KR101089244B1 - 태양 전지 모듈용 보호 시트 및 이를 이용한 태양 전지 모듈 - Google Patents

태양 전지 모듈용 보호 시트 및 이를 이용한 태양 전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양 전지 모듈을 고정하고 외부 환경으로부터 태양 전지를 보호하는 기능을 갖는 태양 전지 모듈용 보호 시트 및 이를 이용한 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명은 이오노머 수지(ionomer resin) 및 폴리올레핀계 수지를 포함하는 태양 전지 모듈용 보호 시트를 제공한다. 본 발명에 따른 태양 전지 모듈용 보호 시트는, 부드러운 특성과 함께 내후성, 내광성 및 내충격성이 우수하여, 보다 안정적인 태양 전지 보호가 가능하며 이오노머 수지의 딱딱한 물성을 통해 가교제를 투입할 필요없이 단일 공정으로 태양 전지 보호 역할이 가능한 태양 전지 모듈용 보호 시트를 제공할 수 있다.
태양 전지 모듈, 보호 시트, 이오노머 수지, EVA 수지

Description

태양 전지 모듈용 보호 시트 및 이를 이용한 태양 전지 모듈{Protective sheet for solar battery module and Solar battery module applying the same}
본 발명은 표면 강화막 및 배면 보호 필름과, 태양 전지 셀과의 접착성을 보장하여 태양 전지 모듈을 고정하고, 온도, 습도, 충격 등의 외부 환경으로부터 셀을 보호하는 기능 외에 내후성, 내광성 및 내충격성이 우수한 특성을 통해 보다 안정적인 셀 보호가 가능하며, 이오노머(ionomer) 수지의 딱딱한 물성을 통해 가교제를 투입할 필요없이 단일 공정으로 제조될 수 있는, 태양 전지 보호 역할이 가능한 태양 전지 모듈용 보호 시트 및 이를 이용한 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
태양 전지는 광전 효과를 이용해 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 반도체 소자이고, 무공해, 무소음 및 지구 온난화 방지에 유용한 청정 에너지원으로서 연구 개발이 활발히 진행되고 있고, 금후에도 대량의 발전(發電)이 기대되고 있다.
태양 전지는 옥외에서 자연 환경에 노출되는 경우가 많고 태양 전지의 심장부에 수분이 미치면 그 성능이 현저하게 저하되기 때문에, 고온 고습한 환경에서도 장시간 견딜 수 있는 우수한 내구성을 갖춘 태양 전지 모듈이 요구된다. 이러한 태양 전지 모듈로서 집전 전극을 갖는 태양 전지의 이면과 표면에 적층되는 충전재, 표면 보 호층 및 배면 보호필름(back sheet)으로 구성된 것이 제안되어 있다. 이 때 표면 보호층으로는 에틸렌-테트라플루오르에틸렌 공중합체 막 또는 폴리불화비닐 막 등이 공지되어 있고, 태양 전지의 이면과 표면에 적층되는 충전재로는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 공중합체나 부티랄 수지들이 공지되어 있다. 여기서 EVA 수지의 역할은 태양 전지와 표면 보호층 또는 배면 보호 필름 사이에서 접착제 역할을 하여 태양 전지 모듈을 고정함과 동시에 수분으로부터 태양 전지를 보호하는 것이다. 그러나 종래 보호 시트는 태양 전지 모듈을 고정하는 것과 수분 등 외부 환경으로부터 태양 전지를 보호하는 기능만을 할 뿐 태양 전지의 안정성과 효율을 개선하는 등의 기능성을 갖고 있지 못하다. 또한, 현재 태양 전지가 활성화되지 못하고 있는 가장 큰 이유는 제조 단가가 높다는 점과 에너지 변환 효율이 기대치에 미치지 못한다는 점이다. 따라서, 태양 전지관련 제조기술의 개발은 제조 단가의 저가화와, 에너지 변환 효율 및 장기간 동안의 안정성의 향상에 그 초점이 맞추어지고 있다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명의 목적은 내후성, 내광성 및 내충격성이 우수하여 태양 전지의 수명을 연장시킬 수 있고, 가교 반응이 불필요하여 공정을 간소화 할 수 있어, 제조단가를 낮출 수 있으면서도, 에너지 효율이 높은 태양 전지 모듈용 보호 시트 및 이를 이용한 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 폴리올레핀계 수지 및 이오노머 수지를 포함하는 태양 전지 모듈용 보호 시트를 제공한다. 