b. Dégradations de l’encapulant EVA

Figure I.16 : Exemple de formulation d’un encapsulant à base de copolymère EVA.³⁶

I.3.2.b. Dégradations de l’encapulant EVA

La chaleur, l’humidité et les rayonnements UV sont les principaux facteurs responsables de la détérioration de l’encapsulant, un grand nombre de paramètres devant être pris en compte lors des processus de dégradation.³⁵

Coloration jaune-brun de l’encapsulant : mécanismes chimiques

Les ultraviolets du soleil et les températures élevées dégradent l’encapsulant en modifiant chimiquement le copolymère et ses additifs par des mécanismes de déacétylation (Figure I.17 (A)), par la photo-oxydation et par l’effet photothermique. Plusieurs mécanismes chimiques à l’origine de la dégradation de l’encapsulant ont été mis en évidence, mais la compréhension du vieillissement du copolymère est encore aujourd’hui très mal connue.³⁷

Deux hypothèses principales sur les causes de ces dégradations ont été avancées par Pern et coll. d’une part et d’autre part par Klemchuk et coll.

Tout d’abord, Pern et coll. ont supposé que les UV du rayonnement solaire étaient à l’origine de la formation de polyènes conjugués et de groupements carbonyles α,β-insaturés dans l’encapsulant et donc de la coloration brune du copolymère.³² L’EVA est en effet connu pour générer une double liaison via l’élimination d’une molécule d’acide acétique lorsqu’il est exposé sous UV à 257 nm (Figure I.17 (A)). De plus, lors de la dégradation du copolymère, la formation de lactones, de cétones et d’aldéhydes a été observée par ces auteurs (Figure I.17 (B et C)).^37,38 Ethylène-acétate de vinyle (96-98%) Péroxyde (1-2%) Réticule Benzoltriazole (0,2-0,35%) Absorbe les UV

Hinder Amine Light Stabilizer (HALS, 0,1-0,2%) Décompose les radicaux

Trialcoxysilane (0,2-1%) Permet l’adhésion

Phosphonite phénolique (0-0,2%) Décompose les radicaux

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La température et l’humidité auraient une influence plus importante sur la formation d’acide acétique comparée à l’effet du rayonnement UV.³⁹ L’acide acétique serait à l’origine de l’accélération de la dégradation en étant responsable de la corrosion des contacts électriques mais également en catalysant de nombreuses réactions parasites.³⁰

Figure I.17 : Formation de composés parasites dégradant l’encapsulant ; (A) formation d’acide acétique ; (B) formation de lactone ; (C) formation de cétone et d’aldéhyde.³⁷

En revanche, Klemchuk et coll. ont émis l’hypothèse que la coloration brune du copolymère ne serait pas due à la formation de polyènes conjugués mais i) aux interactions entre le peroxyde réticulé et quelques additifs stabilisateurs et ii) à l’oxydation du copolymère.²⁹ En effet, trois raisons ont été avancées par ces auteurs pour exclure la formation de polyènes : i) la formation de polyènes n’a pas été prouvée malgré l’utilisation de différentes techniques d’analyse ; ii) la proportion en unités acétate de vinyle/éthylène est de 1/6 ce qui rend peu probable la formation de longues chaînes de poly(acétate de vinyle) et donc de segments de polyènes assez longs pour être la cause du brunissement et iii) la limite inférieure du spectre du soleil est de 290 nm, donc trop peu énergétique pour former des polyènes. De plus, en comparant des encapsulants contenant des peroxydes et d’autres n’en contenant pas après 12 semaines sous le soleil, les teneurs en absorbant UV (UVA) et en stabilisateur (HALS) diminueraient fortement uniquement dans les encapsulants contenant des peroxydes. Pendant la lamination, le peroxyde subirait un clivage homolytique créant ainsi des radicaux alcoxyles, qui réticuleraient avec le polymère. Mais ces radicaux pourraient également réagir avec les additifs et former des chromophores, qui seraient à l’origine du brunissement (Figure I.18). Sous le rayonnement solaire, les peroxydes qui n’auraient pas réagi pendant la lamination, formeraient également des radicaux qui réagiraient avec le polymère ou les additifs.

