KR101096865B1 - 형광성 수지조성물 및 그것을 이용한 태양전지 모듈 - Google Patents

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산빅 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 550 ~ 900㎚의 파장범위의 형광을 발사하는 유기계 희토류 금속 착체, 특히 일반식
Figure 112009014133094-pct00007
(식 중의 R은 지방족 또는 방향족 탄화수소기, Ln은 희토류 금속, A는 -CH = CH-기, n은 O 또는 1임)
으로 표시되는 유기계 착체 O.01 ~ 10질량%를 함유하는 에틸렌-아세트산비닐 공중합체로 이루어진 형광성 수지조성물 및 그것을 프론트커버(front cover)와 결정 실리콘 셀 사이의 밀봉재로서 이용한 태양전지 모듈이며, 변환효율이 높은 태양전지를 제공하는 것을 특징으로 한 것이다.

Description

형광성 수지조성물 및 그것을 이용한 태양전지 모듈{FLUORESCENT RESIN COMPOSITION AND SOLAR BATTERY MODULE USING THE SAME}
본 발명은, 태양전지 모듈용 밀봉재로서 매우 적합한 신규 형광성 수지조성물 및 그것을 이용한 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양의 광을 직접 전기 에너지로 변환하는 태양전지는 청정한 무진장 에너지의 공급수단으로서 주목을 받아, 각 방면에서 연구되고 있다.
일반적으로, 태양전지에 대해서, 해당 성능은 변환효율 즉, 입사된 태양의 광에너지가 전기 에너지로 변환된 비율로 평가된다. 그런데, 입사된 광에너지는, 태양전지 내부의 셀(발전소자)에 흡수된 광에너지이기 때문에, 변환효율은 이 셀에 입사된 광에너지를 어느 정도 흡수할 수 있는지가, 이 흡수능력에 의존하지만, 이 흡수능력은 이용되는 셀의 성능에 의해 크게 달라진다.
예를 들면, 태양광은, 자외광, 가시광 및 적외광을 포함한 광범위한 파장영역을 가지고 있지만, 태양전지에 입사되어도 이들의 광의 모두가 변환되는 것은 아니고, 셀을 흡수할 수 있는 영역의 파장만이 변환되는 것에 지나지 않다. 그리고, 셀에 의해 흡수되는 파장영역의 광은 셀에 고유의 물성에 의해 결정되지만, 태양광의 분광방사조도분포의 피크파장이 500㎚ 부근인데도, 결정 실리콘 셀을 이용한 경 우, 해당 분광감도의 피크파장은 600 ~ 1000㎚의 범위에 있기 때문에, 태양광을 충분히 흡수할 수 없고, 해당 전기 에너지로의 변환효율은 낮아지는 것을 면할 수 없다. 따라서, 태양광을 가능한 한 많이 흡수해서 변환효율을 향상시키는 것이 태양전지의 중요한 과제가 된다.
그런데, 결정 실리콘 셀을 이용한 태양전지로서는, 수광면측에 프론트커버(front cover), 그 이면측에 백커버(back cover)를 배치하고, 이들의 커버간에 결정 실리콘 셀을 밀봉재로 밀봉한 구조의 모듈로 이루어진 것이 공지되어 있다(일본국 특개평6-177412호 공보). 또, 형광막형성용 잉크조성물로서, 무기 형광체와 에틸렌-아세트산비닐 공중합체(이하 EVA로 약기함)를 용제에 융해한 것이나(일본국 특개평8-102257호 공보), 복합패널로서 EVA에 발광성 안료 및 무기축광성 형광체를 배합한 것(일본국 특개2004-249644호 공보) 등이 제안되어 있지만, 태양전지 모듈용 밀봉재로서 형광물질과 EVA를 조합한 것은 공지되어 있지 않다.
그러나, 이들의 형광성 재료에 있어서 형광물질로서 희토류 금속계의 무기물을 이용하면, EVA의 투명성이 현저하게 저해되고, 유기물을 이용하면 열에 의한 열화가 현저하게 내구성을 떨어뜨린다고 하는 결점이 있으며, 실용상 문제가 되었다.
본 발명은, 태양전지 모듈의 밀봉재로서 매우 적합한, EVA의 투명성을 손상시키지 않으며, 또한 자외선 등에 대해서 우수한 내구성을 나타내는, 유로퓸 착체 함유 형광성 수지조성물을 제공하는 것을 목적으로 해서 이루어진 것이다.
본 발명자들은, 태양전지 모듈의 밀봉재에 대해서 여러 가지 연구를 거듭한 결과, 지금까지 단지 밀봉용의 바인더로서의 역할을 완수하기 위해서 이용되고 있던 EVA계 수지조성물에 550 ~ 900㎚의 파장영역에서 형광을 발사하는 유로퓸 착체를 배합한 EVA계 수지조성물을 결정 실리콘 셀의 밀봉재로서 이용하면, 밀봉재가 태양광의 500㎚이하의 파장범위의 광을 흡수해서 550 ~ 90O㎚의 파장영역에서 형광을 발사하므로, 이 광을 결정 실리콘 셀이 흡수할 수 있어, 높은 변환효율을 가지거나, 또한 투광성, 내구성이 우수한 태양전지 모듈을 얻을 수 있는 것을 발견하고, 이 식견에 의거해서 본 발명을 이루기에 이르렀다.
즉, 본 발명은, 식
[화 1]
Figure 112009014247045-pct00009

