KR101159750B1 - 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트 - Google Patents

박막 태양전지 모듈용 방열 백시트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 박막 태양전지 모듈의 금속전극 또는 유리기판에 접합시키는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트에 관한 것으로, 박막 태양전지 모듈 내부에서 발생하는 축열을 효과적으로 외부로 방열하여 출력효율을 향상시키고, 특히 기존의 박막 태양전지 모듈의 금속전극 또는 유리기판에 열전도성이 높은 방열 백시트를 접합시키거나 또는 금속전극을 대신하여 열전도성이 높은 방열 백시트를 접합시켜 사용이 가능하므로 최소의 비용으로 설치할 수 있는 장점이 있다.

Description

박막 태양전지 모듈용 방열 백시트{Heat radiating back sheet for photo voltaic module}
본 발명은 박막 태양전지 모듈에 접합시켜 방열효과를 향상시키기 위한 방열 백시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 박막 태양전지 모듈의 금속전극 또는 유리기판에 열전도성이 높은 방열 백시트를 접합시키거나 또는 금속전극을 대신하여 열전도성이 높은 방열 백시트를 접합시킴으로써, 박막 태양전지 모듈 내부에서 발생하는 축열을 효과적으로 외부로 방열하여 출력효율을 향상시키고, 기존의 박막 태양전지 모듈에도 적용가능한 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트에 관한 것이다.
태양전지 모듈은 광흡수층의 소재에 따라 크게 결정질 태양전지 모듈과 박막 태양전지 모듈로 분류된다. 대표적인 결정질 태양전지 모듈은 발전효율과 안정성이 매우 우수하여 시장 점유율이 높지만 실리콘 웨이퍼 가격의 비중이 전체 태양전지 제조 단가에 비해 높고 셀과 모듈의 저가 공정 개발이 어려운 점 등으로 저가 태양전지 제조에는 한계가 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해서 제시된 개념이 박막 태양전지 모듈이다.
박막 태양전지 모듈은 소재의 소비량이 적고 저가 공정을 사용하기 때문에 결정질 실리콘에 비해 제조단가가 낮다는 장점들로 인하여 선진국을 중심으로 꾸준한 연구개발이 진행되어 특허출원되고 있으며, 박막 태양전지 모듈은 최근 전체 태양전지 시장의 10% 정도를 차지하고 있다. 현재 상용화된 박막 태양전지 모듈은 소재의 종류에 따라 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 실리콘형(a-Si:H) 박막 태양전지 모듈과 도 2의 CIGS(CuInGaSe2)형 박막 태양전지 모듈 및 도 3의 CdTe형 박막 태양전지 모듈이 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 박막 광발전 모듈은 박막 태양전지의 구성과 최종 백시트의 부분품을 제외하고 모듈을 도식화한 구조로서, 최종적으로는 모듈에 백시트가 접합되어져서 내구성, 내습성, 효율성, 제조성능 등을 향상시킨다.
한편, 태양전지 모듈에 사용된 백시트는 국내 특허출원된 내용들을 중심으로 살펴보면, 국내 등록특허공보 제0612411호와 국내 공개특허공보 제2008-0078179호 및 국내 공개특허공보 제2010-0010716호에 공개된 바와 같이 듀퐁의 테드라(Tedlar) 제품인 PVF(Polyvinyl Fluoride)를 활용하거나 혹은 단순 PET 필름을 개량하거나 또는 이 둘을 접합시킴을 통하여 각각의 물성을 개량하는데 중점을 두었다. 그러나 상기와 같은 고분자 수지들은 태양전지 모듈을 보호하는 역할 이외에는 특별한 기능을 부여하지 못함으로 인해 결정질과 같이 열이 발생하거나 혹은 특수한 기능을 부여해야될 경우에는 부적합한 문제점들이 있었다
한편 태양전지 모듈은 태양빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전효율에 의해 그 성능이 좌우되며, 모듈 자체에서 발생하는 열과 주변기기의 발열에 의해 발전효율이 저하된다. 특히, 이종금속을 주로 메인으로 사용하는 CIGS 형 태양전지 모듈과, CdTe형 태양전지 모듈의 경우는 각각의 전혀 다른 금속을 접합하는 방식으로 반도체를 제조함으로 인해 각 금속간의 전기전도성 차이, 반도체의 성능차이, 광전자의 활성화 온도 등으로 인해 상당한 열이 발생되어지며 이 열로 인한 접합의 간격이 생김으로 인해 저항이 발생되어지며 이 전류의 영향을 미침으로 인해 출력이 하락되어지는 문제점이 발생한다. 따라서 모듈 자체 및 주변기기에서 발생하는 열을 제거하여 방열효과를 높일 경우에는 발전효율을 현재의 수준보다 높일 수 있으므로 방열효과를 높이기 위한 기술들이 다양하게 연구 개발되고 있다.