Une autre étude de Pern et coll. a par ailleurs démontré que la présence des absorbants UV - Lupersol 101™ et Cyasorb UV 531- dans le copolymère facilitaient la formation de chromophores conjugués responsables du brunissement.⁴⁰

A

B

Chapitre I : La conversion photovoltaïque - Etat de l’art sur les panneaux solaires 25 O OH OC₈H₁₇ UVA O O OC₈H₁₇ RO O OH OC₈H₁₇ O O OC₈H₁₇ O OH OC₈H₁₇ O O OC₈H₁₇ Chromophores

Figure I.18 : Formation de chromophores par mécanismes radicalaires.²⁹

Le brunissement de l’encapsulant serait également dû à une importante oxydation des segments polyéthylène selon Klemchuk.²⁹ En outre, Allen et coll. ont suggéré que des hydropéroxydes, formés lors de la dégradation, seraient responsables de la formation de cétones et de groupements carbonyles α,β-insaturés.³⁸

En résumé, la formation de polyènes, les interactions entre les additifs, ou l’oxydation générée par les UV et les températures élevées sont les différents mécanismes chimiques proposés pour rendre compte des phénomènes de dégradation de l’EVA. Une hypothèse plausible étant que tous ces mécanismes interviennent dans le processus.³⁷

Le changement de couleur du panneau photovoltaïque est la principale dégradation visible et inquiétante. Elle a fait l’objet de nombreuses interrogations et discussions. Les modules vendus dans le commerce ne présentent pas de jaunissement pendant plusieurs années dans les régions au climat modéré, mais il est observé avant que le panneau ait 30 ans. L’encapsulant passe d’incolore à jaune, puis brun, jusqu’à parfois brun foncé au cours de la vie du panneau. L’apparition de cette coloration va dépendre du climat auquel sont soumis les modules. Des tests sous simulateurs solaires ont été réalisés et ainsi, lorsque des dispositifs verre/EVA/cellule/EVA/verre ont été exposés sous simulateur solaire, l’encapsulant est devenu brun foncé en seulement 7 à 10 jours.⁴¹ La coloration brune de l’EVA aura pour conséquence de diminuer la transmittance, donc la transparence, de l’encapsulant (Figure I.19).⁴² Les résultats de Pern et coll. affichent une diminution entre 9 et 17% entre 290 et 792 nm après exposition sous simulateur solaire.⁴¹

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Figure I.19 : Spectres d’absorption UV-visible de films EVA non dégradés et dégradés sous simulateur solaire.⁴²

Coloration inhomogène de l’encapsulant : oxydation

La coloration inhomogène des cellules au cours du temps a permis de mettre en évidence la diffusion dans la cellule de l’air provenant de la face arrière.^32,35 L’air se propage entre les cellules qui font office de barrière, d’où la différence de couleur. Ainsi, la périphérie de l’encapsulant et les espaces entre les cellules sont de couleur plus claire, le centre restant jaune-brun.^29,37 Si l’hypothèse de la formation des polyènes est retenue, ces zones claires seraient le résultat du blanchiment des zones brunies par photo-oxydation des polyènes sous l’effet des UV, ce processus se nomme le « photobleaching ». Les zones plus claires présenteraient donc des groupements hydroxyle, liés à la présence des fonctions acide carboxylique. Cette photo-oxydation blanchissant le copolymère bruni pourrait être considérée comme avantageuse. Cependant elle ne l’est pas lorsqu‘elle a lieu dans les polymères organiques, car elle les fragilise.²⁹

Délamination et corrosion de l’encapsulant

Le climat humide de certaines régions est une des origines de la dégradation des panneaux photovoltaïques. En effet, le dispositif est le plus vulnérable aux interfaces verre/encaspulant ou encapsulant/face arrière et lorsque l’eau parvient à traverser l’encapsulant pour atteindre les cellules solaires, les conséquences sont importantes quant à l’efficacité du panneau.^31,43 Ainsi, Peike et coll. interprètent leurs résultats par une diffusion de la vapeur d’eau provenant de la face arrière.³⁷ La vapeur d’eau remonte les interfaces entre les cellules pour atteindre finalement la couche supérieure du copolymère à l’interface encapsulant/verre. Malgré les améliorations apportées par des faces arrières composées en Tedlar®, l’humidité diffuse à travers l’EVA jusqu’aux contacts électriques, induisant leur corrosion.⁴⁴

L’eau introduite dans l’encapsulant réagira avec les matériaux sous l’effet du rayonnement UV et des températures élevées provoquant ainsi la délamination. La délamination est une des conséquences de la dégradation de l’encapsulant ainsi que le résultat de la perte d’adhésion entre l’encapsulant et les composants du module photovoltaïque (verre, face arrière et cellules). La délamination est le plus fréquemment

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produite dans les régions de climat chaud et humide. Lorsque la température est de 23°C ou de 85°C et l’humidité relative faible, la force adhésive reste identique. En revanche, en augmentant l’humidité relative à 85%, l’adhésion de l’encapsulant au verre diminue au cours du temps.³⁰ Ce phénomène s’explique par la présence des silanes en équilibre avec l’eau dissoute dans l’encapsulant. Ces silanes permettant la réticulation de l’EVA au verre, perdent leur équilibre dans des conditions très humides et rendent ainsi la réticulation très vulénrable. De plus, la présence d’acide acétique augmente la perte d’adhésion en servant de catalyseur pour l’hydrolyse des liaisons siloxanes. Cette perte d’adhésion est également causée par les rayonnements UV.