본 발명에 따른 태양 전지 모듈용 보호 시트를 사용하면, 내후성, 내광성 및 내충격성 등이 우수하여 태양 전지의 수명을 연장시킬 수 있으면서도 에너지 효율이 높은 태양 전지를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양 전지 모듈용 보호 시트는, 폴리올레핀계 수지로 이루어진 폴리올레핀계 수지층 및 폴리올레핀계 수지층의 적어도 한 측면에 형성된 이오노머 수지로 이루어진 이오노머 수지층을 포함한다. 본 발명에 의하면, 상층인 이오노머 수지의 장점인 내후성, 내열성 및 내충격성의 장점을 가지면서 하층 및 중간층을 형성하는 폴리올레핀계 수지의 유연성을 동시에 가질 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 이오노머 수지층의 두께(di)에 대한 폴리올레핀계 수지층의 두께(do)의 비(do/di)가 1.5~30일 수 있다. 이오노머 수지층의 두께가 더 얇아지면 내후성, 내열성 및 내 충격성이 저하되고, 더 두꺼워지면 연성이 떨어진다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 태양 전지 모듈용 보호 시트는, 폴리올레핀계 수지와 이오노머 수지를 혼합하여 압출 성형한 혼합 수지층을 포함할 수 있다. 본 발명에 의하면, 폴리올레핀계 수지와 이오노머 수지를 혼합하여 성형하므로, 작업성 및 물성 조절이 용이하다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 폴리올레핀계 수지 100 중량부에 대하여 이오노머 수지 5~70 중량부가 혼합될 수 있다. 이오노머 수지를 5 중량부 미만으로 사용하면 내후성, 내열성, 내광성 및 내충격성이 저하되고, 이오노머 수지를 70 중량부 보다 많이 사용하면 연성이 떨어지는 단점이 있다.
본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 본 발명에 따른 태양 전지 모듈용 보호 시트를 사용하여 제조된 태양 전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 따른 태양 전지 모듈용 보호 시트는 표면 강화막 및 배면 보호 필름과, 태양 전지 셀을 접착시켜 태양 전지 모듈을 고정할뿐만 아니라, 이오노머 수지로 이루어지는 이오노머 수지층과 EVA 등의 폴리올레핀계 수지로 이루어진 폴리올레핀계 수지층의 다층 구조 또는 이오노머 수지 및 폴리올레핀계 수지가 혼합되어 형성된 혼합 수지층 구조로 제조함으로써 내후성, 내광성 및 내충격성이 우수하여 태양 전지의 수명을 연장시킬 수 있고, 가교 반응이 불필요하여 공정을 간소화할 수 있어 제조원가를 낮출 수 있는 태양 전지 모듈용 보호 시트 및 이를 이용한 태양 전지 모듈을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
반도체 PN접합으로 구성된 태양 전지에 태양광이 입사되면 광 에너지에 의해 반도체내의 전자(-)와 정공(+)이 여기되어 반도체 내를 자유로이 이동하는 상태가 되고, 이 전자와 정공이 각각 태양 전지내의 N형 및 P형 반도체의 표면으로 이동하게 됨으로써 전극을 형성하여 전류의 흐름이 발생하게 된다. 이를 광기전력 효과라 한다. 그런데 이 태양 전지는 하나의 발전량이 약 1.5W정도로 작아 일반 전기 용품 등에 사용되기에는 불충분한 면이 있으므로 필요한 단위 용량으로 태양 전지를 연결하고 각 태양 전지를 보호하기 위하여 투명한 합성수지등으로 태양 전지를 싸서 유리판 사이에 넣는 형태의 태양 전지 모듈을 만들어 사용하고 있다.
본 발명의 태양 전지 모듈용 보호 시트의 제조에 사용되는 이오노머 수지는 당업계에서 공지된 것을 제한없이 사용할 수 있으며, 특히 에틸렌, 프로필렌과 같은 올레핀계통의 함량이 10 ~ 65 중량 %이고, 분자량이 4,000 이상인 폴리아미드 계통이 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 태양 전지 모듈용 보호 시트의 제조에 사용되는 폴리 올레핀계 수지는 당업계에서 공지된 것을 제한없이 사용할 수 있다. 상기 폴리 올레핀계 수지로는 에틸렌, 프로필렌, 부타디엔, 이소프렌등의 중합 또는 공중합체; 구체적으로는, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐, 에틸렌/염화 비닐 공중합체, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체, 에틸렌/비닐알코올 공중합체, 염소화 폴리에틸렌, 염소화 폴리프로필렌 등이 사용될 수 있다. 바람직하게는 태양광선 투과율이 우수하고 물리적 특성면에서 변화가 적은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 공중합체가 사용될 수 있다.
