques, l'intégrité structurelle sous charge mécanique et la résistance à des modes de dégradation spécifiques sont prioritaires par rapport au coût initial du matériau. Plusieurs catégories d’applications bénéficient systématiquement de l’encapsulation PVB.

• Le photovoltaïque intégré aux bâtiments (BIPV) représente l’une des solutions les plus naturelles pour l’encapsulation PVB. Les modules BIPV servent à la fois d'éléments de vitrage architectural et de composants générateurs d'électricité, nécessitant les performances de sécurité structurelle du verre architectural feuilleté - y compris la rétention des fragments après rupture - combinées aux performances optiques et électriques d'un module solaire. PVB a un historique de certification de sécurité de plusieurs décennies dans le domaine du verre feuilleté architectural, et les formulations de qualité photovoltaïque intègrent cette certification de sécurité directement dans le produit BIPV.
• Les modules bifaciaux verre-verre destinés aux systèmes à haute tension à grande échelle bénéficient de la bonne résistance PID du PVB et de l'absence de génération d'acide acétique, deux caractéristiques qui deviennent plus importantes à mesure que les tensions du système augmentent au-delà de 1 000 V et que la durée de vie des modules s'étend jusqu'à 30 ans et au-delà.
• Les modules verre-verre sans cadre pour abris de voiture, pergolas et auvents architecturaux nécessitent un encapsulant qui maintient une forte adhérence des bords sans le support mécanique d'un cadre en aluminium conventionnel. La haute adhérence du PVB aux surfaces vitrées et sa résistance mécanique le rendent bien adapté à ces installations structurellement exigeantes.
• Les fabricants de modules à couches minces utilisant les technologies de cellules au tellurure de cadmium (CdTe) ou au séléniure de cuivre et d'indium-gallium (CIGS) privilégient le PVB précisément parce que ces technologies sont sensibles à l'acide acétique que l'EVA peut générer, et que l'inertie chimique du PVB protège la chimie de la surface de la cellule tout au long de la durée de vie du module.

Que doivent évaluer les fabricants de modules lors de la sélection d’un fournisseur de film intercalaire PVB ?

La sélection d'un film intercalaire PVB de qualité photovoltaïque est une décision qui affecte les performances du module, la responsabilité en matière de garantie et la bancabilité – la capacité à attirer un financement de projet auprès de prêteurs qui exigent une fiabilité démontrée du module. Un processus rigoureux d’évaluation des fournisseurs doit aborder les dimensions suivantes :

• Demandez des fiches techniques complètes couvrant la transmission optique avant et après 1 000 heures d'exposition aux UV selon la norme CEI 61345, les performances en chaleur humide selon la norme CEI 61215, la résistivité volumique dans des conditions humides, l'adhérence au pelage du verre à plusieurs températures et le taux de transmission de la vapeur d'humidité. Tout fournisseur incapable de fournir ces points de données ne doit pas être pris en considération pour la qualification.
• Vérifiez que le film a été inclus dans les tests réussis de qualification des modules CEI 61215 et CEI 61730 avec au moins un fabricant de modules certifié, et demandez les références spécifiques du rapport de test plutôt que d'accepter des allégations génériques de conformité.
• Évaluez le système de gestion de la qualité du fournisseur, les données de cohérence d'un lot à l'autre et les spécifications de tolérance d'épaisseur : la variation de l'épaisseur du film PVB sur la largeur du rouleau et le long de la longueur du rouleau affecte directement l'uniformité du laminage et doit se situer à ± 5 % de la spécification nominale.
• Évaluez soigneusement les exigences de stockage et de manipulation : le film PVB est hygroscopique et doit être stocké dans des conditions d'humidité contrôlée inférieures à 30 % d'humidité relative pour éviter l'absorption d'humidité avant le laminage qui compromet le laminage sans bulles et la qualité optique finale.
• Tenez compte de la capacité d'assistance technique du fournisseur pour l'optimisation du processus de laminage : le profil de température de laminage, le temps de maintien sous vide et les paramètres du cycle de presse pour le PVB diffèrent de ceux établis pour l'EVA, et un fournisseur expérimenté devrait être en mesure de fournir des conseils de processus spécifiques à l'application et une assistance au dépannage pendant la transition de l'encapsulation EVA à l'encapsulation PVB.

Le film intercalaire PVB de qualité photovoltaïque occupe une position bien définie et défendable dans le paysage des encapsulants solaires. Pour les applications où l'inertie chimique, les performances de sécurité structurelle, la conservation de la qualité optique et la compatibilité avec l'architecture de module verre-verre sont prioritaires, il offre une combinaison de propriétés que l'EVA ne peut pas égaler et qui deviendra de plus en plus importante à mesure que l'industrie pousse la durée de vie des modules et les tensions du système plus loin que ne l'exigent les normes actuelles.