[화 2]
Figure 112009014247045-pct00010

[화 3]
Figure 112009014247045-pct00011

[화 4]
Figure 112009014247045-pct00012

또는
[화 5]
Figure 112009014247045-pct00013

로 표시되는 유로퓸 착체 O.O1 ~ 1O질량%를 함유하는 EVA로 이루어진 형광성 수지조성물 및 프론트커버, 백커버 및 이들 커버간에 밀봉재에 의해 밀봉된 결정 실리콘 셀을 가지는 다수의 유닛을 조립한 구조를 가지며, 또한 프론트커버와 결정 실리콘 셀 사이의 밀봉재가, 상기의 형광성 수지조성물을 함유하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 형광성 수지조성물은, 특정의 유로퓸 착체와 EVA로 이루어져 있다.
본 발명의 형광성 수지조성물로 이용하는 유로퓸 착체로서는 상기의 식 I 내지 V로 표시되는 착제를 들 수 있다.
이들 중에서 바람직한 것은, 상기의 식 Ⅲ 내지 V로 표시되는 유로퓸 착체이다.
이들의 착체는, 유기용매에 가용이며, EVA와의 상용성도 좋기 때문에, EVA 중에 균일하게 분산시킬 수 있다.
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상기의 유로퓸 착체의 용량에 대해서는, EVA에 대해서 O.O1 ~ 1O질량%, 바람직하게는 0.05 ~ 1질량%로 한다. 이 양이 10질량%를 초과하면, 유로퓸 착체의 효과에 의한 형광강도의 상승에 대해서, 유로퓸 착체를 첨가하는 것에 의한 비용상승의 부담쪽이 커져서, 고비용이 될 우려가 있으며, 또 O.01질량%미만에서는 발광강도가 불충분하게 된다.
본 발명의 형광성 수지조성물로 이용하는 EVA에 대해서는, 관용되고 있는 것 중에서 임의로 선택할 수 있으며, 특별한 제한은 없지만, 해당 아세트산비닐 단위의 함유율이 10 ~ 40질량%, 그 중에서도 20 ~ 35질량%의 범위인 것이 바람직하다.
EVA의 아세트산비닐 단위의 함유율이 1O질량%미만에서는 유로퓸 착체의 EVA에의 균일분산성이 양호하지 않게 되어서, 투명성이 저하되고, 또 40질량%를 초과하면 EVA 자체가 유연해져서, 시트로서의 실용성이 떨어지는 경향을 볼 수 있다.
또, 본 발명의 형광성 수지조성물에 있어서는, EVA에 유기과산화물을 미리 첨가하고, 이것을 열분해함으로서, EVA 혹은 EVA 조성물에 가교구조를 형성시킬 수 있다.
이때 이용하는 유기과산화물로서는, 100℃이상에서 라디칼을 발생하는 것이면 어느 것이든 사용 가능하지만, 배합 시의 안정성을 고려한다면, 반감기 10시간의 분해온도가 70℃이상인 것이 바람직하다.
이와 같은 것으로서는, 예를 들면 2,5-디메틸헥산-2,5-디히드로퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산-3, 디-t-부틸퍼옥사이드, 디쿠밀퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, α,α'-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, n-부틸-4,4-비스(t-부틸퍼옥시)부탄, 2,2-비스(t-부틸퍼옥시)부탄, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)시클로헥산, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)3,3,5-트리메틸시클로헥산, t-부틸퍼옥시벤조에이트, 벤조일퍼옥사이드 등을 들 수 있다.
유기과산화물의 배합량은 EVA에 의거해서 5질량%까지로 충분하다.
본 발명의 형광성 수지조성물에 있어서는, 또한, EVA 혹은 EVA 조성물의 가교도를 향상시키고, 내구성을 향상시키기 위해서 필요에 따라서 가교보조제를 첨가할 수 있다.
이 가교보조제로서는, 트리알릴이소시아누레이트, 트리알릴시아누레이트 등 3관능의 가교보조제 외에, NK 에스테르 등 단관능의 가교보조제 등도 이용할 수 있다.
가교보조제의 배합량은 EVA에 의거해서 1O질량%까지로 충분하다.
또, 본 발명의 형광성 수지조성물에는, 안정성을 향상시키기 위해서 필요에 따라서 히드로퀴논, 히드로퀴논모노메틸에테르, p-벤조퀴논, 메틸히드로퀴논 등의 안정제를 첨가할 수 있다.
안정제의 배합량은 EVA에 의거해서 5질량%까지로 충분하다.