태양 전지 모듈에 사용되는 시트는 태양 전지 셀이 온도, 수분 및 충격등 외 부 요인에 영향을 받지 않도록 해야 하고 태양 전지 셀과 표면 강화막이 접착되게 하는 기능을 해야 한다. 따라서, 투명성, 내후성, 접착성, 내열성 등이 우수해야 한다. 본 발명의 태양 전지 모듈용 보호 시트는 내후성, 열 안정성 및 가공성 등을 향상시키기 위해 자외선 안정제, 산화 방지제, 안티 블로킹제 및 가교제 등의 기능성 첨가제를 1종 이상 더 포함할 수 있다.
기능성 첨가제는 본 발명의 태양 전지 모듈용 보호 시트가 이오노머 수지층과 폴리올레핀계 수지층이 합지되어 2층 이상으로 이루어지는 경우에는 적어도 어느 한 층에 포함될 수 있다.
자외선 안정제를 포함함으로써 태양 전지 모듈용 보호 시트가 광분해로부터 효과적으로 보호될 수 있으며, 내후성이 항상된다. 자외선 안정제로는 벤조페논계, 벤조트리아졸계, 니켈 킬레이터 및 할스(HALS)계로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 자외선 안정제는 베이스 기재 100중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부로 함유될 수 있다. 상기 범위 미만으로 포함되면 광 분해로부터 효과적으로 보호될 수 없으며, 상기 범위 초과하여 포함된다 하더라도 광 분해로부터 보호되는 정도에는 차이가 없다.
본 발명의 태양 전지 모듈용 시트가 고온 조건하에서도 안정한 상태로 유지되기 위해 산화 방지제를 포함할 수 있다. 산화방지제로는 토코페롤, 갈산프로필, 부틸화된 히드록시톨루엔(BHT) 및 부틸화된 히드록시아니졸(BHA)로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
본 발명의 태양 전지 모듈용 보호 시트는 가공중 시트끼리의 접착을 방지하기 위하여 안티 블로킹제를 사용할 수 있고, 이로 인하여 시트 고유의 물성은 해치지 않으면서도 가공성이 향상된다. 상기 안티 블로킹제로는 실리카 비드, 폴리메틸메타아크릴레이트 비드, 불소계 슬립제, 실리콘계 슬립제등을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 안티 블로킹제는 베이스 기재 100중량부에 대하여 0.1 내지 5중량부로 포함될 수 있다. 상기 범위 미만으로 첨가되면 안티 블로킹의 효과가 미미하며, 상기 범위를 초과하여 첨가되면 시트 제조시 안티 블로킹제가 불순물로 작용하여 빛의 투과율이 저하될 수 있다.
폴리 올레핀계 수지는 대체적으로 열 변형 온도가 낮아 고온에서 변형되기 쉬우므로 내열성을 향상시키고 접착성을 증진시키기 위해 본 발명의 태양 전지 모듈용 보호 시트는 가교제를 포함할 수 있다. 상기 가교제로는 실란계, 아민계, 이미다졸계, 에톡시계, 산 무수물계, 이소시아네이트계 및 분자 내에 질소 원자가 2개 이상 포함된 아지리딘 계로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.
여기서, 본 발명의 태양 전지 모듈용 보호 시트가 이오노머 수지층과 폴리올레핀계 수지층이 합지되어 2층 이상으로 이루어지는 경우에는 자외선 안정제가 첨가되는 이오노머 수지층 또는 폴리올레핀계 수지층이 베이스 기재이며, 이오노머 수지 및 폴리올레핀계 수지가 혼합되어 혼합 수지층으로 압출 성형되는 경우에는 혼합된 수지가 베이스 기재가 된다.
본 발명은, 본 발명에 따른 태양 전지 모듈용 보호 시트를 사용한 태양 전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 태양 전지 셀; 태양 전지 셀의 양 측면에 적층되는 본 발명의 태양 전지 모듈용 보호 시트; 태양 전지 모듈용 보호 시트의 일 측면에 적층된 표면 강화막; 및 표면 강화막과 반대쪽에 위치하며, 태양 전지 모듈용 보호 시트의 일 측면에 적층된 배면 보호 필름을 포함하는 태양 전지 모듈을 제공한다.
