تحمي الألواح الخلفية الشمسية الوحدات الكهروضوئية من التعرض للعوامل البيئية، ولكن كيف يمكن للمصنّعين تقييم مقاومتها للأكسجين؟ يقيس جهاز اختبار نفاذية الأكسجين انتقال الأكسجين عبر مادة في ظل ظروف محددة.

تساعد النتائج الباحثين على مقارنة أداء الحاجز، ودراسة البنية المادية، ومراقبة اتساق الإنتاج. وتعتمد قيمة النتائج على فهم ظروف الاختبار وما يمكن للقياس التنبؤ به وما لا يمكنه التنبؤ به.

ما الذي يقيسه جهاز اختبار نفاذية الأكسجين؟

يقيس جهاز اختبار نفاذية الأكسجين للمواد المستخدمة في الألواح الخلفية الشمسية كمية الأكسجين التي تمر عبر مساحة محددة من العينة بمرور الوقت، في ظل فرق مضبوط في ضغط الأكسجين.

أكثر النتائج شيوعًا هي معدل نفاذ الأكسجين، أو OTR. ويشير انخفاض قيمة OTR عمومًا إلى أن كمية أقل من الأكسجين تمر عبر المادة المختبرة في ظل الظروف المذكورة.

على سبيل المثال، إذا اختُبرت لوحتان خلفيتان في الظروف نفسها، فإن اللوحة ذات قيمة OTR الأقل توفر عمومًا حاجزًا أقوى أمام الأكسجين في هذه المقارنة.

تصف نتيجة OTR العينة المختبرة، وليس بالضرورة وحدة كهروضوئية كاملة. فقد تشكل الحواف وصناديق التوصيل ومانعات التسرب والمكونات الأخرى مسارات إضافية لدخول الأكسجين.

يفصل الجهاز عادةً العينة بين جانب غني بالأكسجين وجانب يحتوي على غاز حامل أو مستوى منخفض من الأكسجين. ويرصد المستشعر الأكسجين الذي يصل إلى الجانب السفلي بعد مروره عبر المادة.

بعد ذلك، يُربط معدل النفاذ المقاس بمساحة الاختبار المعرّضة، ويُبلّغ عنه باستخدام الوحدات والظروف المرجعية المحددة في الطريقة أو من قبل المختبر.

كيف يُعبَّر عن معدل نفاذ الأكسجين؟

يُبلّغ عادةً عن OTR بوحدة السنتيمتر المكعب من الأكسجين لكل متر مربع في اليوم، وتُكتب cm³/(m²·day)، وذلك عند درجات حرارة ورطوبة وضغط محددة.

قد تظهر في تقارير الاختبار اصطلاحات أخرى للوحدات. ويمكن أن يتأثر حجم الأكسجين بدرجة الحرارة والضغط المرجعيين المستخدمين، لذا ينبغي تحويل النتائج بعناية قبل مقارنتها.

ينبغي أن يحدد التقرير الكامل طريقة الاختبار، وبنية العينة، والمساحة المعرّضة، ودرجة حرارة الاختبار، والرطوبة النسبية، وفرق الضغط الجزئي للأكسجين، والظروف المرجعية المستخدمة لحجم الغاز.

للتوضيح، تمثل قيمة OTR البالغة 2 cm³/(m²·day) معدل نفاذ مقاسًا أقل من 10 cm³/(m²·day)، شريطة أن تكون النتائج قد أُخذت في ظروف ووفق اصطلاحات إبلاغ متكافئة.

هذه الأرقام أمثلة وليست حدود قبول للألواح الخلفية الشمسية. وتعتمد القيمة المستهدفة المناسبة على تصميم الوحدة، والمواد، وبيئة الاستخدام المقصودة، ومتطلبات العميل ذات الصلة.

عند مقارنة نشرات بيانات الموردين، تحقّق مما إذا كانت كل نتيجة تخص طبقات اللوح الخلفي كاملةً أم فيلمًا منفردًا. فهذه القياسات تجيب عن أسئلة مختلفة تتعلق بالمواد.

هل معدل نفاذ الأكسجين هو نفسه نفاذية الأكسجين؟

يرتبط المصطلحان، لكن لا ينبغي التعامل معهما على أنهما مترادفان. يصف OTR انتقال الأكسجين عبر عينة محددة في ظل ظروف الاختبار المذكورة.

