Comment NREL prolonge la durée de vie des modules solaires

Le consortium dirigé par NREL étudie pourquoi les modules solaires échouent sur le terrain et comment prolonger leur durée de vieet

Qu’est-ce qui fait un bon module solaire ? Certaines choses sont évidentes : rendement énergétique élevé, faible coût et fiabilité sur le terrain.

La fiabilité joue un rôle énorme dans les coûts de durée de vie et les performances des modules et systèmes solaires. Ces dispositifs semi-conducteurs de haute technologie doivent continuer à produire de l’électricité pendant 30 à 40 ans sous le soleil, le vent, la grêle, la neige et la chaleur.

Nous nous attendons à ce que les modules se dégradent lentement et produisent un peu moins d’électricité au fil du temps, car ils sont exposés aux conditions extérieures au fil des ans. Une question majeure dans l’industrie de l’énergie solaire est de savoir exactement dans quelle mesure nous devrions nous attendre à ce que les modules solaires se dégradent chaque année (généralement de 0,5 % à 1 %) et quand ils finiront par se dégrader au point de ne plus produire suffisamment d’énergie (souvent environ 20 % de perte). ). de leur sortie d’origine) ou devenir dangereux.

Pour les modules construits aujourd’hui, c’est probablement 30 ans. Chaque année supplémentaire rend le coût de l’électricité de ce module moins cher et signifie que nous devrons extraire ou recycler moins de matières premières pour atteindre nos objectifs d’énergie propre. La recherche pourrait-elle pousser cet âge de la retraite à 50 ans ?

Lancé en novembre 2016 grâce au financement du bureau des technologies de l’énergie solaire (SETO) du ministère de l’Énergie (DOE), le consortium DuraMAT (Durable Module Materials) est un consortium multi-laboratoires dirigé par le National Renewable Energy Laboratory (NREL), avec Sandia National Laboratories et Lawrence Berkeley National Laboratory en tant que laboratoires de recherche principaux. Des chercheurs supplémentaires de plusieurs universités, sociétés solaires, autres laboratoires nationaux et un conseil consultatif de l’industrie fournissent des perspectives de toute la communauté de l’énergie solaire.

Après cinq ans de recherche sur la fiabilité des modules solaires et l’attribution de 30 millions de dollars à des projets à fort impact, DuraMAT a reçu 36 millions de dollars supplémentaires de SETO pour six années de financement supplémentaires à partir de 2021, alors que le consortium continue de se concentrer sur cinq objectifs fondamentaux destinés à accélérer une transition durable, juste et équitable vers une production d’électricité sans carbone d’ici 2035.

Modules solaires : où nous sommes allés et où nous allons

Les modules photovoltaïques (PV) – c’est-à-dire qu’ils convertissent la lumière en électricité – existent sous leur forme moderne depuis le milieu du 20e siècle, mais la technologie a connu une croissance explosive au cours des deux dernières décennies. Et les deux prochaines décennies promettent une croissance encore plus grande pour les technologies solaires.

“Si l’énergie solaire va se développer et devenir cette technologie omniprésente que nous avons dans notre système électrique, sur nos maisons – et être responsable de 40% de notre production d’électricité – les anciennes technologies ne suffisent pas”, a déclaré Teresa Barnes, chercheuse senior à NREL et directeur de DuraMAT. « Les modules photovoltaïques doivent être rendus plus efficaces, moins chers et plus durables à une échelle beaucoup plus grande. Mais nous devons également savoir que ces nouveaux modules – qu’il s’agisse de nouvelles conceptions de modules ou de nouvelles technologies cellulaires comme les cellules bifaciales ou tandem – fonctionneront de manière prévisible sur le terrain.

DuraMAT explore des idées qui pourraient prolonger la durée de vie des modules solaires jusqu’à 50 ans. Et il étudie de nouvelles variantes de technologies de modules et de cellules, telles que des modules bifaciaux qui collectent également la lumière réfléchie sur leur face arrière, ou de nouvelles cellules à haut rendement qui nécessitent un emballage avancé pour survivre plus de 30 ans.