또, 본 발명의 형광성 수지조성물에는, 소망에 따라서 자외선흡수제, 산화방지제, 변색방지제 등을 첨가할 수 있다.
이 자외선흡수제로서는, 예를 들면 2-히드록시-4-n-옥톡시벤조페논, 2-히드록시-4-메톡시-5-설포벤조페논 등의 벤조페논계, 2-(2'-히드록시-5-메틸페닐)벤조트리아졸 등의 벤조트리아졸계, 페닐살리실레이트, p-t-부틸페닐살리실레이트 등의 힌다드아민계의 것을 이용할 수 있다.
또, 이 산화방지제로서는, 아민계, 페놀계, 비스페닐계, 힌다드아민계, 예를 들면 디-t-부틸-p-크레졸, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페라질)세바케이트 등을 이용할 수 있다.
본 발명의 형광성 수지조성물은, 형광도료, 발광소자, 파장변환재, 광학센서, 형광지시약 등으로서 유용하지만, 특히 태양전지 모듈의 밀봉재로서 매우 적합하게 이용된다.
본 발명의 형광성 수지조성물을 태양전지 모듈의 밀봉재로서 이용하는 경우에는, 밀봉재와 프론트커버, 백커버 및 결정 실리콘 셀과의 접착력을 한층 더 향상하게 하기 위해서 실란 커플링제를 첨가하는 것이 바람직하다.
이 실란 커플링제로서는, 예를 들면 γ-클로로프로필트리메톡시실란, 비닐트리클로로실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐-트리스(β-메톡시에톡시)실란, γ-메타크릴록시프로필트리메톡시실란, β-(3,4-에톡시시클로헥실)에틸-트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, 비닐트리아세톡시실란, γ-메르카토프로필트리에메톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리메톡시실란 등이 이용된다.
이 실란 커플링제의 배합량은 밀봉재 전체에 의거해서 5질량%까지로 충분하다.
이 형광성 수지조성물을 밀봉재로 한 태양전지 모듈에 있어서 이용되는 프론트커버나 백커버의 재료로는, 유리, 폴리카보네이트, 아크릴수지, 폴리에스테르, 폴리불화비닐, 불화폴리에틸렌 등이 있다. 이들의 재료를, 특히 프론트커버로서 이용하는 경우에는, 태양광이 결정 실리콘 셀에 도달하는 것을 방해하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이들의 재료는 각각의 물성에 따라 판형상, 시트형상, 필름형상 등의 형상으로 가공성형된다.
본 발명의 태양전지 모듈에 있어서는, 프론트커버에 유리를 사용하는 것이 바람직하다. 이 유리에는, 통상 태양전지 모듈에서 사용되고 있는 백색판유리 외에, 청색의 플로트유리, 형판유리 등이 이용된다.
또, 백커버에는, 내후성 및 고절연성이나 강도를 갖게 하기 위해서, 금속층 및/또는 플라스틱 필름층을 적층시킬 수 있다. 이때 사용되는 금속재료로서는, 알루미늄, 스테인리스강, 주석 등의 외부로부터의 수증기의 투과를 방지할 수 있는 것이 이용되지만, 경제면이나 중량면에서 알루미늄이 바람직하다. 또, 플라스틱 필름층에 사용되는 플라스틱재료로서는, 폴리염화비닐리덴, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 불소계 플라스틱 등이 있다.
도 1은, 결정 실리콘 셀을 이용한 태양전지 모듈의 구조를 도시한 개략단면도이며, 수광면측에 프론트커버(1), 해당 반대측에 백커버(4)가 배치되고, 양자의 사이에 결정 실리콘 셀(3), …가 투과성 밀봉재(2)에 의해 밀봉되어 있다. 상기의 백커버(4)는 예를 들면 폴릴불화비닐/알루미늄/폴리불화비닐의 3층구조를 가지고 있다.
다음에, 실시예에 의해 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 설명하지만, 본 발명은 이들의 예에 의해 하등 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
아세트산비닐 단위 함유율 28질량%, 멜트인덱스 7의 EVA(스미토모 카가쿠 주식회사 제품, 상품명 「에바테이트 KA30」)를 이용하고, 또, 유로퓸 착체로서 상기의 식 I 내지 V로 표시되는 착체(이하, 착체 I 내지 착체 V라고 함)를 이용해서, 표 1에 나타낸 조성의 6종류의 시트(두께 0.5㎜)를 제작하였다.
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시트 No. 1 2 3 4 5 6