본 발명자의 경우에도 도 4에 도시된 바와 같이 유리기판(10), 전면 쏠라 EVA(20), 쏠라 셀(30), 후면 쏠라 EVA(40), 백시트(Backsheet)(50)의 순으로 적층된 구조의 태양전지 모듈에서 상기 백시트(50)의 외부에 내열 및 열전도성 기능을 갖는 양면접착 테이프 또는 접착제(55)를 사용하여, 세라믹 코팅층이 형성된 방열시트(60)를 접합시킨 구조의 세라믹 코팅 방열시트를 구비한 태양전지 모듈을 개발하여 국내 특허출원 제10-2009-52067호로 특허 출원한 바 있으며, 상기와 같은 특허의 경우에는 태양전지 모듈의 백시트의 기능을 대체 및 방열기능을 부여함으로 열에 의한 출력손실을 최소화 함을 통해서 출력을 최대화해 연간 5%이상의 출력을 증가시켰지만 결정질 태양전지 모듈에만 한정되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 박막 태양전지 모듈에 적합한 방열 백시트를 개발함으로써, 박막 태양전지 모듈 내부에서 발생하는 축열을 효과적으로 방열하여 출력효율을 향상시키는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트를 제공함을 과제로 한다.
그리고 본 발명은 방열 백시트의 구조가 단순하여 박막 태양전지 모듈에 적용하기가 쉽고, 기존의 박막 태양전지 모듈의 금속전극 또는 유리기판에 열전도성이 높은 방열 백시트를 접합시키거나 또는 금속전극을 대신하여 열전도성이 높은 방열 백시트를 접합시켜 사용이 가능하므로 최소의 비용으로 설치할 수 있는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트를 제공함을 다른 과제로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 박막 태양전지 모듈용 백시트에 있어서,
상기 박막 태양전지 모듈은 실리콘형 박막 태양전지 모듈, CIGS형 박막 태양전지 모듈 또는 CdTe형 박막 태양전지 모듈이고,
상기 백시트는 방열 백시트(10)인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트를 과제 해결 수단으로 한다.
그리고 본 발명에서 상기 방열 백시트는 실리콘형 박막 태양전지 모듈 및 CdTe형 박막 태양전지 모듈의 경우에는 금속전극(20) 외면에 각각 접합시키고, CIGS형 박막 태양전지 모듈의 경우에는 유리기판(10) 외면에 접합시키는 것이 바람직하다.
그리고 상기 방열 백시트(10)는 금속 타입 방열 백시트 또는 합성수지 타입 방열 백시트인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속 타입 방열 백시트와 합성수지 타입 방열 백시트는 산화피막층(B)의 형성 여부에 따라 산화피막층(B)이 형성된 방열 백시트를 A 타입 방열 백시트, 산화피막층(B)이 형성되지 않은 방열 백시트를 B 타입 방열 백시트로 구분된다.
금속 타입 방열 백시트에서, 금속 A 타입 방열 백시트는 도 5에 도시된 바와 같이 금속 박판층(A), 산화피막층(B), 세라믹층(C)의 순으로 적층된 구조이고, 금속 B 타입 방열 백시트는 도 6에 도시된 바와 같이 금속 박판층(A), 세라믹층(C)의 순으로 적층된 구조인 것이 바람직하다.
그리고 합성수지 타입 방열 백시트에서 합성수지 A 타입 방열 백시트는 도 6에 도시된 바와 같이 합성수지층(D), 금속 박판층(A), 산화피막층(B), 세라믹층(C)의 순으로 적층된 구조이고, 합성수지 B 타입 방열 백시트는 도 7에 도시된 바와 같이 합성수지층(D), 금속 박판층(A), 세라믹층(C)의 순으로 적층된 구조이다.