Pour mieux comprendre comment les modules échouent, DuraMAT a développé des tests de résistance accélérés basés sur les conditions environnementales observées dans différents climats. Ces tests sont associés à une puissante science médico-légale des matériaux (pensez CSI mais pour les modules PV dégradés) et à une modélisation physique détaillée de ces défaillances afin de mieux comprendre les causes de la dégradation des modules, dans le but ultime de prédire quand ils échoueront. Pour couronner le tout, DuraMAT collecte les données résultantes dans un référentiel de données central et partagé et applique ses connaissances pour développer de nouvelles approches créatives afin d’améliorer la durabilité des modules.

L’objectif ultime est de mieux prédire les performances des nouveaux matériaux et conceptions de modules, en renforçant l’assurance qu’ils dureront plus de 30 ans sur le terrain, malgré notre manque de données de terrain à long terme pour les nouvelles technologies. Les données de terrain montrent que les anciennes technologies photovoltaïques sont durables. DuraMAT applique ces connaissances pour faire des prédictions plus précises sur les nouvelles technologies.

Modules solaires : Transpirer les détails de la dégradation

L’une des réussites les plus célèbres de DuraMAT est son application de tests de résistance combinés et accélérés. Les tests de résistance traditionnels soumettent les modules solaires à une gamme de facteurs de stress – tels que la chaleur, l’humidité ou la lumière du soleil – mais un seul, voire deux, à la fois. Cependant, certaines des défaillances observées dans les modules sur le terrain ne sont pas faciles à reproduire dans ces tests de résistance traditionnels, peut-être parce que les conditions extérieures sollicitent les modules en combinaison – la chaleur, la lumière et la tension se produisent souvent ensemble les jours ensoleillés, ou le vent et la pluie pendant une tempête. . Les chercheurs de DuraMAT ont découvert que les facteurs de stress doivent souvent être appliqués en combinaison pour obtenir plus rapidement des résultats pertinents sur le terrain.

Une capture d’écran d’une vidéo filmée par le chercheur du NREL, Peter Hacke, montre l’intérieur de l’une des chambres de test accélérées combinées à Golden, dans le Colorado. Les anneaux en « beignet » pressent et fléchissent périodiquement les modules pour fournir une contrainte mécanique, tandis que la chambre les soumet à l’eau, à la chaleur, au froid, à la charge électrique et à la lumière ultraviolette.

Bien que les tests de résistance combinés ne soient pas une idée entièrement nouvelle, DuraMAT l’a amenée à un nouveau niveau. Dans les chambres contrôlées de l’installation d’essai extérieure de NREL, les modules PV sont soumis à de multiples facteurs de stress, tels que des températures extrêmes (chaudes et froides), le trempage dans l’eau et l’exposition à la lumière ultraviolette pour simuler en quelques semaines ou mois ce qui se passe à l’extérieur pendant des années .

D’autres tests sont destinés à simuler d’autres contraintes, telles que la façon dont des années d’exposition au vent pourraient élargir les fissures dans les cellules photovoltaïques (voir la vidéo ci-dessous). DuraMAT associe ensuite ces informations à la modélisation informatique et à l’analyse microscopique des matériaux des modules solaires qui ont échoué sur le terrain afin de mieux comprendre les mécanismes à l’origine de ces défaillances.

Les scientifiques en début de carrière fournissent que ça marche

L’un de ces efforts a été dirigé par une équipe de scientifiques en début de carrière – DuraMAT met l’accent sur les opportunités pour les chercheurs en début de carrière. L’équipe a combiné l’expertise et les forces de plusieurs laboratoires nationaux pour développer une méthode permettant de prédire quels matériaux de feuille de fond se fissureraient sur le terrain sur la base de tests accélérés. L’industrie a connu un lot assez important de défaillances de modules (environ 10 gigawatts) en raison d’un nouveau matériau de feuille de fond qui a été largement utilisé entre 2010 et 2015 environ. Ce matériau a commencé à se fissurer après quelques années sur le terrain, malgré le respect de toutes les normes de l’industrie. épreuves de qualification.

Une feuille de fond est la couche inférieure d’un module solaire qui entoure l’arrière du module et est souvent fabriquée à partir de matériaux polymères (plastiques). Cette couche fournit une isolation électrique et une intégrité mécanique critiques à un module, et la défaillance du matériau a forcé les développeurs PV à remplacer les modules par la «mauvaise» feuille de fond. (L’industrie photovoltaïque dispose également de plusieurs « bons » matériaux de feuille de fond bien établis qui durent depuis des décennies.)