تعبّر النفاذية السطحية عن انتقال الأكسجين نسبةً إلى فرق الضغط الجزئي للأكسجين عبر العينة. ويمكن أن تساعد على مقارنة النتائج عندما يختلف ضغط الدفع، ضمن الافتراضات التي تنطبق عليها الطريقة.

النفاذية خاصية للمادة، وتُحسب عادةً من النفاذية السطحية والسماكة لمادة متجانسة، بافتراض ملاءمة الظروف وسلوك شبه مستقر تقريبًا.

غالبًا ما يكون اللوح الخلفي الشمسي طبقاتٍ متعددة، لا فيلمًا متجانسًا. وقد يؤدي حساب معامل نفاذية واحد استنادًا إلى السماكة الكلية إلى حجب الاختلافات بين الطبقات.

عند مقارنة المواد متعددة الطبقات، يكون الإبلاغ عن OTR أو النفاذية السطحية المقاسة للتركيب الكامل أكثر فائدةً في كثير من الأحيان من عرض معامل محسوب من دون توضيح حدوده.

اسأل المختبر عن الكمية التي يبلّغ عنها وكيفية حسابها. وتأكد من الوحدات قبل استخدام النتيجة في المواصفات أو النماذج أو مقارنات الموردين.

لماذا يهم أداء حاجز الأكسجين في الألواح الخلفية الشمسية؟

تشكل الألواح الخلفية جزءًا من البنية الواقية للوحدة. ويمكن أن يسهم الأكسجين في تفاعلات الأكسدة في المواد القابلة للتأثر عندما تتوافر ظروف أخرى، منها التعرض للحرارة والضوء.

لذلك، يمكن أن يساعد قياس نفاذ الأكسجين الباحثين على دراسة أحد المسارات المحتملة المرتبطة بتقادم المواد. كما يمكن أن يكشف التغييرات التي تطرأ بعد تعديل التركيبة أو البنية.

ومع ذلك، فإن مقاومة الأكسجين ليست سوى جانب واحد من أداء اللوح الخلفي. وقد يكون دخول الرطوبة والتعرض للأشعة فوق البنفسجية والعزل الكهربائي والالتصاق والمتانة الميكانيكية والتقادم الحراري عوامل مهمة أيضًا.

تُصمَّم بعض الألواح الخلفية عمدًا لتحقيق مزيج من الخصائص بدلًا من تحقيق أدنى قيمة ممكنة لـ OTR. وقد ينطوي تعزيز حاجز الأكسجين على مفاضلات تتعلق بالتكلفة أو المرونة أو المعالجة.

كذلك، لا يثبت انتقال الأكسجين عبر اللوح الخلفي مقدار الأكسجين الذي يصل إلى كل طبقة حساسة داخل وحدة مكتملة. فالبنية الكاملة تؤثر في هذه النتيجة.

استخدم OTR بوصفه قياسًا مقارنًا للمواد ومدخلًا في تقييم أوسع. وتجنّب اعتباره تنبؤًا مباشرًا بعمر الوحدة أو تعطلها في الموقع.

ما ظروف الاختبار الأكثر تأثيرًا في النتيجة؟

درجة الحرارة: غالبًا ما يزداد انتقال الغاز مع ارتفاع درجة الحرارة بسبب التغير في حركة الغاز عبر البوليمرات. قارن النتائج المقاسة عند درجة الحرارة نفسها كلما أمكن.

الرطوبة النسبية: يمكن أن تغير الرطوبة سلوك الحاجز في بعض المواد، وقد تؤثر في الطبقات المختلفة بطرق متفاوتة. سجّل ظروف الرطوبة على كلا الجانبين، عند الاقتضاء.

فرق الضغط الجزئي للأكسجين: تؤثر القوة الدافعة عبر العينة في الانتقال. ويجب تحديد تركيبة غاز الاختبار وظروف الضغط لجعل المقارنات ذات معنى.

سماكة العينة: عمومًا، تقلل زيادة السماكة من انتقال الأكسجين في الفيلم المتجانس. أما في الطبقات المتعددة، فتهم أيضًا سماكة كل طبقة وموضعها.

حالة العينة: قد تؤثر التجاعيد والثقوب الدقيقة والتلوث والتلف الناتج عن المناولة وضعف التثبيت في القياس. وينبغي أن تمثل العينات مادة الإنتاج وأن تتجنب التلف غير المقصود.