성분
조성
(질량부)		 EVA 100 100 100 100 100 100
산화유로퓸 0.2 0 0 0 0 0
착체Ⅰ 0 0.2 0 0 0 0
착체Ⅱ 0 0 0.2 0 0 0
착체Ⅲ 0 0 0 0.2 0 0
착체Ⅳ 0 0 0 0 0.2 0
착체Ⅴ 0 0 0 0 0 0.2
다음에 이들의 시트에 대해서 육안에 의해 투명성을 관찰한바, No.1은 전체가 백탁형상이었지만, No.2 ~ No.6은 모두 투명하였다.
또, 이들의 시트에 파장 254㎚의 자외선 및 파장 365㎚의 자외선을 조사한바, No.1 ~ No.6은, 모두 적색의 형광을 발사하고, No.4 ~ No.6의 시트는, No.2 및 No.3의 시트에 비해서 현저하게 높은 형광강도를 나타냈다.
(실시예 2)
실시예 1에서 이용한 것과 동일한 EVA 100질량부에 대해서, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산(유기과산화물), γ-메타크릴록시프로필트리메톡시실란(실란 커플링제), 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페라질)세바케이트(산화방지제) 및 유로퓸 착체를 각각 표 2에 나타낸 양으로 배합하고, 밀봉재로서 3종류의 시트 No.7 ~ No.9(두께 0.5㎜)를 제작하였다.
시트 No. 7 8 9