그리고 상기 금속 박판층(A)의 금속 박판은 알루미늄 박판, 동 박판, 스테인리스 박판, 마그네슘 박판과 같은 금속 박판과 이와 같은 소재들과 동등 이상의 방사율 성능을 갖는 금속 박판 중에서 한 가지를 선택하여 사용하는 것이 바람직하며,
상기 산화피막층(B)은 양극산화법, 화성피막법 중에서 한 가지 방법을 선택하여 피막층을 형성시키는 것이 바람직하고,
상기 세라믹층(C)은 알루미나, 지르코니아, 산화티탄, 실리카, 산화알루미늄, AlN(질화알루미늄), AlS(황화알루미늄)와 같은 금속 세라믹 소재, 유기실란, 무기실란, 실란커플링제, CNT와 같은 비금속 세라믹 소재 중에서 한 가지 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 합성수지(D)층은 합성수지층은 PVF(Polyvinyl Fluoride) 또는 PET(Polyetylene Terephthalate)을 사용하는 이 바람직하다.
상기의 과제 해결 수단에 의한 본 발명은 박막 태양전지 모듈 내부에서 발생하는 축열을 효과적으로 외부로 방열하여 출력효율을 향상시키고, 특히 기존의 박막 태양전지 모듈의 금속전극 또는 유리기판에 열전도성이 높은 방열 백시트를 접합시키거나 또는 금속전극을 대신하여 열전도성이 높은 방열 백시트를 접합시켜 사용이 가능하므로 최소의 비용으로 설치할 수 있는 장점이 있다.
도 1 내지 도 3은 일반적인 실리콘형 박막 태양전지 모듈, CIGS형 박막 태양전지 모듈 및 CdTe형 박막 태양전지 모듈의 단면 구조를 나타낸 단면도,
도 4는 종래의 세라믹 코팅 방열시트를 구비한 결정질 태양전지 모듈의 단면 구조를 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 실시 예로서, 금속 A 타입 박막 태광전지 모듈용 방열 백시트의 단면 구조를 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 실시 예로서, 금속 B 타입 박막 태광전지 모듈용 방열 백시트의 단면 구조를 나타낸 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 다른 실시 예로서, 플라스틱 A 타입 박막 태광전지 모듈용 방열 백시트의 단면 구조를 나타낸 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 다른 실시 예로서, 플라스틱 B 타입 박막 태광전지 모듈용 방열 백시트의 단면 구조를 나타낸 단면도,
도 9는 도 5 내지 도 8의 방열 백시트를 실리콘형 박막 태양전지 모듈 또는 CIGS형 박막 태양전지 모듈의 금속전극 외면에 적용시킨 박막 태양전지 모듈의 단면 구조를 나타낸 단면도,
도 10은 도 5 내지 도 8의 방열 백시트를 CIGS형 박막 태양전지 모듈의 유리기판 외면에 각각 적용시킨 박막 태양전지 모듈의 단면 구조를 나타낸 단면도,
도 11은 도 5 내지 도 8의 방열 백시트를 각각 실리콘형 박막 태양전지 모듈 또는 CdTe형 박막 태양전지 모듈에서 금속전극 대신 방열 백시트를 적용시킨 박막 태양전지 모듈의 단면 구조를 나타낸 단면도,
도 12는 본 발명의 실시예에서 사용된 박막 태양전지 모듈의 성능평가용 트랙커를 찍은 사진,
도 13은 본 발명의 실시예에서 사용된 박막 태양전지 모듈의 온도/효율 측정 장비를 찍은 사진,
도 14는 본 발명의 실시예에서 사용된 박막 태양전지 모듈 백시트 방열성능 상태를 찍은 사진,
도 15는 본 발명의 실시예에서 실리콘형(a-SiH) 박막 태양전지 모듈의 옥외 발전효율을 나타낸 그래프,
도 16은 본 발명의 실시예에서 CIGS형 박막 태양전지 모듈의 옥외 발전효율을 나타낸 그래프,
도 17은 본 발명의 실시예에서 CdTe형 박막 태양전지 모듈의 옥외 발전효율을 나타낸 그래프에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면인 도 5 내지 도 17에 의거하여 상세히 설명하며, 각 도면 및 상세한 설명에서 일반적인 박막 태양전지 모듈로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 그리고, 도면의 도시에 있어서 요소들 사이의 크기 비가 다소 상이하게 표현되거나 서로 결합하는 부품들 사이의 크기가 상이하게 표현된 부분도 있으나, 이와 같은 도면의 표현 차이는 이 분야의 종사자들이 용이하게 이해할 수 있는 부분들이므로 별도의 설명을 생략한다.