تحقيق الاتزان: تستغرق بعض المواد وقتًا أطول للوصول إلى معدل انتقال مستقر. وقد يؤدي إنهاء الاختبار مبكرًا إلى نتيجة لا تمثل سلوك الحالة المستقرة.

تاريخ التعرض: قد تغير الحرارة أو الرطوبة أو الأشعة فوق البنفسجية أو الإجهاد الميكانيكي بنية اللوح الخلفي. حدّد ما إذا كانت العينة قد اختُبرت قبل التهيئة أم بعدها.

ينبغي أن تتوافق ظروف الاختبار مع الغرض من المقارنة. فالظروف المختبرية القياسية تدعم قابلية تكرار النتائج، بينما يمكن لدراسة تقادم منفصلة أن تبحث في تغير أداء الحاجز بعد التعرض.

كيف تُختبر عينة من لوح خلفي شمسي؟

تعتمد الإجراءات الدقيقة على الجهاز والطريقة المختارة، لكن الاختبار المعتاد يبدأ بتحديد المادة وبنيتها والمقارنة المقصودة.

يجهّز المشغّلون عينات ممثلة، ويفحصونها بحثًا عن تلف ظاهر، ويقيسون السماكة عند الحاجة. كما يوثّقون الجانب المواجه لمصدر الأكسجين، خصوصًا في الطبقات غير المتماثلة.

تُثبّت العينة بين حجرات الاختبار باستخدام ترتيب الإحكام المحدد للجهاز. ويساعد الإحكام الموثوق على منع الخلط بين التسرب من الحواف والانتقال عبر المادة.

يضبط المشغّل درجة الحرارة والرطوبة وتدفق الغاز وظروف الضغط المطلوبة. وينبغي إجراء فحوصات الجهاز ومعايرته وفق الطريقة المعمول بها وتعليمات الشركة المصنّعة.

يُدخل الأكسجين من أحد الجانبين، بينما يُراقب الجانب السفلي باستخدام نظام الكشف في الجهاز. ويستمر الاختبار حتى استيفاء معايير نهاية الاختبار المحددة في الطريقة.

يسجل التقرير النهائي معدل الانتقال المقاس والظروف وتفاصيل العينة وأي انحرافات. ويمكن أن تكشف العينات المتعددة عن التباين داخل اللفة أو بين دفعات الإنتاج.

قد يضع المختبر، لأغراض مراقبة الجودة، خطة أخذ عينات دورية ويفحص النتائج التي تتجاوز الحدود المتفق عليها. وينبغي أن تستند معايير القبول إلى مواصفات المنتج ذات الصلة.

ما المعايير ذات الصلة باختبار نفاذ الأكسجين؟

يصف ASTM D3985 طريقة قياسية باستخدام جهاز لتحديد معدل نفاذ غاز الأكسجين عبر الأغشية والصفائح البلاستيكية، باستخدام مستشعر كولومتري وفي ظل ظروف محددة.

يتناول ASTM F1927 نفاذ الأكسجين عبر مواد الحاجز باستخدام كاشف كولومتري مع ضبط الرطوبة النسبية. وتعتمد ملاءمته على المادة ومتطلبات الاختبار.

يشمل ISO 15105-2 طريقة الضغط المتساوي لتحديد معدل نفاذ الغاز عبر الأغشية والصفائح البلاستيكية باستخدام تقنيات كشف محددة، بما فيها طرق مناسبة للأكسجين.

تُعد هذه المعايير نقاط انطلاق مفيدة، لكنها ليست قابلة للتبادل تلقائيًا. ويجب التحقق من متطلبات المعدات والظروف والإجراءات واصطلاحات الإبلاغ فيها بما يتوافق مع التطبيق المقصود.

قبل طلب إجراء الاختبار، تحقّق من الإصدار الحالي، وملاءمة العينة، وظروف الرطوبة المطلوبة، وقدرة المختبر على تلبية نطاق القياس واحتياجات الإبلاغ المطلوبة.

كما أن اختبار نفاذ الأكسجين لا يحل محل اختبارات التأهيل المعمول بها للوحدات الكهروضوئية أو الألواح الخلفية. فقد تتطلب مواصفات المادة عدة قياسات وتسلسلات تعرض مختلفة.

كيف ينبغي مقارنة نتائج اختبار نفاذية الأكسجين؟

ابدأ بمقارنة نتائج متماثلة: الكمية المبلّغ عنها نفسها، والوحدات نفسها، ودرجة الحرارة والرطوبة وفرق ضغط الأكسجين والظروف المرجعية نفسها لحجم الغاز.

