KR100264231B1 - 자외선 흡수제가 분산된 불소수지로 이루어진 표면 보호 부재를 갖는 태양 전지 모듈 - Google Patents

자외선 흡수제가 분산된 불소수지로 이루어진 표면 보호 부재를 갖는 태양 전지 모듈 Download PDF

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다까히로 모리
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히데노리 시오쓰까
아야꼬 고모리
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미다라이 후지오
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Abstract

본 발명은 (a) 광전지 소자, (b) 투명 수지 충전제층, (c) 투명 표면층, 및 (d) 보강 부재를 포함하고, 상기 투명 수지 충전제층 (b) 및 투명 표면층 (c)는 상기 광전지 소자의 광 수용면 상에 순차적으로 배치되고, 상기 보강 부재 (d)는 상기 광전지 소자의 배면 상에 배치되고, 상기 투명 표면층은 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리(클로로트리플루오로에틸렌) 수지, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 테트라풀루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체 및 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 불소 함량이 높은 불소수지로 이루어지며 자외선 흡수제가 분산 함유된 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈에 관한 것이다.

Description

자외선 흡수제가 분산된 불소수지로 이루어진 표면 보호 부재를 갖는 태양 전지 모듈
제1도는 본 발명의 태양 전지 모듈의 일 예의 구성을 개략적으로 도시한 단면도.
제2(a)도는 본 발명에서 사용될 수 있는 광전지 소자의 일 예의 구성을 개략적으로 도시한 단면도.
제2(b)도는 제2(a)도의 광전지 소자의 광 수용면을 개략적으로 도시한 평면도.
제3도는 본 발명의 태양 전지 모듈의 또다른 일 예의 구성을 개략적으로 도시한 단면도.
제4도는 비교용 태양 전지의 구성을 개략적으로 도시한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
101, 200, 301, 401 : 광전지 소자
102, 104, 402 : 충전제 103, 303 : 표면 보호층
105, 306 : 배면 보호 필름 106, 304 : 배면 보강 부재
201 : 전기 전도성 기판 202 : 배면 반사층
203 : 반도체 활성층 204 : 투명 전도층
205 : 집전 전극 206, 305 : 출력 단자
207 : 전도성 접착제 208 : 땜납
209, 474 : 절연 부재 302a : 표면 충전제
302b : 배면 충전제 307 : 배선 구멍
403 : 표면 보호 부재
본 발명은 내후성 및 내광분해성이 우수하고, 고온 및 고습의 가혹한 환경 조건하에서 장기간 동안 반복하여 사용하였을 때조차 열화됨이 없이 계속적으로 만족 할만한 광전 변환 효율을 나타내는 개선되고 신뢰성있는 태양 전지 모듈에 관한 것다. 더욱 구체적으로 본 발명은 충전제 수지 및 광전지 소자를 보호하도록 배치된 표면 보호 부재에 의해 밀봉된 광전지 소자를 포함하는 개선된 태양 전지 모듈에 관한 것으로, 상기 표면 보호 부재는 자외선 흡수제(이하, UV 흡수제로 부름)가 분산 함유된 특정 불소수지를 포함하며, 상기 광전지 소자는 충전제 수지 사이에서 개선된 접착성을 갖는 상기 특정 표면 보호 부재에 의해 완전하게 밀봉된다. 본 발명의 태양 전지 모듈은 광투과 및 내후성이 특히 우수하다. 또한, 본 발명의 태양 전지 모듈은 내광분해성. 내수성, 내열성 및 내마모성이 우수하며, 고온 및 고습의 가혹한 환경 조건하에서 장기간 동안 반복 사용할 때조차 열화됨이 없이 계속적으로 바람직한 광전 변환 효율을 나타낸다.
최근에, 대기 중 CO2의 증가로 인한 소위 온실 효과 때문에 지구의 가열이 예상되어 왔다. 이러한 관점에서, CO2를 축적시킴이 없이 깨꿋한 에너지를 제공할 수 있는 전력 발생의 수단에 대한 요구가 증가되고 있다.
이러한 요구에 부합하기 위하여, 상기 언급한 바와 같은 문제를 발생시키지 않고 전기력을 제공할 수 있는 다양한 태양 전지가 제안되었고, 이것은 미래의 전력 발생원으로 기대되고 있다.
이러한 태양 전지로는 단결정 규소 태양 전지, 다결정 규소 태양 전지, 비정질 규소 태양 전지(미세결정성 규소 태양 전지 포함), 구리 인듐 셀레나이드 태양전지, 및 화합물 반도체 태양 전지가 있다. 이러한 태양 전지들 중, 소위 박막 결정성 규소 태양 전지, 화합물 반도체 태양 전지 및 비정질 규소 태양 전지에 대해 다양하게 연구되었는데, 이는 이들의 반도체 활성층이 넓은 면적 및 목적하는 형태로 비교적 쉽게 형성될 수 있어서 비교적 적은 제조 비용으로 쉽게 제조할 수 있기 때문이다.
특히, 박막 비정질 태양 전지, 구체적으로는 금속 기판, 이 기판 상에 배치된 비정질 규소 반도체 활성층 및 이 반도체 활성층 상에 배치된 투명 전도층을 포함하는 비정질 규소 태양 전지가 종래 태양 전지들 중 가장 유리한 것으로 평가되었는 데, 이것은 비정질 규소(이하, a-Si로 부름)를 포함하는 반도체 활성층이 비교적 값 싼 기판 상에 넓은 면적 및 목적하는 형태로 적은 제조 비용으로 쉽게 형성될 수 있고, 가벼우며. 내충격성 및 가요성이 우수하고, 또한 태양 전지 모듈을 전력 발생원으로 사용될 수 있는 목적하는 형태로 디자인할 수 있기 때문이다.
현재, 예를 들면 기판으로서 유리판 상에 배치된 예를 들면 a-Si 박막을 포함하는 반도체 활성층을 갖는 비정질 규소 태양 전지의 경우. 빛이 기판 측면을 통하여 투과하므로, 유리판을 보호 부재로서 사용되도록 디자인할 수 있다. 그러나, 금속 기판 상에 배치된 a-Si 반도체 활성층을 갖는 상기 태양 전지의 경우 금속 기판이 입사광을 통과시키지 않기 때문에, 빛은 금속 기판의 반대 측면으로 투과하므로, 측면 상에 적당한 투명 보호 부재를 배치시켜 이 부재를 통해 빛을 투과시킴으로써 태양 전지 소자를 보호하는 것이 필요하다. 이것을 행하기 위한 종래 방법에서는 양호한 내후성을 갖는 투명 불소 함유 고분자 필름이 표면 보호 부재로서 사용되었으며, 투명 열가소성 수지가 투명 불소 함유 고분자 필름 아래에 충전제로서 사용된다.
사실상 불소 함유 고분자 필름은 상기 언급한 방법으로 자주 사용되는데, 이것은 내후성 및 발수성의 관점에서 만족스럽고, 보호 부재의 품질이 열화된 결과로서 보호 부재가 황변되거나 또는 흐려질 때 발생된 표면 보호 부재의 투광성의 감소로 인하여 야기되는 태양 전지 소자의 광전 변환 효율의 열화를 감소시키는 역할을 한다는 점에서 유리하기 때문이다.
불소 함유 고분자 필름과 함께 충전제로서 사용되는 열가소성 수지도 비교적 값싸고 태양 전지 소자를 보호하는데 적합하기 때문에 또한 자주 사용된다.
이하, 제4도와 관련하여 종래 태양 전지 모듈에 관하여 설명한다.
제4도는 종래 태양 전지 모듈의 일 예에 대한 개략 단면도이다. 제4도에서, 부호 (401)은 광전지 소자(또는 태양 전지)를 나타내고, 부호 (402)는 충전제로서의 투명 열가소성 수지를 나타내고, 부호 (403)은 불소 함유 고분자 박막을 포함하는 투명 표면 보호 부재를 나타내고, 부호 (404)는 절연 부재를 나타낸다.
이러한 태양 전지 모듈에서 광전지 소자 (401)의 배면 상에 배치된 충전제는 빛이 투과하는 광전지 소자의 측면 상에 배치된 것과 동일한 열가소성 수지를 포함한다.
투명 표면 보호 부재 (403)으로서 사용되는 불소 함유 고분자 박막의 특정 예로는 불소수지 필름, 예를 들면 ETEE(에틸렌 테트라플루오로에틸렌 공중합체) 필름, PVF(폴리비닐 플루오라이드) 필름, PVDF(폴리비닐리덴 플루오라이드) 필름 등이 있다. 충전제 (402)로서 사용되는 투명 열가소성 수지의 특정 예로는 EVA(에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체), 부티랄 수지 등이 있다.
절연 부재 (404)는 태양 전지 모듈을 보강하면서 여기에 적합한 강성을 부가하기 위하여 배치시킨다. 절연 부재 (404)는 통상 유기 수지 필름, 예를 들면 나일론 필름 TEDLAR(상표명) 사이에 끼운 알루미늄박 등을 포함한다.
열가소성 수지 (402)는 광전지 소자 (401)과 표면 보호 부재 (403)(즉, 불소 수지 필름) 사이에서 접착제로서 사용되며. 또한 광전지 소자 및 절연 부재 (404) 사이에서 접착제로서 사용된다. 이외에, 열가소성 수지 (402)는 또한 광전지 소자가 외부로부터 손상되고 외부 충격을 받는 것을 방지하는 충전제로서 사용된다.
그러나, 이렇게 구성된 종래 태양 전지 모듈은 후술하는 문제점들을 갖는데, 이는 투명 열가소성 수지가 내후성이 불충분하기 때문이다. 즉, 태양 전지 모듈이 장기간 동안(예, 20년 이상) 옥외에서 태양광에 계속적으로 노출될 경우, 충전제로서 사용된 열가소성 수지는 자외선의 계속적인 조사로 인하여 겔화되어 흐려지거나, 또는 자외선의 계속적인 조사의 결과로 수지의 화학 구조에 공액(conjugated) 이중 결합의 증가로 인하여 황변되기 쉽다. 이러한 흐림 또는 황변화가 일어남으로써 충전제로서 사용된 열가소성 수지는 투광성이 불량해지고, 결과적으로 태양 전지 모듈의 광전 변환 효율이 감소된다. 따라서, 충전제로서의 열가소성 수지는 내후성의 관점에서 뿐만 아니라 장기간(예, 20년 이상) 동안 옥외에서 반복 사용하였을 때의 내구성의 관점에서도 충분히 효과적이지 않다. 그리고, 이러한 문제는 태양 전지 모듈이 건물의 지붕에 놓여지거나 또는 지붕의 일부로서 합체되어, 고온 및 고습의 가혹한 옥외 분위기에서 계속적으로 사용될 경우 심각하게 될 것이다.
여기에서, 충전제가 EVA로 구성된 태양 전지 모듈은 그것이 80℃ 이상의 온도에서 계속적으로 사용되었을 때 충전제가 상당히 황변된다고 알려져 있다.
또한, 충전제로서 사용된 투명 열가소성 수지의 열화는 상기한 투광성의 감소 문제 뿐만 아니라 그의 고무 탄성의 소멸 또는(및) 그의 접착성 감소라는 또다른 문제를 야기한다. 충전제의 고무 탄성이 불량한 경우, 환경 온도의 갑작스런 변화로 인하여 광전지 소자 또는(및) 전기 접속 단자가 확장되거나 수축되었을 때, 또는 태양 전지 모듈이 여기에 가해진 외부력을 충분히 흡수하지 못하여 변형됨으로써 광전지 소자를 손상시키거나, 광전지 소자 및 충전제 사이의 분리를 유발시켰을 때 응력이 발생할 우려가 있다. 또한, 충전제의 접착성이 불량할 경우, 충전제 및 광전지 소자 사이에서 또는 충전제 및 표면 보호 부재 사이에서 분리가 일어나기 쉽다는 우려가 있다.