본 발명은 박막 태양전지 모듈용 백시트에 있어서,
상기 박막 태양전지 모듈은 실리콘형 박막 태양전지 모듈, CIGS형 박막 태양전지 모듈 또는 CdTe형 박막 태양전지 모듈이고,
상기 백시트는 방열 백시트(10)인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 적용하는 박막 태양전지 모듈은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 구조를 갖는 실리콘형 박막 태양전지 모듈, CIGS형 박막 태양전지 모듈 또는 CdTe형 박막 태양전지 모듈을 대상으로 방열 백시트(10)를 적용시켰다.
그리고 본 발명은 첨부된 도면인 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 박막 태양전지 모듈의 구조에 따라 방열 백시트(10)를 접합시키는 위치가 달라진다.
참고로, 도 9는 실리콘형 박막 태양전지 모듈이고, 도 10은 CIGS형 박막 태양전지 모듈이며, 도 11은 CdTe형 박막 태양전지 모듈이다.
실리콘형 박막 태양전지 모듈 및 CdTe형 박막 태양전지 모듈은 금속전극(20) 외면에 방열 백시트(10)를 접합시키고, CIGS형 박막 태양전지 모듈은 유리기판(40) 외면에 방열 백시트(10)를 접합시킨다.
그리고 상기 방열 백시트(10)는 금속 타입 방열 백시트 또는 합성수지 타입 방열 백시트인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 금속 타입 방열 백시트와 합성수지 타입 방열 백시트는 산화피막층(B)의 형성 여부에 따라 산화피막층(B)이 형성된 방열 백시트를 A 타입 방열 백시트, 산화피막층(B)이 형성되지 않은 방열 백시트를 B 타입 방열 백시트로 구분된다.
금속 타입 방열 백시트에서, 금속 A 타입 방열 백시트는 도 5에 도시된 바와 같이 금속 박판층(A), 산화피막층(B), 세라믹층(C)의 순으로 적층된 구조이고, 금속 B 타입 방열 백시트는 도 6에 도시된 바와 같이 금속 박판층(A), 세라믹층(C)의 순으로 적층된 구조인 것이 바람직하다.
그리고 합성수지 타입 방열 백시트에서 합성수지 A 타입 방열 백시트는 도 6에 도시된 바와 같이 합성수지층(D), 금속 박판층(A), 산화피막층(B), 세라믹층(C)의 순으로 적층된 구조이고, 합성수지 B 타입 방열 백시트는 도 7에 도시된 바와 같이 합성수지층(D), 금속 박판층(A), 세라믹층(C)의 순으로 적층된 구조이다.
상기 방열 백시트(10)는 박막 태양전지 모듈의 외부에 접합되어 모듈 내부에서 발생하는 열을 최종적으로 외부로의 방열기능이 우수한 소재를 사용하였다.
따라서, 박막 태양전지 모듈의 외부인 유리기판(10) 또는 금속전극(20)의 외면에 방열 백시트(10)를 접합시키면, 모듈 내부에 축적되어 있던 축열이 열전도 성능이 우수한 층으로 구성된 방열 백시트(10)에 전달되고, 방열 백시트(10)는 전달된 축열을 외부로 열을 방열시켜 태양전지용 모듈 및 주변기기의 열을 냉각시키게 된다.
먼저, 본 발명의 바람직한 실시예로서, 금속 타입 방열 백시트의 적층 구조를 상세히 설명하면 아래 내용과 같다.
