Polymer-Focused Analysis for Photovoltaic Module Sustainability: From Reliability Assessment to End-of-Life Management

Abstract

Die Photovoltaik (PV) spielt eine zentrale Rolle bei der globalen Energiewende, um fossile Energie durch Erneuerbare zu ersetzen. Die weltweit installierte Leistung erreicht mittlerweile die "Terawatt-Era". Durch die starke Kostenreduktion im letzten Jahrzehnt breitet sich der Einsatz von PV Modulen rasch auf immer vielfältigere Umgebungen und Installationsanwendungen aus. Die Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit bei gleichzeitiger Ermöglichung eines effizienten End-of-Life-Managements (EoL) ist entscheidend für eine nachhaltige Energiewende mit PV. Die polymeren Komponenten im Modullaminat bestimmen einerseits maßgeblich die Zuverlässigkeit und andererseits die Möglichkeiten der EoL-Verarbeitung. Einkapslungsma-terial und Rückseitenfolien beeinflussen das Eindringen von Feuchtigkeit, die Übertragung mechanischer Belastungen, chemische Abbauprozesse und Möglichkeiten der Laminattrennung für das Recycling. Trotz ihrer entscheidenden Rolle sind polymerspezifische Charakterisierungsmethoden, die auf den gesamten Lebenszyklus des Moduls anwendbar sind, begrenzt und meistens aufwendig und zerstörend. Diese Dissertation stellt einen Analyse- und Prüfprozess vor, mit einem Fokus auf die polymeren Komponenten, um die Nachhaltigkeit von PV-Modulen von der Herstellung, über den Betrieb bis zum Lebensende zu verbessern. In dieser Dissertation wurden sechs PV-Anlagen, die seit über 30 Jahren in alpinen und gemäßigten Klimazonen in Betrieb sind, analysiert. Die Analyse zeigte, dass geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Einkapslungsmaterialien und der Rückseitenfolien die Hauptursachen für Unterschiede im elektrischen Leistungsverlust sind. Darüber hinaus beeinflussten unterschiedliche Umweltbedingungen, vor allem die Modultemperatur, in den verschiedenen Klimazonen die Materialdegradation. Beispielsweise zeigen Module, die höherer Temperatur ausgesetzt sind, eine stärkere Bildung von Essigsäure in Ethylen-Vinylacetat (EVA) Einkapslungsmaterialien. Diese bewirken dann Korrosion auf der Zelloberfläche oder der Metallisierung, was zu einem höheren Leistungsverlust der Module führte. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse aus dem Feld wurden beschleunigte Alterungstests entwickelt, um neue Moduldesigns und Materialien gezielt auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen-über extremeren klimatischen Bedingungen, wie zum Beispiel jene der Alpen, zu prüfen. Statische und dynamische mechanische Belastungstests bei negativen Temperaturen oder nach Temperaturzyklen zeigten, dass die veränderte Flexibilität der Einkapslungsmaterialien bei tiefen Temperaturen direkt die Fehlerentwicklung in den Solarzellen bestimmt. Polyolefin-Einkapslungsmaterialien zeigten im Vergleich zu EVA eine bessere Flexibilität bei niedrigen Temperaturen, was die Zellen besser vor mechanischer Beanspruchung schützt. Außerdem zeigten die Tests, dass klimaspezifische Modultests relevant sind, da sie typische Fehler besser nachstellen. Um bei intakten Modulen, im Feld oder während beschleunigten Alterungstests, Polymeridentifikation und -degradation zu erkennen, wurde in dieser Arbeit eine Nahinfrarot (NIR)-Spektroskopiemethode in Kombination mit chemometrischen Analysen, einschließlich Hauptkomponentenanalyse und Random Decision Forest, entwickelt und validiert. Sie ermöglichte die zerstörungsfreie Analyse des Polymerabbaus in intakten Modulen. Es konnte eine signifikante hydrolytische Veränderung in Polyethylenterephthalat (PET) und EVA sowie eine photooxidative Schädigung im PET erfolgreich nachgewiesen werden. Außerdem konnte mit der NIR-Methode der hydrolytische Abbau in PET-Rückseitenfolien von den Auswirkungen reversibler Feuchtigkeitsaufnahme unterschieden werden. Bei der Anwendung auf PV-Modulen am Ende ihrer Lebensdauer, zeigte die Arbeit, dass die NIR-Spektroskopie eine schnelle Identifizierung von Polymeren in den angelieferten Modulen sowie in den zerkleinerten Modul-Fraktionen ermöglicht. Zudem gelang eine quantitative Analyse der gemischten Einkapslungsmaterialien- und Rückseitenfolienfraktionen nach der mechanischen Trennung. Eine systematische Quantifizierung des Fluorgehalts bei repräsentativen Rückseitenfolien-Designs ergab Werte von unter 1 gew.% bei modernen, beschichteten PET-Designs und bis zu 12 gew.% bei früher verwendeten Designs auf Polyvinylfluorid (PVF)-Basis. Diese Ergebnisse zeigen, wie die Polymeridentifizierung bei EoL Modulen und deren Fraktionen, durch die Anwendung fortschrittlicher analytischer Ansätze die Auswahl weiterer Recyclingwege beeinflussen kann. Zusammengefasst zeigt die Dissertation den Einfluss von Polymermaterialien auf die Zuverlässigkeit, Leistung und Recyclingfähigkeit von PV-Modulen. Außerdem wurde die Polymer-charakterisierung als analytischer roter Faden etabliert, der den gesamten Lebenszyklus eines Moduls vereint. Fundierte Materialmessungen und der Einsatz fortschrittlicher Analysemethoden sind für den nachhaltigen großflächigen Einsatz von PV unerlässlich.