따라서, 매우 개선된 내후성을 갖고, 고도로 투명하며 태양 전지 모듈에 대한 표면 코팅 부재에 요구되는 조건을 바람직하게 획득할 수 있는 바람직한 유기 재료가 아직 제공되지 뭇하고 있다.
5명의 본 발명자 중 3명 및 다른 1명은 투명 수지 충전제에 의해 밀봉된 광전지 소자 및 이 광전지 소자의 광 수용면 상에 배치된 투명 표면 보호층을 포함하는 광전 변환 모듈(즉, 태양 전지 모듈)을 이미 제안한 바 있는데, 여기서 투명 수지 충전제는 불소 함량이 20 내지 40 중량%이고 과산화물과 가교결합된 불소 함유 고분자 수지 (i)을 포함하고, 투명 표면 보호층은 불소 함량이 40 내지 60 중량%인 불소함유 고분자 수지 (ii)를 포함한다[일본국 특허 출원 제216048/1993호 (1993년 8월 31일 출원) 및 일본국 특허 출원 제180129/1994호 (1994년 8월 1일 출원) 참조]. 이러한 태양 전지 모듈(이하, “선행 태양 전지 모듈”이라 부름)은 종래 태양 전지 모듈에서 입사광으로 인하여 충전제로서 사용된 열가소성 수지에 흐림 또는 황변화가 발생함을 제거하는 것이 목적인데, 상기 흐림 또는 황변화의 발생은 열가소성 수지의 투광성을 불량하게 하여 태양 전지 모듈의 광전 변환 효율을 감소시킨다.
본 발명자들은 선행 태양 전지 모듈을 개선시키기 위하여 예의 연구한 결과 선행 태양 전지 모듈이 해결되어야 할 필요가 있는 약간의 문제를 갖는다는 것을 발견하였다. 즉, 먼저 충전제로서 사용된 불소 함유 고분자 수지가 접착제로서 사용되는 EVA와 같은 폴리올레핀 계열 열가소성 수지(이하, 폴리올레핀계 열가소성 수지라고 부름)보다 본질적으로 불량하다. 사실상, 충전제로서 불소 함유 고분자 수지 (i)은 압축된 고온 중기를 사용한 초-촉진 수분 열화 시험(즉, 소위 가압 쿠커 시험)에서와 같은 가흑한 조건하에서 특히 광전지 소자에 대한 접착성의 감소를 유발하는 경향이 있다. 이와 같은 충전제의 접착성 감소는 태양 전지 모듈이 고습 및 환경 온도가 자주 변화되는 보다 가혹한 환경 조건하에서 태양광에 계속적으로 노출될 때 충전제 및 광전지 소자 사이가 분리되기 쉽고 이러한 분리는 충전제 및 광전지 소자 사이에 간극을 유발시킨다.
현재의 태양 전지 모듈은 상기 설명한 바와 같은 수지 물질에 의해 밀봉된 광전지 소자를 포함한다. 따라서, 전혀 침습되지 않는 태양 전지 모듈을 제조하는 것은 거의 불가능하다. 따라서, 수분이 태양 전지 모듈의 내부로 침입할 경우, 상기한 간극에 축적되기 쉽고, 이렇게 축적된 수분은 광전지 소자의 Ag와 같은 고전도성 금속으로 구성된 집전 전극과 접촉하여 소위 반복적인 전도성 이온화의 이동 현상 및 독립적 금속층을 성장시키는 전도성 금속의 침전을 유발한다. 이렇게 성장한 금속층은 광전지 소자를 전기적으로 단락시키는 작용을 하여 광전지 소자의 성능을 상당히 감소시킨다. 따라서, 태양 전지 모듈에 대해 고신뢰성을 획득하여 보다 가혹한 환경 조건하에서도 옥외에서 바람직하게 사용될 수 있도록, 충전제를 흐림 또는 황변화의 발생 뿐만 아니라 가압 쿠커 시험에서도 충전제 및 광전지 소자 사이에서 분리가 일어나지 않도록 만들 필요가 있다.
선행 태양 전지 모듈은 충전제의 내광성을 향상시키고. 그 아래에 위치하는 다른 부재들을 자외선의 영향으로부터 보호하기 위하여 충전제로서 사용되는 불소함유 충전제 수지에 UV 흡수제를 첨가한 실시태양을 포함한다 그러나, 충전제에 함유된 UV 흡수제는 태양 전지 모듈을 장기간 동안 옥외에서 태양광에 계속적으로 노출시킬 경우 점차적으로 휘발하기 쉽다. 또한, 충전제로서 사용된 불소 함유 고분자 수지가 불소 함량 40중량% 이하의 것일 경우, 그것이 자외선을 계속적으로 받을 때 점차적으로 열화되기 쉽다. 그리고, UV 흡수제를 함유했을 때조차 UV 흡수제가 휘발함에 따라 불소 함유 고분자 수지가 황변되거나 또는 흐려지는 경향이 있고, 그 아래에 위치하는 함유된 다른 부재들도 자외선에 의한 부정적인 영향으로부터 충분히 보호되지 못한다.
상기한 문제 이외에, 선행 태양 전지 모듈은 불소 함유 수지가 종래 태양 전지 모들에서 충전제로서 사용된 EVA아 같은 폴리에틸렌계 열가소성 수지에 비해 명백히 더 비싸고, 또한 그의 제조에 사용하기 위하여 다량의 불소 함유 중합체 수지가 요구되므로 불가피하게 비용을 상승시킨다.
선행 태양 전지 모듈에서 발견되는 이러한 문제에 비추어 본 발명자들은 충전제로서 EVA와 같은 비교적 고접착성을 갖고 일반적으로 값싸게 이용할 수 있는 폴리에틸렌계 열가소성 수지를 사용하여 고신뢰성의 태양 전지 모듈을 얻을 수 있는 가능성에 대하여 연구하였다. 그러나. 이러한 폴리에틸렌계 열가소성 수지, 구체적으로 EVA는 자외선의 조사를 받았을 때 열화되기 쉽고, 황변화 또는 흐려지는 문제가 있다. 이러한 문제를 해소하기 위하여, 폴리에틸렌계 열가소성 수지(예, EVA)를 포함하는 충전제 상에 자외선이 통과하는 것을 방지할 수 있는 표면 보호층을 배치시키는 것이 고려되었다.
이러한 목적을 위하여, UV 흡수제를 혼입시킨 아크릴 수지 필름 또는 UV 흡수제를 혼입시킨 폴리카르보네이트 수지 필름을 표면 보호층으로서 사용하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, 이 수지 필름들은 EVA와 같은 폴리올레핀계 열가소성 수지로 이루어진 충전제를 자외선 영향으로부터 보호한다는 견지에서는 효과적이지만, 이들 중 어느 것도 장기간 계속해서 태양광에 노출될 때는 점차 황변해서 투명성을 잃기 쉽다는 점에서 내후성이 만족스럽지 못하다. 따라서, 이들 중 어느 것도 태양 전지 모듈의 표면 보호층으로서 사용하기에는 적합하지 않다.
상기한 것 이외에, UV 흡수제가 첨가된 내광성 불소수지로 이루어진 필름을 표면 보호층으로서 사용하는 것을 고려할 수 있다. 이러한 필름으로는 시판되고 있는 UV 흡수제가 첨가된 PVF(폴리비닐 플루오라이드) 필름 및 UV 흡수제가 첨가된 PVDF(폴리비닐리텐 플루오라이드) 필름이 있다.
그러나, 이 필름들은 모두 높은 결정성을 가지고 투명성이 불량하다. 따라서 이 필름들을 태양 전지 모듈의 표면 보호층으로서 사용하면, 그 태양 전지 모듈은 빛이 태양 전지 모듈의 내부로 효과적으로 투과하지 못하게 하므로 광전 변환 효율이 불충분하다. 이 밖에, UV 흡수재가 첨가된 PVF 필름을 사용하는 경우에는, PVF 필름의 열변형 온도가 현저히 낮기 때문에, 태양 전지 모듈의 표면 보호층으로서 사용되면 PVF 필름이 뒤틀릴(또는 변형될) 뿐만 아니라 기계적 강도가 저하될 우려가 있으며, 또한 태양 전지 모듈이 옥외에서 고온 환경 조건하에서 사용되는 경우에는 PVF 필름과 충전제 사이에서 분리가 일어날 우려가 있다.
현재로서는, 이러한 UV 흡수제가 첨가된 내광성 불소수지로 이루어진 필름은 내광성 불소수지를 주어진 UV 흡수제와 혼합하여 혼합물을 얻고, 이 혼합물을 불소 수지가 용융되어 용융 생성물이 얻어지는 주어진 온도로 가열하고, 용융 생성물을 압출 성형시킴으로써 얻어진다.
이 경우, 시판 불소수지의 대부분은 융점이 200℃ 이상이고, 이러한 이유 때문에 UV 흡수제는 사용된 불소수지의 용융 온도에서 분해하거나 또는 휘발하는 경향이 있으며, 따라서 바람직한 자외선 흡수 기능을 갖는 불소수지 필름을 얻기가 어렵다.
태양 전지 모듈의 표면 보호층으로서 사용할 수 있는 바람직한 자외선 차단 기능을 갖는 불소수지 필름이 현재까지 제공되지 못하였다. 물론, 이러한 불소수지 필름으로 이루어진 표면 보호층을 갖는 태양 전지 모듈도 제공되지 못하였다.
본 발명자들은 내후성, 내열성 및 내오염성이 우수하고 태양 전지 모듈의 표면 보호층으로서 우수한 투명성을 갖는 불소 함량이 높은 불소수지를 바람직하게 사용할 수 있게 하기 위하여 광범위한 연구를 하였다. 본 발명자들은 불소 함량이 높은 불소수지[ETFE(에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체), PCTFE(폴리(클로로트리플루오로에틸렌 공중합체), ECTFE(에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체), PFA(테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킨비닐에테르 공중합체) 또는 FEP(테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체)] 필름을 제공하고, 주어진 UV 흡수제를 통상의 염색법 또는 열확산법에 의해 불소수지 필름에 혼입시킴으로써 필름 샘플을 제조하였다. 이와 같이 하여 얻어진 필름 샘플을 사용하여, 폴리올레핀계 열가소성 수지로 이루어진 충전제에 의해 밀봉된 광전지 소자 및 이 충전제 상에 배치된 상기 불소수지 필름 샘플로 이루어진 표면 보호층을 포함하고 태양 전지 모듈을 제조하였다. 제조된 태양 전지 모듈을 여러 관점에서 검사하였다. 그 결과, 다음과 같은 사항이 발견되었다. 즉, 광전지 소자와 충전제 사이의 접착 및 충전제와 표면 보호층 사이의 접착이 충분하게 이루어진다: 옥외에서 장기간 반복 사용시에도 광전지 소자가 열화됨이 없이 바람직한 상태로 유지되고 충전제나 표면 보호층도 자외선에 의해 나쁜 영향을 받지 않는다; 태양 전지 모듈의 내후성, 내습성, 내열성 및 내마모성이 우수하다; 태양 전지 모듈이 고온 고습의 가혹한 환경 조건하에서 장기간 반복 사용시에도 열화됨이 없이 바람직한 광전 변환 효율을 항상 갖는다. 본 발명은 이러한 발견을 기초로 해서 완성되었다.