성분
조성
(질량부)		 EVA 100 100 100
유기과산화물 1.5 1.5 1.5
실란 커플링제 1.0 1.0 1.0
산화방지제 0.1 0.1 0.1
착체Ⅰ 0 0.2 0
착체Ⅳ 0 0 0.2
다음에, 도 1에 도시한 바와 같이, 72개의 결정 실리콘 셀(3), …을 시트 No.7, No.8 또는 No.9의 밀봉재(2)로 감싸고, 이것을 두께 3㎜의 백색판유리(1)와 폴리불화비닐(두께 38μm)/알루미늄(두께 30μm)/폴리불화비닐(두께 38μm)의 3층구조의 백커버(4)에 끼워넣고, 라미네이터를 이용해서, 150℃에서, 3분간 탈기한 후, 대기압 하에서 30분간 압착해서 태양전지 모듈 No.1 ~ No.3을 제조하였다.
태양전지 모듈 No.1 ~ No.3 및 이들에 이용한 실리콘 셀에 대해서, 변환효율을 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

 태양전지 모듈 No.1 No.2 No.3
밀봉재 No.7 No.8 No.9
변환
효율		 실리콘 셀 15.0% 15.0% 15.0%
모듈 14.5% 15.0% 15.5%
이 표에서, 유로퓸 착체를 첨가한 밀봉재를 이용함으로써 태양전지 모듈의 변환효율은 현저하게 증대하고 있는 것을 알 수 있다.
본 발명의 형광성 수지조성물은, 형광도료, 발광소자, 파장변환재, 광학센서, 형광지시약, 태양전지 모듈의 밀봉재로서 유용하다.
본 발명의 태양전지 모듈은, 결정 실리콘 셀을 흡수할 수 없는 500㎚이하의 파장범위의 광을 흡수해서 550 ~ 900㎚의 파장범위의 형광을 발사하는 본 발명의 형광성 수지조성물을 밀봉재로 하고 있으므로, 변환효율이 높은 태양전지 모듈로서 이용할 수 있다.

Claims (16)

  1. 식
    [화 1]
    Figure 112009014247045-pct00014
    [화 2]
    Figure 112009014247045-pct00015
    [화 3]
    Figure 112009014247045-pct00016
    [화 4]
    Figure 112009014247045-pct00017
    또는
    [화 5]
    Figure 112009014247045-pct00018
    로 표시되는 유로퓸 착체 O.01 ~ 10질량%를 함유하는 에틸렌-아세트산비닐 공중합체로 이루어진 형광성 수지조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    에틸렌-아세트산비닐 공중합체가 에틸렌 단위 60 ~ 90질량% 및 아세트산비닐 단위 10 ~ 40질량%로 이루어진 것을 특징으로 하는 형광성 수지조성물.
  10. 프론트커버(front cover), 백커버(back cover) 및 이들 커버간에 밀봉재에 의해 밀봉된 결정 실리콘 셀을 가지는 다수의 유닛을 조립한 구조를 가지며, 또한 프론트커버와 결정 실리콘 셀 사이의 밀봉재가, 제 1항 또는 제 9항에 기재된 형광성 수지조성물을 함유하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  11. 제 10항에 있어서,
    형광성 수지조성물 중의 유로퓸 착체 함유율이 0.05 ~ 1질량%인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  12. 제 10항에 있어서,
    밀봉재 중의 에틸렌-아세트산비닐 공중합체 함유율이 50질량%이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  13. 제 10항에 있어서,
    프론트커버가 유리로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  14. 제 11항에 있어서,
    밀봉재 중의 에틸렌-아세트산비닐 공중합체 함유율이 50질량%이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  15. 제 11항에 있어서,
    프론트커버가 유리로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  16. 제 12항에 있어서,
    프론트커버가 유리로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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