Photovoltaic (PV) plays a central role in the global energy transition. Installed capacity is reach-ing the terawatt scale, and deployment is expanding rapidly into more diverse environments and installation applications. Ensuring long-term reliability while enabling efficient end-of-life (EoL) management are key to a sustainable energy transition and to secure a reliable energy supply.The polymeric components within the PV module laminate critically determine both reliabil-ity and EoL processing. Encapsulants and backsheets are essential to protect the electricity producing solar cells. They influence moisture ingress, mechanical stress transfer, chemical degradation pathways, and the feasibility of material separation and treatment for recycling. Despite their decisive role, characterization methods applicable to the entire module lifecycle that are specific to polymers remain limited and are mostly destructive. This thesis presents a polymer-focused analytical and testing framework to enhance the sustainability of PV modules from design to operation and EoL.This thesis analyzed six PV systems that have operated for over 30 years in alpine and temperate climates. The analysis showed that slight variations in encapsulant formulation and backsheet composition were the dominant drivers of variations in the electrical performance degrada-tion. Additionally, different operating conditions influenced material degradation. For instance, higher module temperatures increased the formation of acetic acid in ethylenevinyl acetate (EVA) encapsulants, which was directly correlated with the corrosion of cell metallization and increased series resistance.Based on these findings, an adapted accelerated test matrix was developed to test new modules for their ability to withstand harsh climatic conditions, such as those found in the Alps. Mechanical load tests conducted on PV modules at low temperatures or after temperature cycles revealed that the encapsulant flexibility at low temperatures directly influenced solar cell crack formation. Polyolefin encapsulants demonstrated superior mechanical stability at low temperature compared to EVA. The applied tests showed that climate-specific testing is relevant because it revealed failures that are typical of alpine outdoor installations.To enable non-destructive polymer degradation analysis in intact module laminates in the field or during laboratory tests, this thesis developed and validated a near-infrared (NIR) spectroscopy methodology combined with chemometric analysis, including principal component analysis and random decision forest. This method successfully detected significant hydrolytic degradation in polyethylene terephthalate (PET) and EVA, as well as photooxidative degradation in PET. Additionally, it differentiated between hydrolysis and the reversible effects of moisture absorp-tion.Extending this methodology to EoL management, this work demonstrated that NIR spectroscopy could rapidly identify polymers in EoL modules or in already delaminated module fractions. The quantification of the mixed encapsulant and backsheet fractions after separation was also achieved. Due to its relevance for the subsequent recycling routes of the polymer fraction of PV modules, the fluorine content was systematically quantified across representative backsheet fractions. The results revealed values ranging from below 1 wt% in modern coated PET struc-tures to up to 12 wt% in early polyvinyl fluoride (PVF)-based designs. These results demon-strated how polymer identification informs the selection of further recycling routes by applying advanced analytical approaches to EoL modules and their separated fractions.Together, these findings highlight the significant impact of polymer materials on the reliability, performance, and recyclability of PV modules. Additionally, they establish polymer charac-terization as an analytical thread that unifies the entire module lifecycle. This underscores the importance of making informed material choices and using advanced analytics for the sustainable deployment of PV at scale.