본 발명의 주목적은 장기간 계속해서 태양광에 노출되는 경우에도 거의 열화되지 않고, 빛이 내부로 효과적으로 투과할 수 있게 하여 광전지 소자가 목적하는 광전 변환 효율을 투과적으로 나타낼 수 있는 UV 흡수제가 분산 함유된 특정 불소수지 필름을 포함하는 개선된 표면 보호층을 갖는 고신뢰성 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 광전지 소자를 밀봉하는 폴리올레핀계 열가소성 수지로 이루어진 충전제 상에 배치되며 UV 흡수제가 분산된 특정 불소수지 필름으로 이루어져서 장기간 계속해서 태양광에 노출되는 경우에도 폴리올레핀계 열가소성 수지 충전제가 황변되거나 또는 흐려지는 것을 방지하고 빛이 광전지 소자에 효과적으로 도달하게 함으로써 바람직한 광전 변환 효율을 제공하는 개선된 표면 보호층을 가지는 고신뢰성 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 광전지 소자를 밀봉하는 폴리올레핀계 열가소성 수지로 이루어진 충전제 상에 배치되며 UV 흡수제가 분산된 특정 불소수지 필름으로 이루어져서 개선된 표면 보호층을 가지며, 광전지 소자와 충전제가 충분히 접착될 뿐만 아니라 충전제와 표면 보호층이 충분히 접착된 고신뢰성 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 광전지 소자를 밀봉하는 UV 흡수제를 함유하는 폴리올레핀계 열가소성 수지로 이루어진 충전제 상에 배치되며 UV 흡수제가 분산된 특정 불소수지 필름으로 이루어져서 장기간 계속해서 태양광에 노출되는 경우에도 충전제에 함유된 UV 흡수제가 휘발하지 못하게 하여 충전제가 열화되지 않게 하며 빛이 광전지 소자에 효과적으로 도달하게 함으로써 바람직한 광전 변판 효율을 제공하는 개선된 표면 보호층을 가지며, 광전지 소자와 충전제가 충분히 접착될 뿐만 아니라 충전제와 표면 보호층이 충분히 접착된 고신뢰성 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 충전제가 통상의 폴리올레핀계 열가소성 수지로 이루어져서 감축된 제조 비용으로 제조할 수 있는 고신뢰성 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명은 종래 기술 및 선행 태양 전지 모듈이 갖는 상기 문제점을 해결하고 상기 목적을 달성하는 것이다.
본 발명의 태양 전지 모듈의 대표적인 실시 태양은 (a) 기판 및 이 기판 상에 배치된 적어도 1쌍의 전극을 갖는 광전 변환층으로 이루어지는 광전지 소자, (b) 투명 수지 충전제층, (c) 투명 표면층, 및 (d) 보강 부재로 이루어지는 것으로서, 상기 투명 수지 충전제층 (b) 및 투명 표면층 (c)는 광전지 소자의 광 수용면 상에 순차적으로 배치되고, 상기 보강 부재 (d)는 광전지 소자의 배면 상에 배치되며, 상기 투명 표면층은 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETEE), 폴리(클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(PCTFE), 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 및 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 불소 함량이 높은 불소수지로 이루어지며 자외선 흡수제(UV 흡수제)가 두께 방향으로 균일하게 또는 골고루 분산된 필름으로 이루어지고, 상기 필름(이하, UV 흡수제 함유 불소수지 필름이라 부름)은 개선된 자외선 차단 기능을 갖는다.
UV 흡수제 함유 불소수지 필름은 ETFE, PCTFE. ECTFE, PFA 또는 FEP 수지 필름을 주어진 UV 흡수제가 용해된 크실렌 또는 톨루엔과 같은 유기 용매 중에, 필요에 따라서는 가열하에, 침지시킴으로써 UV 흡수제를 수지 필름 중에 혼입시키고, 이어서 얻어진 생성물을 용매를 휘발시키기에 바람직한 온도에서 건조시킴으로써 수행되는 건조 방식에 의해 형성되거나, 또는 ETFE. PCTFE, ECTFE, PFA 또는 FEP 수지 필름을 일정한 UV 흡수제 고체 입자를 함유하는 진공 쳄버 내에 놓고, UV 흡수제의 고체 입자를 가열하여 UV 흡수제의 증기를 발생시키고, 이 증기에 수지 필름을 노출시켜서 수지 필름 내에 UV 흡수제를 혼입시킴으로써 수행되는 열 확산법에 의해 형성되는 것이다.
투명 수지 충전제층은 전형적으로 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 에틸렌-메틸 아크릴레이트 공중합체(EMA), 또는 에틸렌-에틸 아크릴레이트 공중합체(EEA)와 같은 폴리올레핀계 열가소성 수지로 이루어진다.
본 발명의 태양 전지 모듈에서 투명 표면층(즉, 표면 보호층)으로서 사용되는 개선된 자외선 차단 기능을 갖는 UV 흡수제 함유 불소수지 필름은 투명성이 높고 물리적 강도가 우수하며 열가소성 수지 특히 폴리올레핀계 열가소성 수지와의 접착성이 우수하다. 이러한 이유 때문에, 개선된 자외선 차단 기능을 갖는 UV 흡수제 함유 불소수지 필름을 표면 보호층으로서 사용하면, 광전지 소자를 밀봉시키기 위한 충전제로서 EVA, EMA또는 EEA와 같은 폴리올레핀계 옅가소성 수지를 효과적으로 사용할 수 있으며, 이로써 광전지 소자와 충전제 사이가 충분히 접착될 뿐만 아니라 충전제와 표면 보호층 사이도 충분히 접착된다. 충전제가 자외선 조사에 의해 황변되거나 또는 흐려지기 쉬운 폴리올레핀계 열가소성 수지로 이루어질지라도, 충전제상에 특정 표면 보호층이 존재하기 때문에 태양광에 장기간 계속해서 노출되는 경우에도 황변되거나 또는 흐려지지 않는 안정한 상태를 유지한다.
본 발명의 태양 전지 모듈은 신뢰성이 높고, 내후성 및 내광분해성이 우수하며, 고온 고습의 가혹한 환경 조건하에서 장기간 반복 사용시에도 열화됨이 없이 항상 바람직한 광전 변환 효율을 나타낸다. 또한, 태양 전지 모듈은 내광분해성, 내습성, 내열성 및 내마모성이 우수하다.
이하, 본 발명의 태양 전지 모듈에 대해서 상세히 설명한다.
제1도는 본 발명의 태양 전지 모듈의 일 예의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.
제1도에서, 부호 (101)은 광전지 소자를 나타내고, 부호 (102)는 투명 또는 실질적으로 투명한 충전제(이하, 이 충전제는 표면 충전제라 부름)를 나타내고. 부호 (103)은 최외각 표면에 위치한 투명 또는 실질적으로 투명한 필름(이하, 이 필름은 표면 보호 필름 또는 표면 보호층이라 부름)을 나타내고, 부호 (104)는 광전지 소자 (101)의 배면 상의 충전제(이하, 이 충전제는 배면 충전제라 부름)를 나타내고, 부호 (105)는 배면 보호 필름을 나타내고, 부호 (106)은 배면 보강 부재를 나타낸다.
제1도의 태양 전지 모듈에서는, 빛이 표면 보호층 (103) 쪽을 투과하고, 투과된 빛이 표면 보호층 (103) 및 충전제 (102)를 통과하여 광전지 소자 (101)에 도달 한다. 광전지 소자 (101)에서 발생한 광기전력이 출력 단자(도시하지 않음)를 통해 출력된다.
광전지 소자 (101)은 적어도 하나의 반도체 활성층을 전기 전도성 기판 상에 배치되는 광전 변환 부재로서 포함한다.
제2(a)도는 이러한 광전지 소자의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다. 제2(b)도는 제2(a)도의 광전지 소자의 광 수용면을 개략적으로 도시한 평면도이다.
제2(a)도 및 제2(b)도에서, 부호 (200)은 광전지 소자를 나타내고, 부호 (201)은 전기 전도성 기판을 나타내고, 부호 (202)는 배면 반사층을 나타내고, 부호 (203)은 반도체 활성층을 나타내고, 부호 (204)는 투명 전도층을 나타내고, 부호 (205)는 집전 전극(또는 그리드 전극)을 나타내고, 부호 (206a)는 양극쪽 출력 단자를 나타내고, 부호 (206b)는 음극쪽 출력 단자를 나타내고, 부호 (207)은 전기 전도성 접착제를 나타내고, 부호 (208)은 땜납을 나타내고, 부호 (209)는 절연 부재를 나타낸다.
제2(a)도 및 제2(b)도로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 광전지 소자 (200)은 전기 전도성 기판 (201) 상에 배면 반사층 (202), 반도체 활성층 (203), 투명 전도충 (204) 및 집전 전극 (205)를 순차적으로 포함하고, 출력 단자 (206a)는 전기 전도성 접착제 (207)에 의해 집전 전극 (205)와 전기적으로 연결되며 절연 부재 (209)에 의해 절연된채 집전 전극 (205)로부터 연장되고, 출력 단자 (206b)는 땜납 (208)에 의해 전기 전도성 기판 (201)에 전기적으로 연결된다. 이러한 배열에서, 양극쪽 출력 단자 및 음극쪽 출력 단자는 반도체 활성층의 구조에 따라 의존하여 각각 음극쪽 출력 단자 및 양극쪽 출력 단자로 바뀔 수도 있다.
본 발명의 태양 전지 모듈의 각 구성 요소에 대해서 상세히 설명한다.
[전기 전도성 기판]
전기 전도성 기판 (201)은 광전지 소자의 기판으로서 뿐만 아니라 하부 전극으로서 역할한다. 전기 전도성 기판 (201)에 관해서는 그것이 전기 전도성 표면을 갖는 한 특별한 제한이 없다. 구체적으로 말하자면, Ta, Mo, W, Cu, Ti. Al 등과 같은 금속으로 이루어진 전기 전도성 부재이거나, 또는 이들 금속과 스테인레스강의 합금으로 이루어진 전기 전도성 부재일 수 있다. 이 밖에도, 전기 전도성 기판은 탄소 시이트 또는 백금을 입힌 강철 시이트로 이루어질 수 있다. 다른 방법으로서, 전기 전도성 기판은 합성 수지로 제조된 필름 또는 시이트이거나, 또는 세라믹으로 제조된 시이트일 수 있다. 이 경우에는, 기판 표면 상에 SnO2, ZnO2. ITO 등의 전기 전도성 필름을 배치한다.
[배면 반사층]
전기 전도성 기판 (201) 상에 배치된 배면 반사층 (202)는 금속층, 금속 산화물층, 또는 금속층과 금속 산화물층의 이층 구조로 이루어질 수 있다. 금속층은 Ti, Cr, Mo, W. Al, Ag, Ni 등과 같은 금속으로 이루어질 수 있다. 금속 산화물층은 상기 금속의 산화물, 또는 ZnO, SnO2등과 같은 기타 다른 금속의 산화물로 이루어질 수 있다.
배면 반사층 (202)는 입사광이 효과적으로 사용될 수 있도록 거친 표면을 갖는 것이 바람직하다.
배면 반사층 (202)는 내열 증발법, 전자 비임 중발법 또는 스퍼터링법과 같은 통상의 필름 형성 기술에 의해 적절하게 형성할 수 있다.
[반도체 활성층]
반도체 활성층 (203)은 광전 변환을 수행하는 기능을 한다. 반도체 활성층은 단결정 규소 반도체 재료, 또는 비정질 규소 반도체 재료(미세결정성 규소 반도체 재료를 포함함) 또는 다결정 규소 반도체 재료와 같은 비(非)단결정 규소 반도체 재료, 또는 화합물 반도체 재료로 이루어질 수 있다. 어느 경우이든 간에, 이러한 반도체 재료 중의 어느 하나로 이루어진 반도체 활성층은 pin 접환, Pn 접환 또는 쇼트키형 접환에 의한 적층 구조를 가질 수 있다. 화합물 반도체 재료의 구체적인 예로는 CuInSe2, CuInS2, GaAs, CdS/Cu2S, CdS/CdTe, Cds/InP, CdTe/Cu2Te 등을 들 수 있다.