표면 강화막은 태양 전지 모듈의 최외 표면에 배치되므로 투명성, 내후성 및 물리적 강도 등이 우수해야 한다. 표면 강화막은 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 어떠한 것이라도 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 요건을 만족시키는 막으로는 테트라플루오르 에틸렌-에틸렌 공중합체, 폴리비닐 플루오라이드 수지 및 폴리 테트라 플루오르에틸렌 수지 등의 불소 수지 또는 유리가 사용될 수 있다.
배면 보호 필름은 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 어떠한 것이라도 사용될 수 있다.
본 발명의 태양 전지 모듈용 보호 시트는 상술한 바와 같이 태양 전지 셀과 표면 강화막 사이, 태양 전지 셀과 배면 보호 필름 사이에 위치하면서, 이들이 상호 접착하도록 하여 태양 전지 모듈을 고정시키는 역할을 한다. 또한, 온도, 습도, 충격등 외부 환경으로부터 태양 전지 셀을 보호한다.
이하 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하는 일 실시예에 불과한 것이며, 본 발명의 권리범위를 제한하 는 방법으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양 전지 모듈용 보호 시트의 단면도이다. 도 1에 의하면, 폴리 올레핀 수지층(10)과, 폴리 올레핀 수지층의 어느 일 측면에 형성된 이오노머 수지층(20)으로 이루어진 태양 전지 모듈용 보호 시트가 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양 전지 모듈용 보호 시트의 단면도이다. 도 2에 의하면, 폴리 올레핀 수지와 이오노머 수지가 혼합되어 한 층으로 압출 성형된 태양 전지 모듈용 보호 시트(30)가 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양 전지 모듈의 사시도이다. 도 3에 의하면, 태양 전지 모듈은 태양 전지 셀(60); 태양 전지 셀의 양측면에 적층된 태양 전지 모듈용 보호 시트(50); 태양 전지 모듈용 보호 시트(50)의 일 측면에 적층된 표면 강화막(40); 및 표면 강화막 반대측에 위치하며, 태양 전지 모듈용 보호 시트(50)의 일 측면에 적층된 배면 보호 필름(back sheet)(70)으로 이루어진다.
이하, 실시예 및 비교예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
실시예 1
산화방지제(부틸화된 히드록시톨루엔(BHT)) 0.5중량%, 가교제(t-butyl peroxy 2-ethylhexyl mono carbonate, CHEMEX EC.) 2.5중량%, 자외선 안정제(Tinu Vin 30, Ciba Chemicals) 1.5중량%, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 수지 95.5중량%로 마스터배치를 제조한 후, 통상적인 용융 압출법에 의해 130 ~ 160℃의 조건 하에서 530㎛ 두께의 EVA 시트를 압출하는 과정에서 이오노머 수지(Surlyn ; Dupont) 100중량%을 EVA 수지층의 일면에 20㎛의 두께로 합지하여 태양 전지 모듈용 보호 시트를 제조하였다.
실시예 2
산화방지제(부틸화된 히드록시톨루엔(BHT)) 0.5 중량%, 자외선 안정제(Tinu Vin 30, Ciba Chemicals) 1.5중량%, 이오노머 수지(Surlyn ; Dupont) 10중량%, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 수지 88중량%로 마스터배치를 제조한 후, 통상적인 용융 압출법에 의해 130 ~ 160℃의 조건 하에서 550㎛ 두께의 태양 전지 모듈용 보호 시트를 제조하였다.
실시예 3
산화방지제(부틸화된 히드록시톨루엔(BHT)) 0.5중량%, 가교제(t-butyl peroxy 2-ethylhexyl mono carbonate, CHEMEX EC.) 2.5중량%, 자외선 안정제(Tinu Vin 30, Ciba Chemicals) 1.5중량%, 이오노머 수지(Surlyn ; Dupont) 10중량%, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 수지 85.5중량%로 마스터배치를 제조한 후, 통상적인 용융 압출법에 의해 130 ~ 160℃의 조건 하에서 550㎛ 두께의 태양 전지 모듈용 보호 시트를 제조하였다.