L’utilisation des bonnes et mauvaises feuilles de fond connues a permis à l’équipe DuraMAT de développer une procédure pour valider de nouvelles séquences de test. En combinant cette séquence avec des techniques avancées d’analyse des matériaux, l’équipe a pu comprendre pourquoi les feuilles de fond du «mauvais» matériau échouaient à la fois au niveau chimique et mécanique. En comparant les échantillons qui ont échoué lors de tests de résistance combinés avec des modules ayant échoué sur le terrain, l’équipe de chercheurs en début de carrière a confirmé que les échecs des tests de résistance correspondent à ce type de défaillance sur le terrain. L’équipe examine actuellement d’autres types de matériaux et de conceptions de modules, y compris les procédures de sélection pour le développement de nouveaux matériaux de feuille de fond et les études de modules avec des feuilles de fond en verre.

« DuraMAT, de par sa structure, incube les scientifiques en début de carrière d’une manière unique », a déclaré Laura Schelhas, qui a participé à l’équipe en tant que chercheuse en début de carrière au SLAC National Accelerator Laboratory et a depuis rejoint le NREL en tant que directrice exécutive. pour la deuxième phase de DuraMAT. « DuraMAT permet aux chercheurs en début de carrière de s’essayer en tant que chercheur principal sur des projets, et leur donne un avant-goût du reporting, de la gestion de projet, de la dotation en personnel et de la budgétisation qui parle vraiment du développement de carrière pour les chercheurs moins expérimentés. Le projet de feuille de fond était un excellent exemple de la façon dont cela fonctionne – nous avons eu beaucoup de publications hautement collaboratives. Les chercheurs en début de carrière ont été invités à des conférences pour présenter leurs travaux, et certains sont passés à des postes au sein du NREL et d’autres laboratoires.

Quelle est la prochaine étape pour DuraMAT ?

Après avoir commencé à zéro il y a cinq ans, la prochaine phase de six ans de DuraMAT a pris un bon départ. De nombreux projets ont déjà été attribués sur les 36 millions de dollars de financement total disponibles pour les travaux du consortium dans la deuxième phase.

“Une grande partie de nos recherches continue de se concentrer sur la fiabilité et la durabilité dans le portefeuille de technologies commerciales”, a déclaré Barnes, lorsqu’on lui a demandé où DuraMAT se dirigeait. « Nous mettons maintenant l’accent sur les tests prédictifs et les méthodes de modélisation qui nous permettront d’évaluer la fiabilité plus rapidement et plus précisément dans les nouvelles technologies. Le solaire doit continuer à s’améliorer et les cycles de développement de produits peuvent être beaucoup plus rapides que les cycles de test de fiabilité. Nous devons trouver un moyen d’évaluer la fiabilité et la durabilité à la vitesse de développement des produits alors que l’industrie évolue rapidement.

C’est un objectif difficile, mais la communauté DuraMAT vise maintenant à commencer à prédire la durée de vie des modules et comment cela pourrait façonner la chaîne d’approvisionnement des matériaux pour les modules solaires. En s’appuyant sur la physique des défaillances et la physique des mécanismes de dégradation, l’accent sera davantage mis sur la modélisation prédictive de la durée de vie, ce qui permettra de poursuivre les recherches et la commercialisation éventuelle de modules d’une durée de vie de 50 ans.

“Nous essayons de passer à un mode de recherche de fiabilité où nous ciblons directement les modules qui durent 50 ans”, a déclaré Barnes. « Nous sommes très concentrés sur les modules à haut rendement énergétique et sur leur fabrication de manière durable. Nous savons que l’accélération du déploiement aussi vite que nécessaire pour la transition énergétique aura d’importants impacts matériels et énergétiques. Mais notre question est la suivante : “Comment pouvons-nous le faire d’une manière qui soit écologiquement durable et d’une manière qui permette à notre chaîne d’approvisionnement de suivre le rythme ?”

“Nous visons la même haute qualité de recherche mais une plus grande quantité dans cette phase”, a déclaré Schelhas.

Pour plus d’informations sur DuraMAT, visitez leur site Web ou parcourez leur rapport annuel le plus récent.

Article publié avec l’aimable autorisation du Laboratoire national des énergies renouvelables. Par Kassidy Gamble

 

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