상기 반도체 재료 중의 어느 하나로 이루어진 반도체 활성층은 통상의 필름 형성 기술에 의해 적절하게 제조할 수 있다. 예를 들면, 비단결정 규소 반도체 활성층은 실란 기체와 같이 규소 원자를 제공할 수 있는 적절한 필름 형성 기체 원료를 사용하여 플라즈마 CVD 또는 빛에 의한 CVD와 같은 통상의 화학적 증기 성장 기술에 의해 제조되거나, 또는 Si-타겟을 사용하여 스퍼터링과 같은 통상의 물리적 증기 성장 기술에 의해 제조될 수 있다. 다결정 규소 반도체 재료로 이루어진 반도체 활성층은 용융 규소 재료를 제공하고, 용융된 규소 재료를 필름 형성 처리하는 것을 포함하는 통상의 다결정 규소 필름 형성법에 의해 제조되거나, 또는 비결정 규소 재료를 열처리하는 것을 포함하는 또다른 통상의 다결정 규소 필름 형성법에 의해 제조될 수 있다.
상기 화합물 반도체 재료 중 어느 하나로 이루어진 반도체 활성층은 통상의 이온 플레이팅법, 이온 비임 부착법, 진공 증발법, 스퍼터링법, 또는 목적하는 전해질의 전해에 의해 침전이 생성되는 전해법에 의해 적절하게 제조될 수 있다.
[투명 전도층]
투명 전도층 (204)는 상부 전극으로서의 기능을 갖는다. 투명 전도층은 In2O3, SnO2, ITO(In2O3-SnO2), ZnO, TiO2또는 Cd2SnO4로 이루어질 수 있다. 이 밖에도, 투명 전도층은 적당한 불순물이 고농도로 도핑된 결정질 반도체층으로 이루어질 수 있다.
상기 재료 중의 어느 하나로 이루어진 투명 전도층은 통상의 내열 증발법, 전자 비임 증발법, 스퍼터링법. 분무법 또는 CVD에 의해 적절하게 제조될 수 있다.
투명 전도층으로 사용될 상기 불순물이 도핑된 결정질 반도체층은 통상의 불순물 확산에 의한 필름 형성법에 의해 적절하게 제조될 수 있다.
[집전 전극]
집전 전극(또는 그리드 전극) (205)는 광기전력에 의해 발생한 전류를 투명 전도층 (204) 상에 효과적으로 집속시킨다. 집전 전극은 빗살 모양인 것이 바람직하다.
집전 전극은 Ti, Cr, Mo, W, Al, Ag, Ni. Cu, Sn과 같은 금속, 또는 이 금속들의 합금으로 이루어질 수 있다. 다른 방법으로서, 집전 전극은 전기 전도성 페이스트로부터 제조될 수 있다. 전기 전도성 페이스트는 적당한 결합제 수지에 분말 형태의 Ag, Au. Cu, Ni 또는 탄소를 분산시킨 전기 전도성 페이스트를 포함할 수 있다. 이 때, 결합제 수지로는 폴리에스테르, 에폭시 수지, 아크릴 수지, 알키드 수지, 폴리비닐아세테이트, 고무, 우레탄 수지 및 패놀 수지를 들 수 있다.
집전 전극은 통상의 마스크 패턴을 사용하는 스퍼터링법, 내열 증발법 또는 CVD에 의해 적절하게 제조될 수 있다. 또한, 집전 전극은 전체 표면 상에 금속 필름을 부착시키고 금속 필름을 에칭 처리하여 목적하는 패턴을 형성하는 방법, 광에 의한 CVD를 이용하여 그리드 전극 패턴을 직접 형성하는 방법, 또는 그리드 전극 패턴에 대응하는 네가티브 패턴을 형성하고 이것을 플레이팅 처리하는 방법에 의해 적절하게 제조될 수 있다.
상기 전기 전도성 페이스트를 사용한 집전 전극 제조는 전기 전도성 페이스트를 스크린 인쇄함으로써 수행될 수 있다.
[출력 단자]
출력 단자 (206a) 및 (206b)는 기전력을 출력하는 역할을 한다. 출력 단자 (206a)는 제2(a)도에 도시한 바와 같이 전기 전도성 페이스트 (207)에 의해 집전 전극 (205)에 전기적으로 연결된다. 다른 방법으로서, 이 경우에 전기적 연결은 적당한 연결 금속체 및 전기 전도성 페이스트 또는 땜납을 사용함으로써 수행될 수 있다.
출력 단자 (206b)는 제2(a)도에 도시한 바와 같이 땜남 (208)에 의해 전기 전도성 기판에 전기적으로 연결된다. 다른 방법으로서, 이 경우에 전기적 연결은 구리 태브(tab)와 같은 적당한 금속체를 점용접 또는 납땜함으로써 수행될 수 있다.
상기 구조를 갖는 복수의 광전지 소자가 제공되고, 이들은 목적하는 전압 또는 전류에 따라서 직렬 연결 또는 병렬 연결로 연결시킨다. 연결체는 목적하는 전압 또는 전류를 얻을 수 있는 방식으로 절연 부재 상에 배치시킬 수 있다.
이하, 제1도의 광전지 소자 (101) 이외의 다른 구성 성분에 대해서 설명한다.
[배면 보호 필름]
제1도의 배면 보호 필름 (105)는 광전지 소자의 전기 전도성 기판 (201)을 배면 보강 부재를 포함한 외부 재료로부터 전기적으로 격리시키기 위한 목적으로 사용된다.
배면 보호 필름 (105)는 전기 전도성 기판을 충분히 전기적으로 격리시킬 수 있으며 내구성이 우수하고 내열팽창성 및 내열수축성을 가지며 가요성이 우수한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 재료의 구체적인 예로는 나일론, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등을 들 수 있다.
[배면 충전제]
배면 충전제 (104)는 광전지 소자 (101)과 배면 보호 필름 (105) 사이를 잘 접착시키는 기능을 갖는다. 배면 충전제 (104)는 광전지 소자의 전기 전도성 기판과 배면 보호 필름 사이를 충분히 접착시킬 수 있으며, 내구성이 우수하고 내열팽창성 및 내열수축성을 가지고, 가요성이 우수한 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 재료의 구체적인 예로는 EVA(에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체) 및 폴리비닐부티랄과 같은 고온 용융 재료 및 에폭시 접착제를 들 수 있다. 이밖에, 이중 코팅된 테이프도 사용할 수 있다.
태양 전지 모듈을 옥외에서 사용하기 위해서 건물 지붕에 연결하는 경우에는, 고온에서 반복 사용시에도 태양 전지 모듈이 견딜 수 있도록 광전지 소자의 전기 전도성 기판과 배면 보호 필름을 충분히 접착시키기 위해서 가교결합될 수 있는 재료를 배면 충전제로서 사용하는 것이 바람직하다.
또한, EVA를 유기 과산화물을 사용하여 가교결합시킬 수 있다.
[배면 보강 부재]
태양 전지 모듈의 기계적 강도를 개선시키고 태양 전지 모듈이 환경 온도 변화에 따라 변형되거나 또는 뒤틀리는 것을 방지하기 위해서, 배면 보강 부재 (106)은 제1도에 도시한 바와 같이 배면 보호 필름 (105)의 바깥쪽에 배치한다. 배면 보강 부재는 강철판, 플라스틱만, 또는 유리 섬유 보강 플라스틱판(FRP판이라고도 불림)으로 이루어질 수 있다
[표면 충전제]
표면 충전제 (102)는 광전지 소자의 표면에서의 불규칙성을 보완하는 작용을 하여 광전지 소자가 외부 환경에서의 온도 변화 또는(및) 습도 변화, 외부에서 가한 충격 등과 같은 외부 요인에 의해 영향을 받지 않도록 하고, 광전지 소자와 표면 보호층이 충분히 접착되도록 한다. 그러므로, 표면 충전제는 특히 내후성, 접착성, 충전 특성, 내열성, 내냉성 및 내충격성에 있어 우수하여야 한다. 표면 충전제가 상기 요건을 충족시키기 위해서는, 표면 충전제는 폴리올레핀계 수지, 부티랄 수지, 우레탄 수지 및 실리콘 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 수지로 이루어진다. 상기 폴리올레핀계 수지의 특정 예로는 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA), 에틸렌-메틸 아크릴레이트 공중합체(EMA), 에틸렌-에틸 아크릴레이트 공중합체(EEA)를 들 수 있다. 이 수지들 중, EVA가 가장 바람직한데, 그 이유는 EVA가 표면 충전제로서 사용될 경우 태양 전지에 적절한 균형있는 물리적 특성을 나타내기 때문이다.
표면 충전제로서 사용가능한 상술한 수지들(이하, 이 수지는 충전제 수지로서 기술할 것임) 중 어떤 수지는 열변형 온도가 낮고, 고온에서 쉽게 변형하거나 또는 휘게된다. 이러한 이유로 하여, 충전제 수지를 적절한 가교결합제와 가교결합시켜 내열성을 증가시키는 것이 바람직하다. 가교결합제로서 유기 과산화물을 들 수 있다.
가교결합제로서 상기 유기 과산화물을 사용하여 표면 충전제로서 사용된 충전제 수지를 가교결합시키는 방법은 유기 과산화물로부터 발생된 유리기에 의해 수소 원자 또는 할로겐 원자를 수지 내로 이끌어 내는 방법에 의해 C-C 결합을 형성시킴으로써 수행된다.
충전제 수지를 가교결합시킬 때, 유기 과산물로부터 상기 유리기를 발생시키기 위해, 유기 과산화물을 열분해 공정, 산화 환원 분해 공정, 또는 이온 분해 공정에 의해 활성화시키는 것이 바람직하다. 이 공정들 중, 열분해 공정이 가장 적절하다.
본 발명에서 가교결합재로서 사용 가능한 유기 과산화물로는 히드로퍼옥사이드, 디알킬(디알릴) 퍼옥사이드, 디아실 퍼옥사이드, 퍼옥시케탈, 퍼옥시에스테르, 퍼옥시카르보네이트 및 케톤퍼옥사이드가 있다.
히드로퍼옥사이드의 특정 예로는 t-부틸 히드로퍼옥사이드. 1,1,3.3-테트라메틸부틸히드로퍼옥사이드, p-메탄 히드로퍼옥사이드, 쿠멘 히드로퍼옥사이드, p-시멘히드로퍼옥사이드, 디이소프로필벤젠 히드로퍼옥사이드, 2,5-디메틸헥산-2,5-디히드로퍼옥사이드, 시클로헥산히드로퍼옥사이드 및 3,3,5-트리메틸헥사논 히드로퍼옥사이드를 들 수 있다.
디알킬(디알릴) 퍼옥사이드의 특정 예로는 디-t-부틸 퍼옥사이드, 디쿠밀 퍼옥사이드 및 t-부틸쿠밀 퍼옥사이드를 들 수 있다.
디아실 퍼옥사이드의 특정 예로는 디아세틸 퍼옥사이드, 디프로피오닐 퍼옥사이드, 디이소부티릴 퍼옥사이드, 디옥타노일 퍼옥사이드, 도데카노일 퍼옥사이드, 디라우로일 퍼옥사이드, 비스 (3,3,5-트리메틸헥사노일)퍼옥사이드, 벤조일 퍼옥사이드, m-톨루일 퍼옥사이드, p-클로로벤조일 퍼옥사이드, 2,4-디클로로벤조일 퍼옥사이드 및 퍼옥시숙신산을 들 수 있다.
퍼옥시케탈의 특정 예로는 2,2-디-t-부틸퍼옥시부탄, 1,1-디-t-부틸퍼옥시시클로헥산, 1,1-디-(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸시클로헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥신-3,1,3-디(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, 2,5-디메틸-2,5-디벤조일퍼옥시헥산, 2,5-디메틸-2,5-디(퍼옥시벤조일)헥신-3 및 n-부틸-4,4-비스(t-부틸퍼옥시)발레레이트를 들 수 있다.