La perte d’adhésion se démontre par des mesures de force adhésive. Lorsque des modules ont été exposés aux UV pendant 1000h, la force adhésive est passée de 15 à 1 N.mm^-2 du fait de l’énergie du rayonnement UV qui est plus élevée que l’énergie de dissociation de liaison du polymère. Elle a diminué de 15 à 10 puis à 3 N.mm^-2 lorsque les modules ont été placés dans une enceinte à 85°C et 85% d’humidité relative après respectivement 1000h et 2000h. Cette perte est liée à la diffusion de l’eau dans l’encapsulant. Les UV ont par conséquent un effet plus important qu’une température et un taux d’humidité élevés sur la perte d’adhésion entre l’encapsulant et le verre.³⁹ Une seconde étude démontre que sous vieillissement accéléré à 85°C et 85% d’humidité relative, la moitié de la force adhésive est perdue après 1000h.³⁰ Un troisième exemple affirme qu’après seulement 1000h de vieillissement accéléré à 85°C et 85% d’humidité relative, certaines cellules ont été décollées de l’encapsulant et la force adhésive n’était plus que de 31% de sa valeur initiale.⁴⁵

La délamination a également été prouvée par les concentrations en carbone et en impuretés. En effet, il a été démontré qu’à l’interface EVA/cellule, la force adhésive est importante si le taux de carbone est élevé et si le taux en impuretés est faible. Le phosphore et le sodium sont des impuretés, le premier provenant du dopage de la cellule et le second du verre. D’après les analyses de Dhere et coll. les concentrations en phosphore et en sodium augmentent au cours du vieillissement, tandis que le taux de carbone diminue. Du titane, de l’argent et de l’étain ont également été trouvés en faible quantité à la surface du copolymère, probablement du fait de la corrosion des contacts.⁴⁵

Autres processus de dégradation de l’encapsulant

D’autres phénomènes de dégradation ont été relatés dans certaines études. Par exemple, de la silice a été détectée dans l’encapsulant, indiquant soit la diffusion de silice provenant du verre dans le copolymère, soit la dégradation des silanes présents dans l’encapsulant.²⁹ Par ailleurs, deux études démontrent que les rayonnements UV et des températures élevées induisent une cristallisation plus importante du copolymère, ce qui modifie ses propriétés mécaniques.^30,39 En effet, les propriétés mécaniques du copolymère EVA diffèrent entre -40°C et 80°C, du fait des valeurs de température de transition vitreuse et de température de fusion qui sont proches ou dans la gamme de température d’utilisation

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d’un panneau solaire. Ainsi, entre 40°C et 60°C le copolymère cristallise ce qui le rend plus rigide. A une température inférieure à -15°C, le copolymère est en dessous de sa température de transition vitreuse (selon les études la Tg de l’EVA varie entre -15°C³⁰ et -40°C⁴⁶), ce qui le rend également très rigide. Bien que les panneaux photovoltaïques soient garantis pour fonctionner dans une gamme de température allant de -40°C à +80°C, des températures limites de -15°C et +40°C devraient être recommandées.³⁰

Pendant la fabrication du panneau photovoltaïque, une étape de lamination suivie d’un traitement thermique sont réalisés, ce qui permet de réticuler l’encapsulant. Afin de connaître l’efficacité de ce traitement, le taux de réticulation a été déterminé, un taux minimum de 65% étant recommandé pour valider le traitement. Pratiquement, la lamination conduit usuellement à un copolymère EVA possédant un taux de réticulation compris entre 80 et 90%.^30,47 Afin de mettre en évidence toute modification du taux de réticulation au cours du vieillissement, ce taux a été déterminé avant et après 8 ans d’exposition dans le désert du Sahara. Il croît d’environ 1% après exposition.⁴² Cette augmentation est causée par la réticulation naturelle du polymère par le soleil et n’a pas d’influence sur l’efficacité de l’encapsulant.

En plus de toutes les dégradations observées au cours du temps, le procédé de fabrication des panneaux photovoltaïques est également source de problèmes. L’inconvénient principal est dû à la lamination qui nécessite d’être sous vide et à haute température (150°C). Cette lamination requiert plus de 5% de l’énergie totale pour fabriquer et assembler un panneau solaire. Cette étape est donc énergivore et le coût du laminateur est élevé, ce qui incite à concevoir des alternatives à cette étape.⁴⁸

En résumé, le copolymère EVA habituellement employé souffre de ses propriétés mécanique et thermique limitées, de sa perméabilité à l’eau, de la production de composés non désirés, mais également de son processus de fabrication énergivore.

I.3.2.c. Conséquences des dégradations sur l’efficacité des panneaux