UV Degradation Analysis of Material for Solar Cell Modules Using GC/MS and FTIR

Význam tématu

Analýza vlivu ultrafialového záření na materiály používané v solárních panelech je klíčová pro ověření dlouhodobé odolnosti a stability modulů. Ethylen-vinylacetátová (EVA) folie slouží jako transparentní výplň mezi solárními články a encapsulantem, přičemž UV degradace může vést ke vzniku nízkomolekulárních produktů, snížení adheze a konečné mechanické či elektrické degradaci celého modulu.

Cíle a přehled studie

Studie představuje tři vzájemně doplňující se přístupy k hodnocení UV degradace EVA folie:

• analýzu těkavých degradovaných produktů pomocí kombinovaného UV-Py/GC-MS systému,
• evoluční plynovou analýzu s detekcí v reálném čase (EGA-MS),
• strukturní vyšetření povrchu pomocí Fourierovy transformace v infračervené oblasti (FTIR-ATR).

Použitá instrumentace

• UV-Py/GC-MS systém složený z mikro UV zdroje (UV-1047Xe), pyrolyzéru PY-3030D a GCMS-QP2020,
• Py/GC-MS konfigurace pro EGA-MS s GC detektorem a inaktivní kapilárou Ultra ALLOY-DTM,
• FTIR spektrometr IRAffinity-1S se single-reflexním ATR doplňkem DuraSamplIR II.

Použitá metodika

1. UV-Py/GC-MS: vzorek (~2 mg) umístěn v Eco-cupu, UV ozáření 0 h, 1 h, 2 h, 5 h při teplotě 60 °C, sběr těkavých produktů ochlazením kolony v kapalném dusíku, puržování heliem a následná GC-MS analýza.
2. EGA-MS: příprava ~0,5 mg vzorku, lineární rampové zahřívání z 40 °C na 750 °C (20 °C/min), detekce vyvíjených plynů v reálném čase na GC-MS.
3. FTIR-ATR: měření povrchové struktury vzorků před a po UV ozáření (0 h, 2 h, 5 h), vlnové číslo 4000–650 cm−1, analýza změn charakteristických pásů C=O a O–H.

Hlavní výsledky a diskuse

• UV-Py/GC-MS: identifikace těkavých fotodegradačních produktů jako CO2, acetaldehyd, aceton, acetonitril, isopropanol, butanol, karboxylové kyseliny a různé nenasytěné uhlovodíky; intenzita a druhy produktů se mění s délkou ozáření.
• EGA-MS: postupný pokles teploty hlavní termodekompozice řetězce EVA (z 465,5 °C na 461,9 °C), což naznačuje částečné štěpení polymerzního řetězce zejména na povrchu materiálu.
• FTIR-ATR: snížení pásu esterové skupiny v blízkosti 1735 cm−1, nárůst karbonylových (1716 cm−1) a hydroxylových skupin (3300 cm−1), prokazující oxidativní rozpad vedlejších i hlavních strukturných prvků folie.

Přínosy a praktické využití metody

Vyvinuté kombinované přístupy poskytují rychlou a cílenou analýzu fotodegradace EVA bez dlouhodobých klimatických expozic. Umožňují časově úsporné stanovení těkavých postproduktů, kvantifikaci destabilizace polymerního řetězce i monitorování povrchových chemických změn, což podporuje vývoj odolnějších encapsulantů a kontrolu kvality výroby solárních modulů.

Budoucí trendy a možnosti využití

• rozšíření metody na další komerční polymerní materiály a přímé in situ měření na kompletních modulech,
• integrované multispektrometrické přístupy kombinující GC-MS, FTIR a spektroskopii Raman,
• vývoj automatizovaných online senzorů pro monitorování degradace během reálného provozu panelů,
• aplikace strojového učení pro predikci životnosti materiálů na základě získaných analytických dat.

Závěr

Studie potvrdila, že UV-Py/GC-MS, EGA-MS a FTIR-ATR tvoří účinný synergický soubor metod pro hodnocení UV degradace EVA folie. Každá technika přispívá jedinečným pohledem na chemickou přeměnu materiálu od molekulárního štěpení až po změny funkčních skupin, což je klíčové pro optimalizaci životnosti solárních modulů.

Reference

• Y. Katayama, S. Takeuchi: UV Degradation Analysis of Material for Solar Cell Modules Using GC/MS and FTIR, Application Note No. 14, Shimadzu Corporation, 2018.