퍼옥시에스테르의 특정 예로는 t-부틸퍼옥시 아세테이트, t-부틸퍼옥시이소부틸레이트, t-부틸퍼옥시피발레이트, t-부틸퍼옥시네오데카노에이트, t-부틸퍼옥시-3,3,5-트리메틸헥사노에이트, t-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, (1,1,3,3-테트라메틸부틸퍼옥시)-2-에틸헥사노에이트, t-부틸퍼옥시라우레이트, t-부틸퍼옥시벤조에이트, 디(t-부틸퍼옥시)아디페이트, 2,5-디메틸-2,5-디(퍼옥시-2-에틸헥사노일)헥산, 디(t-부틸퍼옥시)이소프탈레이트, t-부틸퍼옥시말레에이트 및 아세틸시클로헥실술포닐퍼옥사이드를 들 수 있다.
퍼옥시카르보네이트의 특정 예로는 t-부틸퍼옥시이소프로필카르보네이트, 디-n-프로필퍼옥시디카르보네이트, 디-2급-부틸퍼옥시디카르보네이트, 디(이소프로필퍼옥시)디카르보네이트, 디(2-에틸헥실퍼옥시)디카르보네이트, 디(2-에톡시에틸퍼옥시)디카르보네이트, 디(메톡시프로필퍼옥시)카르보네이트, 디(3-메톡시부틸퍼옥시)디카르보네이트 및 비스-(4-t-부틸시클로헥실퍼옥시)디카르보네이트를 들 수 있다.
케톤 퍼옥사이드의 특정 예로는 아세틸아세톤 퍼옥사이드, 메틸 에틸 케톤 퍼옥사이드, 메틸이소부틸 케톤 퍼옥사이드 및 시클로헥사논 퍼옥사이드를 들 수 있다.
상기 화합물들 이외에, 비닐트리스(t-부틸퍼옥시)실란을 사용할 수도 있다.
표면 충전제로서의 충전제 수지에 가해질 가교결합제로서의 상기 유기 과산화물의 양은 바람직하게는 충전제 수지 100 중량부 당 0.5 내지 5 중량부이다.
유기 과산화물 첨가량이 0.5 중량부 미만인 경우, 충전제 수지는 충분히 가교 결합되지 않는다. 이러한 경우. 충전제는 가열에 의해 변형되기 쉬우며 따라서 목적 형태를 유지하기 어렵다. 한편, 유기 과산화물 첨가량이 5 중량부를 초과할 경우, 유기 과산화물 뿐만 아니라 이의 분해 생성물 일정량이 충전제 중에 잔류하기 쉽고 따라서 충전제는 내열성 및 내후성(내광성)에 있어서 불충분한 특성을 갖는다.
가교결합제로서의 유기 과산화물은 충전제를 열압축 결합시킬 때 표면 충전제로서의 충전제 수지와 함께 사용할 수 있으며, 이때 충전제는 유기 과산화물과 가교 결합하는 동안 광전지 소자 및 또한 표면 보호층에 결합된다. 이 경우 열압축 결합 처리시의 온도 및 처리 기간에 대한 조건은 사용된 유기 과산화물의 열압축 온도 특성에 따라 적절히 결정할 수 있다. 그런데, 일반적으로 상기 조건은 충전제 중 유기 산화물 90% 이상, 바람직하게는 95% 이상이 열적으로 분해되도록 적절히 결정하며, 이때 충전제는 가교결합하는 동안 광전지 소자 및 표면 보호층에 열압축 결합된다.
충전제 수지의 가교결합 정도는 충전제 수지의 겔 함량을 관찰하여 측정할 수 있다. 충전제 수지가 변형되는 것을 방지하기 위해, 충전제 수지의 겔 함량이 70 중랑% 이상이 되도록 가교결합시키는 것이 바람직하다.
충전제 수지를 유효하게 가교결합시키기 위해, 가교결합제로서 유기 과산화물 이외에 트리아릴시아누레이트와 같은 가교결합 보조제를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 가해질 가교결합 보조제의 양은 충전제 수지 100 중량부 당 1 내지 50 중량부인 것이 바람직하다.
상술한 충전제 수지로 이루어진 표면 충전제는 본질적으로 내후성에 있어 우수하다. 그런데, 표면 충전제에 대한 내후성을 더 향상시키고 그 아래 위치한 층을 효과적으로 보호하기 위해, 표면 충전제가 적절한 UV 흡수제를 함유할 수 있다. 그러한 UV 흡수제로서, 시판되고 있는 UV 흡수제로서 사용가능한 약품을 들 수 있다. 바람직한 실시 태양에서, 저휘발성 UV 흡수제를 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 표면 충전제의 내광성을 향상시키기 위해, 표면 충전제는 적절한 광 안정화제를 함유할 수 있다. 또한, 표면 충전제의 내열성을 향상시키기 위해, 표면 충전제는 적절한 산화방지제를 함유할 수 있다. 현재, 태양 전지 모듈을 더 가혹한 환경 조건하에 사용할 경우, 표면 충전제와 광전지 소자와의 접착 및 또한 표면 충전제와 표면 보호층간의 접착을 더 강하게 하는 것이 바람직하다. 표면 충전제가 그러한 접착력을 얻기 위해서, 적절한 실란 커플링제를 표면 충전제에 혼입하는 것이 효과적이다.
상기 실란 커플링제의 특정 예로는 비닐트리클로로실란, 비닐트리스(β-메톡시)실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, β-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, N-β(아미노에틸)γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-β(아미노에틸)γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, N-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-메르캅토프로필트리메톡시실란 및 γ-클로로프로필트리메톡시실란을 들 수 있다.
[표면 보호층(또는 표면 보호 필름)]
표면 보호층(103)(또는 표면 보호 필름)은 태양 전지 모듈의 최외각 표면에 위치하며, 이러한 이유로 하여 투명성, 내후성, 발수성, 내열성, 내오염성 및 물리적 강도에 있어 우수하여야 한다. 또한, 태양 전지 모듈을 옥외에서의 가혹한 환경 조건하에서 사용할 경우, 표면 보호층은 태양 전지 모듈의 장기간의 반복 사용시에도 충분한 내구성을 갖도록 해주어야 한다. 이외에, 태양 전지 모듈이 장기간 동안 고온 환경 조건하에서 계속적으로 사용될 수 있도록, 표면 보호층은 4.6kg/cm2의 압력에서 변형 온도가 70℃ 이상인 수지 필름으로 형성되는 것이 바람직하다.
표면 보호층이 상기 조건 모두를 만족시키기 위해서, 표면 보호층은 UV 흡수제가 두께 방향으로 균일하게 또는 불균일하게 분산되어 있으며 자외선 차단 기능이 양호한 고도로 투명한 특정 불소수지로 이루어진 필름을 포함한다.
고도로 투명한 불소수지의 특정 예로는 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE), 폴리(클로로트리플루오로에틸렌) 수지(PCTFE), 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합채(ECTFE), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 및 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP)를 들 수 있다.
UV 흡수제로는 필름을 고온에 노출시킬 경우 UV 흡수제가 함유된 필름 표면으로부터 UV 흡수제가 휘발되는 것을 방지하고자 하는 차원에서 분자량 300 이상의 UV 흡수제를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 UV 흡수제로는 시판되고 있는 UV 흡수제로서 사용가능한 분자량 300 이상의 방향족 유기 화합물을 들 수 있다. 상기 방향족 유기 화합물은 벤조페논계 화합물 및 벤조트리아졸계 화합물을 함유할 수 있다.
상기 벤조페논계 화합물의 특정 예로는 2,4-히드록시벤조페논, 2-히드록시-4-메톡시벤조페논, 2-히드록시-4-옥톡시벤조페논, 2-히드록시-4-도데실옥시벤조페논, 2,2′-히드록시-4-메톡시벤조페논, 2′,2′-디히드록시-4,4′-디메톡시벤조페논, 2-히드록시-4-메톡시-5-술포벤조페논, 및 비스 (2-메톡시-4-히드록시-5-벤조페논)메탄을 들 수 있다.
상기 벤조트리아졸계 화합물의 특정 예로는 2-(2-히드록시-5-tert-옥틸페닐)벤조트리아졸, 2-(2′-히드록시-5′-메틸페닐)벤조트리아졸, 2-(2′-히드록시-5′-tert-부틸페닐)벤조트리아졸, 2-(2′-히드록시-3′,5′-디. tert-부틸페닐)벤조트리아졸, 2-(2′-히드록시-3′-tert-부틸-5-메틸페닐)-5-클로로벤조트리아졸, 2-(2′-히드록시-3′,5′-디.tert-부틸페닐)-5-클로로벤조트리아졸, 2-(2′-히드록시-3′,5′-디.tert-아밀페닐)벤조트리아졸, 2-[2′-히드록시-3′-(3″.4″,5″,6″-테트라히드로프탈이미도메틸)-5′-메틸페닐]벤조트리아졸, 및 2,2-메틸렌비스[4-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)-6-(2H-벤조트리아졸-2-일)페놀]을 들 수 있다.
본 발명에 따른 표면 보호층으로서 UV 흡수제가 두께 방향으로 균일하게 또는 불균일하게 분산되어 있으며 자외선 차단 기능이 우수한 상술한 고도로 투명한 불소 수지로 이루어진 필름(즉, ETFE. PCTFE, ECTFE, PFA 또는 FEP)은 불소수지 필름을 UV 흡수제가 분산된 유기 용매 중에 침지시켜 UV 흡수제를 불소수지 필름 중에 도입시키는 소위 염색법 또는 불소수지 필름을 UV 흡수제의 증기에 노출시켜 UV 흡수제를 불소수지 필름에 도입시키는 소위 열 확산법에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에서, 상술한 고도로 투명한 불소수지로 이루어진 필름(이하, 이 필름을 불소수지 필름이라 부름) 중에 UV 흡수제를 도입시키는 방법은 먼저 상기 불소수지 필름을 제공하고 상술한 UV 흡수제로부터 선택된 목적하는 UV 흡수제들을 상술한 염색법 또는 열 확산법에 의해 불소수지 필름 중에 도입시킴으로써 행한다. 이렇게 하는 이유는, 폴리비닐 플루오라이드로부터 필름을 형성하는 경우에 사용되는 종래의 필름 형성 방식은 잠재 용매를 사용하고 있는데, UV 흡수제가 비록 잠재 용매중에 가용성이긴 하지만 본 발명에서 사용되는 고도로 투명한 불소수지(ETFE, PCTFE, ECTFE, PFA 또는 FEP)는 잠재 용매에 불용성이기 때문에 그 방식은 사용할 수 없으며, 또한 수지를 200℃ 초과의 온도에서 융합시킨 다음 압출 성형 처리를 행하는, 수지로부터 필름을 형성하는 다른 종래의 압출 성형 방식은 UV 흡수제를 그와 같은 200℃ 이상의 온도에서 가열할 경우 쉽게 분해되거나 또는 휘발되기 때문에 사용할수 없다.