بعد ذلك، افحص وصف العينة. فلا ينبغي مقارنة نتيجة فيلم بوليمري منفرد مباشرةً بنتيجة طبقات مكتملة على أنها دليل على تكافؤ أداء اللوح الخلفي.

تحقّق مما إذا كانت العينات مأخوذة من مرحلة الإنتاج نفسها وخضعت للتهيئة نفسها. فمن الطبيعي أن تعطي المواد الجديدة والمواد المتقادمة نتائج مختلفة.

عندما تتوافر بيانات العينات المكررة، لا تكتفِ بالنظر إلى المتوسط. فقد يشير التشتت الكبير إلى تفاوت المادة أو عيوب العينات أو مشكلات الإحكام أو اقتراب القياسات من الحد العملي للجهاز.

لا ينبغي التعامل مع النتائج المبلّغ عنها على أنها قيم دقيقة إذا كانت أدنى من حد الكشف أو التقدير الكمي. اسأل المختبر عن كيفية تحديد هذا الحد لإعداد الاختبار.

إذا كان الاختلاف بين نتيجتين طفيفًا، فخذ عدم اليقين في القياس وقابلية التكرار في الحسبان قبل استنتاج أن أداء إحدى المادتين أفضل. فقد لا يكون الفرق المبلّغ عنه ذا دلالة.

وأخيرًا، قيّم بيانات حاجز الأكسجين إلى جانب الخصائص الأخرى المطلوبة. فاللوح الخلفي الأنسب للتطبيق هو الذي يستوفي المواصفات الكاملة باستمرار.

ما الذي ينبغي مراعاته عند اختيار جهاز اختبار؟

ابدأ بنطاق OTR المتوقع للمواد. ويجب أن يكون الجهاز حساسًا بما يكفي للعينات ذات الحاجز العالي، من دون أن يجعل النتائج الروتينية عند حد القياس.

تحقّق مما إذا كانت المعدات تدعم المعيار المقصود ونطاق درجات الحرارة وإعدادات الرطوبة وظروف الأكسجين المطلوبة. واسأل عن كيفية ضبط هذه الظروف والتحقق منها والإبلاغ عنها.

خذ حجم العينة وسماكة الفيلم وطريقة مناولة الطبقات في الحسبان. وينبغي أن تستوعب الحجرة ونظام الإحكام عينات ممثلة من الألواح الخلفية من دون إتلافها أو تشويهها.

في بيئات الإنتاج، قيّم مدة الاختبار وعدد الحجرات المتاحة وعبء عمل المشغّل وتصدير البيانات. فهذه العوامل تؤثر في عدد العينات التي يمكن تقييمها.

في الأبحاث، يمكن للإعدادات المرنة وإمكانية الوصول الواضح إلى بيانات الاختبار أن يدعما المقارنات بين التركيبات وظروف التقادم. وتأكد من أن القياسات المطلوبة تقع ضمن المواصفات.

اسأل الموردين عن المعايرة والمواد المرجعية والصيانة والمواد الاستهلاكية والتدريب ودعم الخدمة. واطلب عرضًا توضيحيًا باستخدام عينات ممثلة عندما تكون متطلبات القياس دقيقة.

تطوّر Paratronix Instruments أجهزة وحلولًا لاختبار مواد البوليمر والمواد ذات الحواجز العالية. ويمكن لفريقها مناقشة مدى ملاءمة تكوين معين لاختبار لوح خلفي مقترح.

ما الاستنتاجات التي يمكن استخلاصها من اختبار نفاذية الأكسجين؟

يقيس جهاز اختبار نفاذية الأكسجين انتقال الأكسجين عبر عينة محددة في ظروف مضبوطة. ويساعد OTR الناتج على مقارنة المواد وتتبع التغيرات في أداء الحاجز.

تتمثل أقوى استخداماته في إجراء مقارنة مضبوطة جيدًا: عينات متكافئة، وظروف موثقة، ونطاق قياس مناسب، ونتائج تُفسّر مع مراعاة التباين ومتطلبات المواد الأخرى.

بالنسبة إلى الألواح الخلفية الشمسية، اجمع بيانات نفاذ الأكسجين مع تقييمات الرطوبة والخصائص الكهربائية والميكانيكية والتقادم. فهذا يوفر أساسًا أكثر فائدة لاختيار المواد واتخاذ قرارات الجودة.