비교예 1
산화방지제(부틸화된 히드록시톨루엔(BHT)) 0.5중량%, 가교제(t-butyl peroxy 2-ethylhexyl mono carbonate, CHEMEX EC.) 2.5중량%, 자외선 안정제(Tinu Vin 30, Ciba Chemicals) 1.5중량%, 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 수지 95.5중량%로 마스터배치를 제조한 후, 통상적인 용융 압출법에 의해 130 ~ 160℃의 조건 하에서 550㎛ 두께의 태양 전지 모듈용 보호 시트를 제조하였다.
실험예
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 제조된 태양 전지 모듈용 보호 시트를 사용하여 측정된 물성을 표 1에 나타내었다.
[표 1]
ASTM Method Units 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1
경도(Hardness) ASTM D2240 Shore A 92 83 89 73
파단 강도
(Tensile strength at break)		 ASTM D638 MPa 41 38 45 23
파단 연신율
(Elongation at break)		 ASTM D638 % 992 987 998 970
어는점(Freezing Point) ASTM D3418 ℃ 51 47 58 38
녹는점(Melting Point) ASTM D3418 ℃ 80 78 86 57
광 전송
(Optical Transmission)		 ASTM E424 % 95 95 94 92
경화후 황색 변이
(Yellow index
after curing)		 ASTM E313 YI 1.93 2.23 1.72 2.45
UV 저항성
(UV resistance)		 ASTM G154 △YI 0.17 0.22 0.18 0.38
내후성 시험기
(Weather-O-meter)
(xenon-arc)		 ASTM G155 △YI 0.36 0.39 0.35 0.53
상기 표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 태양 전지 모듈용 보호 시트는 기존 EVA 보호 시트에 비하여, 경도 및 녹는점 등의 물리적 성 질이 우수할 뿐만 아니라 황색변이 및 자외선에 대한 안정성에 대해서도 아주 우수한 특성을 보여주었다. 또한 광 전송율 역시 상대적으로 우수하여 태양 전지 에너지 효율을 높이는 것을 알 수 있다.
또한, 가교제를 첨가하지 않고, 가교 반응을 생략하고 단일 공정으로 제조된 태양 전지 모듈용 보호 시트 역시, 종래 EVA 보호 시트에 비하여, 경도 및 녹는점 등의 물리적 성질, 광 전송율 및 내후성 등이 우수하였다. 따라서, 본 발명의 태양 전지 모듈용 보호 시트는 그 제조공정을 단순화할 수 있어, 태양 전지의 제조단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
따라서, 본 발명에 따라 제조되는 태양 전지 모듈용 보호 시트는 태양 전지 셀의 보호기능뿐만 아니라, 태양광 에너지를 더욱 효율적으로 장시간 이용할 수 있고, 또한 태양 전지의 제조단가를 낮추어, 태양 전지의 활용도를 높일 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 의한 태양 전지 모듈용 보호 시트의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 태양 전지 모듈용 보호 시트의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 태양 전지 모듈의 사시도이다.

Claims (9)

  1. 폴리올레핀계 수지로 이루어진 폴리올레핀계 수지층 및 상기 폴리올레핀계 수지층의 적어도 한 측면에 형성된 이오노머 수지로 이루어진 이오노머 수지층을 포함하고,
    상기 이오노머 수지층의 두께(di)에 대한 폴리올레핀계 수지층의 두께(do)의 비(do/di)가 1.5~30인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈용 보호 시트.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폴리올레핀계 수지가 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐, 에틸렌/염화 비닐 공중합체, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체, 에틸렌/비닐알코올 공중합체, 염소화 폴리에틸렌 및 염소화 폴리프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈용 보호 시트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폴리올레핀 수지층이 자외선 안정제, 산화방지제, 안티블로킹제 및 가교제로 이루어진 군으로부터 선택된 단독 또는 이들의 혼합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈용 보호 시트.
  8. 제1항, 제6항 및 제7항 중 어느 한 항의 태양 전지 모듈용 보호 시트를 사용한 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 태양 전지 모듈은, 태양 전지 셀; 상기 태양 전지 셀의 양 측면에 적층되는 상기 태양 전지 모듈용 보호 시트; 상기 태양 전지 모듈용 보호 시트의 일 측 면에 적층된 표면 강화막; 및 상기 표면 강화막과 반대쪽에 위치하며, 상기 태양 전지 모듈용 보호 시트의 일 측면에 적층된 배면 보호 필름을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
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