본 발명에서 표면 보호층으로서 고도로 투명한 불소수지중에 도입될 UV 흡수제의 양에 대해서는, 함유된 UV 흡수제가 불소수지와 상용성인 한 특별한 제한은 없다. 그런데, 표면 보호층이 자외선을 선택적으로 흡수하는 동안 목적하는 자외선 차단 작용을 나타내기 위해서, 300 내지 350nm의 파장을 갖는 광을 사용하여 측정할 때 UV 흡수제를 함유하는 상술한 불소수지로 이루어진 필름 (a)를 포함하는 표면 보호층의 투광도가, UV 흡수제를 함유하지 않는 것을 제외하고는 필름 (a)과 동일한 불소수지로 이루어진 필름 (b)의 투광도를 상기와 동일 파장의 광을 사용하여 측정했을 때 1로 설정할 때 그 상대치가 0.8 이하가 되도록 하고, 40 내지 1,000nm의 파장을 갖는 광을 사용하여 측정할 때 상기 필름 (a)의 투광도가 동일 파장을 갖는 광을 사용하여 측정했을 때의 필름 (b)의 투광도를 1로 설정했을 때 그 상대치가 0.9 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. 바람직한 실시 태양에서, 파장이 300 내지 350nm인 광을 사용하여 측정할 때의 필름 (a)의 투광도는, 동일 파장을 갖는 광을 사용하여 측정했을 때의 필름 (b)의 투광도를 1로 설정했을 때 그 상대치가 0.5 이하이고, 파장이 400 내지 1,000nm인 광을 사용하여 측정할 때의 필름 (a)의 투광도가 동일 파장을 갖는 장을 사용하여 측정했을 때의 필름 (b)의 투광도를 1로 설정했을 때 그 상대치가 0.9 이상이 된다. 파장이 300 내지 350nm인 광을 사용하여 측정할 때의 필름 (a)의 투광도가 동일 파장을 갖는 광을 사용하여 측정할 때 필름 (b)의 투광도를 1로 설정하였을 때 그 상대치가 0.8을 초과하는 경우, 자외선은 표면 보호층을 통해 광전지 소자를 밀봉하는 충전제 내로 통과하려는 경향을 갖고, 따라서 자외선이 도달하면 충전제는 황변되거나 또는(및) 흐려지면서 열화되어 충전제 및 표면 보호층 간의 인접면 또는(및) 충전제 및 광전지 소자간의 인접면에서 분리된다는 문제점이 수반되기 쉽다. 한편, 파장이 400 내지 1,000nm인 광을 사용하여 측정할 때 필름 (a)의 투과성이 동일 파장을 갖는 장을 사용하여 측정할 때의 필름 (b)의 투광도를 1로 설정하였을 때 그 상대치가 0.9 미만인 경우, 광전지 소자에 의한 전력 발생에 효과적인 파장 범위에서의 광이 광전지 소자에 도달하지 못하는 경향이 있으며 따라서 태양 전지 모듈은 광전 변환 효율이 낮게 된다.
표면 보호층 중 UV 흡수제의 분포 상태에 있어서, UV 흡수제는 두께 방향으로 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다.
표면 보호층이 표면 충전제 중에 함유된 바와 동일한 UV 흡수제를 함유할 경우, 표면 보호층 중의 흡수제는 바람직하게는 두께 방향으로 불균일하게 분포되어 표면 충전제와의 인접면 부근에서의 집중 분포를 높히도록 한다. 이 경우. 표면 충전제에 함유된 UV 흡수제가 표면 보호층 중으로 확산되는 것을 방지하여 표면 충전제의 내후성이 항상 유지되며 또한 표면 충전제 아래에 배치된 부재가 자외선에 의해 영향을 받는 것을 필름을 수 있는 상술한 이점이 제공된다.
표면 보호층의 두께와 관련하여, 이 두께는 이의 물리적 강도와 또한 경제적 측면을 고려하여 적절히 결정되도록 하여야 한다. 그런데, 일반적으로 이 두께는 10 내지 200㎛, 더욱 바람직하게는 30 내지 100㎛의 범위이다.
현재, 본 발명에 따른 표면 보호층은 표면 충전제와의 접착시 그 특성이 현저히 향상된다. 이러한 이유로 하여, 하기에 기술한 바와 같은 것이 고려될 수 있다. 즉, 분자내에 카르보닐기 또는(및) 히드록실기를 갖는 UV 흡수재가 표면을 통해 불소수지의 내부로 혼입될 경우, 최외각 표면에 존재하는 UV 흡수제는 카르보닐기 또는(및) 히드록실기가 외부쪽으로 향하도록 배향되는데 그 이유는 불소수지가 소수성을 띠기 때문이다. 특히 UV 흡수제의 친수성 관능기는 습윤 특성을 증진시키기 위해 불소수지의 표면을 형성하도록 불소수지의 표면에 존재하며 따라서 이를 테면 EVA로 이루어진 표면 충전제의 결합시 그 특성이 향상된다.
표면 보호층과 표면 충전제 간의 접착시 또 다른 개선점을 얻기 위하여, 표면 보호층을 표면 충전제에 적층시 표면 처리를 받게하는 것이 바람직하다. 이 경우 표면 처리 방법은 코로나 방전 처리법 및 플라스마 처리법을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 모듈에서의 상술한 표면 보호층은 각종의 상당한 이점을 제공한다. 즉, 표면 보호층에 함유된 UV 흡수제는 심지어 옥외에서 계속 노광시에도 표면 보호층의 표면을 통해 확산 또는 휘발되지 않고 본래의 분포 상태로 항상 유지되며, 이때 표면 보호층은 표면 충전제 뿐만 아니라 또한 그 아래 위치하는 다른 부재가 자외선에 의해 부정적인 영향을 받는 것을 막아주면서 표면 충전제의 특성이 악화되지 않고 그대로 유지되도록 한다. 또한, 표면 보호층과 표면 보호층 아래에 위치하는 표면 충전제와의 결합력이 현저히 향상되며 내열성 및 물리적 강도에 있어서도 우수하며 가혹한 환경 조건하에서 장기간 반복 사용시에도 본래의 형태의 변형이 없고 물리적 강도도 감소하지 않는다.
또한, 표면 보호층은 내후성 및 투명성이 매우 향상된다. 표면 보호층은 물리적 강도가 향상되며 그 표면의 발수성이 우수하다.
하기에, 상술한 광전지 소자, 표면 충전제 수지, 표면 보호 필름 및 배면 보호 재료를 사용하여 본 발명에 따른 태양 전지 모듈을 제조하는 방법을 기술할 것이 전형적인 실시 태양에서, 광전지 소자의 광 수용면을 표면 충전제로 밀봉된 충전제의 열융합 생성물을 사용하여 충전재 시트(이하, 이 시트를 충전재 시트라 부름)를 얻고 충전재 시트를 열압착 결합에 의해 광전지 소자 표면에 적층시켜 얻는다.
특히, 본 발명에 따른 태양 전지 모듈은 예를 들면 광전지 소자 (101), 표면충전제 (102)용 충전제 시트(이하, 표면 충전재 시트라 부름), 표면 보호층 (103)용 불소수지 필름, 배면 충전제 (104)용 충전재 시트(이하, 배면 충전제 시트라 부름), 배면 보호 필름 (105) 및 배면 보강 부재 (106)를 제공하고, 표면 충전제 시트 (102) 및 표면 보호 필름 (103)을 순차적으로 광전지 소자 (101) 표면에 적층시킨 다음 광전지 소자 (101)의 배면상에 배면 충전제 시트 (104), 배면 보호 필름 (105), 배면 층전제 시트 (104) 및 배면 보강 부재 (106)를 순차적으로 적층하여 복합판을 얻고 이 복합판을 열압착 결합 처리시켜 목적하는 태양 전지 모듈을 얻는다.
열압착 결합 처리는 가교결합 반응이 충전재 시트 중에서 충분히 진행되도록 목적하는 시간 동안 목적하는 온도에서 수행하여야 한다.
열압착 결합 처리로는 진공 적층법 및 롤 적층법이 포함된다.
하기에서, 본 발명은 실시예를 참조로 하여 더 구체적으로 예시될 것이며 이 실시예는 본 발명의 영역을 제한하고자 하는 것이 아니다.
[실시예 1]
1. 광전지 소자(태양 전지)의 제조
그 배열이 제2(a)도 및 제2(b)도에 명시한 것과 같고 비정질 규소 재료(즉, a-Si 재료)로 이루어진 반도체 활성층을 갖는 광전지 소자(이하, 이 태양 전지는 a-Si 태양 전지라 부름)를 하기 방법으로 제조하였다.
먼저 기판 (201)으로서 잘 세정한 스테인레스 강판을 제공하였다. 통상의 스퍼터링 공정에 의해 기판 상에 5,000 Å 두께의 Al 필름/5,000 길 두께의 ZnO 필름을 포함하는 이층 배면 반사층 (202)을 형성하였다. 형성된 배면 반사층 (202) 상에 종래의 플라스마 CVD공정에 의해 150 Å 두께의 n-형 비정질 규소층/4,000 Å 두께의 i-형 비정질 규소층/100Å 두께의 p-형 미세결정질 규소층/100 Å 두께의 n-형 비정질 규소충/800 Å 두께의 i-형 비정질 규소층/100 Å 두께의 p-형 미세결정질 규소층(이때 각 n-형 비정질 규소층은 SiH4가스, PH3가스 및 H2가스를 사용하여 형성하고. 각 i-형 비정질 규소층은 SiH4가스 및 H2가스를 사용하여 형성하고, 각 p-형 미세결정질 규소층은 SiH4가스, BF3가스 및 H2가스를 사용하여 형성함)을 기판면으로부터 순차적으로 적층시키는 것을 포함하는 반도체 할성층 (203)으로서의 직렬식 광전 변환 반도체 층을 형성하였다. 그 다음, 종래의 내열 증발 공정에 의해 In2O3로 이루어진 700 Å 두께의 투명 전도층 (204)을 반도체 할성층(203) 상에 형성하는데, 이때 In 공급원은 O2대기 중에서 증발시켰다. 계속해서, 폴리에스테르 수지 중에 분산된 Ag 분말을 포함하는 Ag-페이스트(상표명 : Du Pont Company 제품 Ag-paste No. 5007)를 투명 전도층 (204) 상에서 스크린 인쇄한 다음 건조시켜 집전 전국(205)으로서 그리드 전극을 형성하였다.
그 결과, 음극 출력 단자 (206b)로서의 구리관을 스테인레스 땜납 (208)를 사용하여 기판 (201)에 고정시키고, 음극 출력 단자 (206a)로서의 주석 호일 테이프를 전도성 접착제 (207)를 사용하여 집전 전극 (205)에 고정시켰다. 그리하여 태양 전지를 얻었다.
상기 공정을 반복하여 70개의 태양 전지를 얻었다.
2. 태양 전지 모듈의 제조
상기 1에서 얻은 각각의 태양 전지를 사용하여 다음과 같은 방식으로 각각 제3도에 나타낸 배열을 갖는 70개의 태양 전지 모듈을 제조하였다.
제3도에서 부호 (301)은 광전지 소자(이 경우에는 태양 전지에 해당됨)를 나타내고, 부호 (302a)는 표면 충전제를 나타내고, 부호 (302b)는 배면 충전제를 나타내고, 부호 (303)은 표면 보호층을 나타내고, 부호 (304)는 배면 보강 부재를 나타내고, 부호 (305a)는 양극 출력 단자(앞의 출력 단자 (206a)에 해당됨)를 나타내고, 부호 (305b)는 음극 출력 단자(앞의 출력 단자 (206b)에 해당됨)를 나타내고, 부호 (306)은 배면 보호 필름을 나타내고, 부호 (307)은 각각 출력 단자들 (305a) 및 (305b) 중의 하나에 대한 한 쌍의 배선 구멍을 나타낸다. 각각의 출력 구멍은 배면 보강 부재 (304)로부터 배면 구성 성분들을 통과하여 대응하는 출력 단자에 도달된다.
[표면 보호층 (303)으로 사용되는 불소수지 필름의 제조]
두께 38㎛의 신장된 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE) 필름을 제공하였다. ETFE 필름을 벤조페논계 UV 흡수제로서 2-히드록시-4-n-옥톡시벤조페논의 10% 크실렌 용액 중에 침지시킨 다음 100℃에서 24시간 환류시켰다. 이렇게 처리된 ETFE 필름을 크실렌으로 세척한 후, 오븐 중에서 50℃에서 30분 동안 건조시켰다. 이어서, 생성물을 표면 충전제 (302a)와 접촉하게 되는 표면을 코로나 방전 표면 처리하였다. 이에 따라, 코로나 방전 처리된 표면을 갖는 벤조페논계 UV 흡수제 함유 ETFE 필름을 표면 보호층 (303)으로 얻었다.
생성된 UV 흡수제 함유 ETFE 필름에 대하여, (a)의 경우에는 300 내지 350nm 파장의 광을 사용하고, (b)의 경우에는 400 내지 1000nm 파장의 광을 사용하여 자외선 및 가시선 영역에 대한 분광광도계 U-4000(Hitachi Ltd. 제품)으로 투광도를 측정하였다.
두께 38㎛의 다른 신장된 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE) 필름을 기준으로 제공하였다. 기준 ETFE 필름에 대하여, 그의 투광도를 상기한 바와 같이 측정하였다.
UV 흡수제 함유 ETFE 필름에 대한 측정 결과를 기준 ETFE 필름에 대한 측정 결과와 비교하였다. 그 결과, 전자의(a) 경우의 투광도는 후자의 (a) 경우의 것에 대한 상대치로 0.3 미만이고, 전자의 (b) 경우의 투광도는 후자의 (b) 경우의 것에 대한 상대치로 0.95를 초과한다.
[태양 전지 모듈의 저조]
상기 1에서 얻은 태양 전지의 광 수용면 상에, 두께 460㎛의 UV 흡수제 함유 EVA 필름 (302a)(Mobay Company 제품) 및 상기에서 얻은 UV 흡수제 함유 ETFE 필름을 순차적으로 적층시켰다. 생성체의 배면 상에, 두께 63.5㎛의 나일론 필름 (306)(상표명: DARTEK, Du Pont Company 제품), UV 흡수제 함유 EVA 필름 (302b)(Mobay Company 제품) 및 아연도금강 부재(또는 Zn-피복강 부재) (306)을 순차적으로 적층시켰다. 따라서, 적층체를 얻었다. 얻은 적층체를 진공 라미네이터 내에 위치시켜 진공 라미네이터의 내부를 소정의 진공 정도로 배기시키면서 150℃에서 30분 동안 열처리시킨 다음 실온으로 냉각시켰다.
상기에서, 출력 단자 (305a)를 태양 전지의 배면까지 연장시켜 출력 단자 (305b) 뿐만 아니라 출력 단자 (305a)도 배선 구멍 (307)을 통해 외부로 배선될 수 있도록 하였다. 이렇게 태양 전지 모듈을 얻었다.
이러한 방식으로 70개의 태양 전지 모듈 샘플을 얻었다.
[평가]
제조된 태양 전지 모듈에 대해, (1) 초기 광전 변환 효율, (2) 내광성, (3) 내후성, (4) 내열성, (5) 환경 온도 변화에 대한 내구성, (6) 환경 온도 및 습도 변화에 대한 내구성 및 (7) 내침습성에 관하여 평가하였다.
얻은 평가 결과들을 모아 하기 표 1에 나타냈다.
상기 평가 항목(1) 내지 (7) 중의 각각의 평가는 하기 방식으로 행하였다. 각 평가 항목의 평가에 10개의 태양 전지 모들 샘플들을 사용하였다. 표 1에서 각 평가 항목에 나타낸 결과는 10개의 태양 전지 모듈 샘플들 중 최악의 결과를 나타낸 태양 전지 모들의 결과이다.
(1) 초기 광전 변환 효율의 평가
태양 전지 모듈 샘플을 태양 시뮬레이터[상표명 : SPI-SUN SIMULATOR 240A(AM 1.5), SPIRE Company 제품]을 사용하여 초기 광전 변환 효율에 관하여 측정을 행하였다. 이 실시예 1에서 얻은 측정 격과를 표 1에 값 1로 나타냈으며, 이것은 하기 되는 다른 실시예 및 비교예에서 측정된 다른 결과들에 대한 비교 기준이 된다.
(2) 내광성의 평가
태양 전지 모듈 샘플을 울트라 노광 시험기(Suga Test Instruments Co.. Ltd. 제품) 내에 위치시켜 (a) 블랙 패널 63℃ 및 환경 습도 50% RH의 조건하에서 금속 할로겐화물 램프로부터 파장 300nm 내지 400nm의 자외선을 100mW/cm2의 세기로 조사하는 주기 및 (b) 환경 온도 30℃ 및 환경 습도 96% RH의 조건하에서 자외선 조사없이 결로를 행하는 주기를 교대로 반복하는 이슬 주기 시험을 행하고 태양 전지 모듈 샘플을 20년 동안 동경에 조사된 자외선의 양에 해당하는 양의 상기 자외선으로 조사하였다.
그 후, 그의 외관을 관찰하였다. 표 1에서 표시 ○로 나타낸 관찰 결과는 외관에 어떠한 변화도 관찰되지 않은 경우를 나타낸다. 외관에 변화가 있는 경우에 대해서는 표 1에 주를 달았다.
또한, 이슬 주기 시험을 행한 태양 전지 모듈 샘플에 대하여, SPI-SUN SIMULATOR 240A(AM 1.5)를 사용하여 그의 광전 변환 효율을 측정하였다. 실시예 1에서 얻은 측정 결과를 표 1에 값 1로 나타냈으며, 이것은 후술되는 다른 실시예 및 비교예에서 측정된 다른 결과들에 대한 비교 기준이 된다.
(3) 내후성의 평가
태양 전지 모듈 샘플을 크세논-아아크 일조 기상 계기(Heraeus Company 제품) 내에 위치시켜 (a) 크세논 램프로부터 100nW/cm2의 위태양광을 조사하는 주기 및 (b) 순수한 물을 떨어뜨리는 주기를 5000시간 동안 교대로 반복하는 가속화시킨 기상 시험을 행하였다. 그 후, 그의 외관을 관찰하였다. 표 1에서 표시 ○로 나타낸 관찰 결과는 외관에 어떠한 변화도 관찰되지 않은 경우를 나타낸다. 외관에 변화가 있는 경우에 대해서는 표 1에 주를 달았다.
(4) 내열성의 평가
태양 전지 모듈 샘플을 100℃의 분위기에 24시간 동안 노출시킨 후. 그의 외관을 관찰하였다. 표 1에서 표시 ○로 나타낸 관찰 결과는 외관에 어떠한 변화도 관찰되지 않은 경우를 나타낸다. 외관에 변화가 있는 경우에 대해서는 표 1에 주를 달았다.
(5) 환경 온도 변화에 대한 내구성의 평가
태양 전지 모듈 샘플을 (a) -40℃의 분위기에 1시간 동안 노출시키는 주기 및 (b) 90℃의 분위기에 1시간 동안 노출시키는 주기를 50회 교대로 반복한 후, 그의 외관을 관찰하였다. 표 1에서 표시 ○로 나타낸 관찰 결과는 외간에 어떠한 변화도 관찰되지 않은 경우를 나타낸다. 외관에 변화가 있는 경우에 대해서는 표 1에 주를 달았다.
(6) 환경 온도 및 습도 변화에 대한 내구성의 평가
태양 전지 모듈 샐플을 (a) -40℃의 분위기에 1시간 동안 노출시키는 주기 및 (b) 85℃/85% RH의 분위기에 4시간 동안 노출시키는 주기를 50회 교대로 반복한 후, 그의 외관을 관찰하였다. 표 1에서 표시 ○로 나타낸 관찰 곁과는 외관에 어떠한 변화도 관찰되지 않은 경우를 나타낸다. 외관에 변화가 있는 경우에 대해서는 표 1에 주를 달았다
(7) 내침습성의 평가
태양 전지 모듈 샘플을 환경 온도 120℃ 및 수증기압 2 atm의 조건 하에서 1000시간 동안 가압 쿠커 시험을 행하였다. 그 후, 그의 외관을 관찰하였다. 표 1에서 표시 ○로 나타낸 관찰 결과는 외관에 어떠한 변화도 관찰되지 않은 경우를 나타낸다. 외관에 변화가 있는 경우에 대해서는 표 1에 주를 달았다.
표 1에는, 평가 항목(1) 내지 (7)의 평가 결과에 기초한 전체적인 평가 결과로서 얻은 결과를 나타냈다. 표 1에 나타낸 전체적인 평가 결과는 하기한 기준에 기초하였다.
◎ : 태양 전지 모듈 샘플이 모든 평가 항목에서 우수한 경우, ○ : 태양 전지 모듈 샘플이 모든 평가 항목에서 만족스러운 경우, △ : 태양 전지 모듈 샘플이 보다 가혹한 환경 조건 하에 사용하기에 문제가 있는 경우 및 × : 태양 전지 모듈 샘플이 문제가 있어 실용적으로 허용되지 않는 경우.
[실시예 2]
표면 보호층 (303)인 불소수지 필름의 제조시에 사용된 ETFE 필름 대신에 폴리(클로로트리플루오로에틸렌) 수지(PCTFE)의 필름을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 방법을 반복하여 70개의 태양 전지 모듈 샘플을 얻었다.
얻은 태양 전지 모듈 샘플에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가를 행하였다. 얻은 평가 결과들을 모아 표 1에 나타냈다.
[실시예 3]
표면 보호층 (303)인 불소수지 필름의 제조시에 UV 흡수제로 사용된 2-히드록시-4-n-옥톡시벤조페논 대신에 벤조트리아졸계 UV 흡수제인 2-(2-히드록시-5-tert-옥틸페닐)벤조트리아졸을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 방법을 반복하여 70개의 태양 전지 모듈 샘플을 얻었다.
얻은 태양 전지 모듈 샘플에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가를 행하였다. 얻은 평가 결과들을 모아 표 1에 나타냈다.
[실시예 4]
표면 보호층 (303)인 불소수지 필름의 제조시에 사용된 ETFE 필름 대신에 50㎛ 두께의 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체(ECTFE) 필름을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 방법을 반복하여 70개의 태양 전지 모듈 샘플을 얻었다.
얻은 태양 전지 모듈 샘플에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가를 행하였다. 얻은 평가 결과들을 모아 표 1에 나타냈다.
[실시예 5]
표면 보호층 (303)인 불소수지 필름의 제조시에 사용된 ETFE 필름 대신에 50㎛ 두께의 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체(PFA) 필름을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 방법을 반복하여 70개의 태양 전지 모듈 샘플을 얻었다
얻은 태양 전지 모듈 샘플에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가를 행하였다. 얻은 평가 결과들을 모아 표 1에 나타냈다
[실시예 6]
표면 보호층 (303)인 불소수지 필름의 제조시에 사용된 ETFE 필름 대신에 50㎛ 두께의 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체(FEP) 필름을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 방법을 반복하여 70개의 태양 전지 모들 샘플을 얻었다.
얻은 태양 전지 모듈 샘플에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가를 행하였다. 얻은 평가 결과들을 모아 표 1에 나타냈다.
[실시예 7]
ETFE 필름 내로의 UV 흡수제의 혼입을 열분산 방식으로 행하고, 표면 충전제인 EVA 필름과 접촉되는 형성된 UV 흡수제 함유 ETFE 필름의 면을 코로나 방전을 사용하여 표면 처리시키는 것을 제외하고는, 실시예 1의 방법을 반복하여 70개의 태양 전지 모듈 샘플을 얻었다.
얻은 태양 전지 모듈 샘플에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가를 행하였다. 얻은 평가 결과들을 모아 표 1에 나타냈다.
상기에서, ETFE 필름 내로의 UV 흡수제의 혼입은 시일드에 의해 마스크된 표면을 갖는 50㎛ 두께의 신장된 ETFE 필름을 제공하고, 이 ETFE 필름을 벤조페논계 UV 흡수제로서 2-히드록시-4-n-옥톡시벤조페논의 고상 입자들을 함유하는 진공 챔버 내에 위치시키고, 200℃에서 6시간 동안 진공 챔버 내부를 가열시켜, 벤조페논계 UV 흡수제의 증기를 생성시키고, 시일드에 의해 마스크된 표면을 갖는 ETFE 필름이 상기 벤조페논계 UV 흡수제의 증기에 노출시킨다. 이러한 방식으로 각각 UV 흡수제가 열확산 방식으로 혼입된 다수의 ETFE 필름을 얻었다.
형성된 UV 흡수제 함유 ETFE 필름들 중 1개를 투광도에 관하여 관찰하였다. 즉, UV 흡수제 함유 ETFE 필름에 대하여, 그의 UV 흡수제의 증기에 노출되는 면으로 부터 약 10㎛ 두께의 표본 (i)을 잘라내고, 약 10㎛ 두께의 다른 표본 (ii)를 다른 면으로부터 잘라내었다. 각각의 표본 (i) 및 (ii)의 투광도를 350nm의 파장을 갖는 광을 사용하여 자외선 및 가시선 영역에 대한 분광광도계 U-4000(Hitachi, Ltd. 제품)으로 측정하였다.
여기에서는, 50㎛ 두께의 다른 신장된 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE) 필름을 기준으로 제공하였다. 약 10㎛ 두께의 표본 (i′)을 그의 제공면으로부터 잘라내고. 약 10㎛ 두께의 다큰 표본 (ii′)을 다른 면으로부터 잘라내었다. 기준 표본 ETFE 필름의 각각의 표본 (i′) 및 (ii′)에 대하여 투광도를 상기한 바와 동일한 방식으로 측정하였다.
표본 (i)의 측정 결과를 표본 (i′)의 측정 결과와 비교하였다. 그 결과. 표본 (i)의 투광도는 표본 (i′)의 투광도에 대한 상대치로 0.2이다. 유사하게, 표본 (ii)에 대한 측정 결과를 표본 (ii′)의 측정 결과와 비교하였다. 그 결과, 표본 (ii)의 투광도는 표본 (ii′)의 투광도에 대한 상대치로 0.8이다.
상기에서 얻은 관찰 결과로부터, 상기 UV 흡수제 함유 ETFE 필름은 변화된 UV 흡수제 농도 분포를 가져 UV 흡수제의 증기에 노출되는 면 상에서는 농도가 증가되고, 시일드에 의해 마스크된 면 상에서는 감소됨을 발견하였다.
태양 전지 모듈 샘플의 제조에 사용된 나머지 각각의 UV 흡수제 함유 EFFE 필름에 대하여, 표면 충전제인 EVA 필름과 접촉하게 되는 그의 면을 상기한 바와 같이, EVA 필름 상에 적층시키기 전에 코로나 방전을 사용하여 표면 처리시켰다.
[비교예 1]
ETFE 필름 내에 UV 흡수제를 혼입시키지 않는다는 것을 제외하고는, 실시예 1의 방법을 반복하여 70개의 태양 전지 모듈 샘플을 얻었다.
얻은 태양 전지 모듈 샘플에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가를 행하였다. 얻은 평가 결과들을 모아 표 1에 나타냈다.
[비교예 2]
PCTFE 필름 내에 UV 흡수제를 혼입시키지 않는다는 것을 제외하고는, 실시예 2의 방법을 반복하여 70개의 태양 전지 모듈 샘플을 얻었다.
얻은 태양 전지 모듈 샘플에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가를 행하였다. 얻은 평가 결과들을 모아 표 1에 나타냈다.
[비교예 3]
표면 보호층으로 사용된 UV 흡수제 함유 ETFE 필름 대신에 50㎛ 두께의 UV 흡수제를 함유하는 폴리비닐 플루오라이드 필름(상표명 : TEDLAR, Du Pont Company 제품)을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 방법을 반복하여 70개의 태양 전지 모듈 샐플을 얻었다.
얻은 태양 전지 모듈 샘플에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가를 행하였다. 얻은 평가 결과들을 모아 표 1에 나타냈다.
[비교예 4]
표면 보호층으로서의 ETFE 필름 내에 UV 흡수제를 혼입시키지 않고, 표면 충전제로서의 UV 흡수제 함유 EVA 필름 대신에 후술되는 바와 같은 방식으로 제조된 클로로트리플루오로에틸렌-비닐 에테르 공중합체 수지 조성물의 필름을 사용하는 것을 제외하고는, 실시예 1의 방법을 반복하여 70개의 태양 전지 모듈 샘플을 얻었다.
얻은 태양 전지 모듈 샘플에 대해 실시예 1에서와 동일한 방식으로 평가를 행하였다. 얻은 평가 결과들을 모아 표 1에 나타냈다.
클로로트리플루오로에틸렌-비닐 에테르 공중합체 수지 조성물 필름을 다음과 같이 제조하였다. 즉, 클로로트리플루오로에틸렌-비닐 에테르 공중합체 수지(상표명 : LUMIFLON LF400, Asahi Glass Co., Ltd. 제품)를 제공하였다. 공중합체 수지 100 중량부에 가교결합제로서의 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산 3 중량부, 가교보조제로서의 트리알릴시아눌레이트 2 중량부, 커플링제로서의 γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란 0.3 중량부, UV 흡수제로서의 2-(2-히드록시-5-t-옥틸페닐)벤조트리아졸 0.3중량부, 광 안정화제로서의 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트 0.1 중량부 및 산화방지제로시의 트리스(모노-노닐페닐)포스페이트 0.2중량부를 교반하면서 첨가하여 혼합물을 얻었다. 혼합물을 100℃에서 용융시킨 다음 T-다이 추출을 행하여 향 400㎛ 두께의 필름을 얻었다. 형성된 필름을 표면 충전제로서 사용하였다.
표 1에 나타낸 결과에 기초하여, 본 발명에 속하는 실시예 1 내지 7에서 얻은, 표면 보호층이 띤 흡수제가 혼입된 특정의 매우 투명한 불소수지로 이루어진 임의의 태양 전지 모듈이 비교예 1 내지 4에서 얻은 비교용 태양 전지 모듈보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 임의의 태양 전지 모듈은 성분 수지 재료 중에서의 황변 또는 흐림이 절대적으로 없고, 또한 내광성 및 내주성의 시험에서 표면 충전제와 표면 보호층 사이 및 광한 광전지 소자와 표면 충전제 사이에서의 분리의 발생이 절대적으로 없으므로 내광성 및 내후성이 우수하다. 또한, 본 발명의 임의의 태양 전지 모듈은 보다 가혹한 조건하에서의 내구성 시험 및 가압 쿠커 시험에서 충분히 양호하다는 것을 알 수 있다. 추가로, 본 발명의 임의의 태양 전지 모듈은 초기 광전 변환 효율이 충분히 양호하거나 또는 우수하고, 장기간에 걸친 광전 변환 효율 기간 내에서 거의 열화되지 않는다는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 임의의 태양 전지 모듈이 가혹한 환경하의 외부에서 전력원으로서 만족스럽게 사용될 수 있음을 알 수 있다.
이와는 반대로, 비교예 1 내지 4에서 얻은 비교용 태양 전지 모듈에 대해서는, 이들이 실시예 1 내지 7에서 얻은 임의의 태양 전지 모듈보다 두드러지게 열등하다는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 비교예 1 및 2에서 얻은 비교용 태양 전지 모듈은 내광성, 내후성, 및 환경 온도 및 습도 변화에 대한 내구성에서 열등하다. 사실상, 표 1로부터 명백한 바와 같이, 이들 중 임의의 것의 표면 충전제는 내광성 시험에서 황변화 및(또는) 흐림이 발생하였고, 이들 중 임의의 것은 내후성 시험에서 뿐만 아니라 환경 온도 및 습도 변화에 대한 내구성 시험에서 표면 충전제와 표면 보호층 사이에 분리가 있었다.
비교예 3에서 얻은 비교용 태양 전지 모듈은 초기 광전 변환 효율, 내열성, 환경 온도 변화에 대한 내구성 및 내침습성이 열등하다. 사실상, 그의 표면 보호층은 그의 변형 온도가 낮기 때문에 내열성 시험, 환경 온도 변화에 대한 내구성의 시험 및 가압 쿠커 시험에서 변형되었다.
비교예 4에서 얻은 비고용 태양 전지 모듈은 내침습성이 두드러지게 열등하다. 사실상, 이 비교용 태양 전지 모듈은 가압 쿠커 시험에서 표면 충전제와 광전지 소자 사이에 분리가 일어났다.
[표 1]
주)*1 - 표면 보호층과 표면 충전제 사이에 분리 발생
*2 - 표면 충전제와 광전지 소자 사이에 분리 발생

Claims (10)

  1. (a) 광전지 소자, (b) 투명 수지 충전제충, (c) 투명 표면층, 및 (d) 보강부재를 포함하고, 상기 투명 수지 충전제충 (b) 및 투명 표면층 (c)는 상기 광전지 소자의 광 수용면 상에 순차적으로 배치되고, 상기 보강 부재 (d)는 상기 광전지 소자의 배면 상에 배치되며, 상기 투명 표면층은 내부에 분산된 자외선 흡수제를 함유하며 변형 온도가 4.6 kg/cm2의 압력에서 70℃ 이상인 불소수지 필름을 포함하고, 상기 자외선 흡수제 함유 불소수지 필름은 (i) 불소수지 필름을 제공하는 단계, (ii) 자외선 흡수제를 함유한 유기 용매 중에 상기 불소수지 필름을 침지시키는 단계, (iii) 단계 (ii)에서 얻어진 생성물을 소정의 온도에서 건조시켜서 유기 용매를 휘발시키는 단계를 포함하는 염색 방법에 의하여 형성된 필름 또는 (i) 불소수지 필름을 제공하는 단계, (ii) 상기 불소수지 필름을 자외선 흡수제의 증기에 노출시키는 단계를 포함하는 열 확산 방법에 의하여 형성된 필름을 포함하며. 상기 염색 방법 및 열 확산 방법의 단계 (i)에서 각각 제공되는 불소수지 필름은 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리(클로로트리플루오로에틸렌) 수지, 에틸렌-클로로트리플루오로에틸렌 공중합체, 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로알킬비닐에테르 공중합체 및 테트라플루오로에틸렌-헥사플루오로프로필렌 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 불소수지로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 표면 보호층으로서의 자외선 흡수제 함유 불소수지 필름에 함유된 자외선 흡수제가 분자량 300 이상의 벤조페논게 화합물인 것인 태양 전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 표면 보호층으로서의 자외선 흡수제 함유 불소수지 필름에 함유된 자외선 흡수제가 분자량 300 이상의 벤조트리아졸제 화합물인 것인 태양 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 투명 수지 충전제층이 열가소성 수지를 포함하는 것인 태양 전지 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 열가소성 수지가 폴리올레핀계 열가소성 수지인 것인 태양 전지 모듈.
  6. 제5항에 있어서, 폴리올레핀계 열가소성 수지가 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체, 에틸렌-메틸 아크릴레이트 공중합체 및 에틸렌-에틸 아크릴레이트 공중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 것인 태양 전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 투명 수지 충전제층이 자외선 흡수제를 함유하는 것인 태양 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 광전지 소자가 전기 전도성 기판 상에 순차적으로 배치된 광전 변환층 및 투명 전도층을 포함하는 것인 태양 전지 모듈.
  9. 제8항에 있어서, 광전 변환층이 비(非)단결정 반도체 필름을 포함하는 것인 태양 전지 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 비단결정 반도체 필름이 비정질 규소 반도체 필름인 것인 태양 전지 모듈.
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