상기 금속 박판층(A)의 금속 박판은 알루미늄 박판, 동 박판, 스테인리스 박판, 마그네슘 박판과 같은 금속 박판과 이와 같은 소재들과 동등 이상의 방사율 성능을 갖는 금속 박판 중에서 한 가지를 선택하여 사용하는 것이 바람직하며, 소재의 가격, 열전도율 등을 종합적으로 고려할 경우 원자재의 가격 대비 동의 열전도율이 알루미늄의 열전도율보다 2배가량 높기 때문에 동 소재를 사용하는 것이 가장 바람직하다.
본 발명에서 방열 백시트의 금속 박막층(A)의 두께는 20~200㎛인 것이 바람직하며, 상기 금속 박막층의 두께는 상기의 범위 내에 반드시 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 적절히 조정되어 질 수도 있다.
그리고 상기 산화피막층(B)은 금속 A 타입 방열 백시트의 경우에는 산화피막층(B)이 형성되어 있지만 금속 B 타입 방열 백시트의 경우에는 산화피막층(B)이 형성되어 있지 않다.
또한 상기 산화피막층(B)은 양극산화법, 화성피막법, 증착도장법 과 같은 통상적인 표면처리법 중에서 한 가지 방법을 선택하여 산화피막층을 형성시키는 것이 바람직하다.
산화피막층(B) 형성방법을 구체적으로 설명하면, 가장 대표적인 것이 양극산화법(Anodizing)이며, 양극산화법을 통해 방열시트 금속의 표면에 산화막이 형성이 되어져 일종의 세라믹 박막이 형성이 되어지고, 이러한 표면의 변화는 피막층의 내부에 형성된 미세입자 혹은 형성된 피막의 결정성혹은 성분에 의해 모재의 열전도률, 방사율과 같은 열적효과와의 차이가 발생하게 되고 이러한 열적차이는 열의 흐름을 일정한 방향으로 흐르게 함으로 결과적으로 최적의 방열조건을 만들 수 있는 장점이 있다.
그리고 화성피막법은 일반적으로 금속의 표면에 화성피막처리를 하여 금속의 표면을 세라믹화하는 표면처리법으로 인산염피막과 크로메이트 피막이 있다. 인산염 피막처리법(전해법, 무전해법)은 두께의 조절이 가능하고 도장성이 우수하며, 내부식성이 뛰어나고 미려한 표면을 가지게 하는 것을 장점으로 찾을 수 있다. 또한 금속 표면의 화성처리의 가장 대표적인 것이 크로메이트 피막처리법이 있으며, 이외에도 무기질의 화성처리 피막법에 의해 금속 표면의 세라믹화를 통해 방열효과가 우수하게 나타날 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 방열 백시트(10)에 형성시킨 산화피막층(B)의 두께는 방열 백시트의 내구성, 내부식성, 내습성 등의 물성을 증가시킬 수 있을 정도의 두께로 형성시킨다. 본 발명에서 방열 백시트의 산화피막층(B)의 두께는 5~20㎛인 것이 바람직하며, 상기 산화피막층의 두께는 상기의 범위 내에 반드시 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 적절히 조정되어 질 수도 있다.
상기 세라믹층(C)은 방열 백시트 금속박막의 산화피막층(B)의 한쪽 면에 접합이 잘되도록 표면에 가공을 해주고 그곳에서 각종 세라믹 소재를 코팅하는 방법을 실시하며, 이러한 세라믹 코팅법은 한쪽 면의 표면에 코팅되어짐으로 인해 열의 이동이 한쪽으로만 흘러간다는 장점을 지닌다. 이런 장점을 활용 태양전지 모듈에 적용시 한쪽 면을 모듈의 가장 바깥쪽으로 향하게 하면 열의 이동경로를 통해서 방열효과를 가진다.
본 발명에서 세라믹층에 사용가능한 내열 세라믹 소재는 알루미나, 지르코니아, 산화티탄, 실리카, 산화알루미늄, AlN(질화알루미늄), AlS(황화알루미늄)와 같은 금속 세라믹 소재, 유기실란, 무기실란, 실란커플링제, CNT와 같은 비금속 세라믹 소재 중에서 한 가지 또는 그 이상을 선택하여 사용할 수 있다.
그리고 상기와 같은 내열 세라믹 소재는 기본적으로 금속 산화물만을 주로 활용하고, 그리고 금속 산화물과 함께 비금속 무기코팅제를 일부 혼합시켜 코팅할 경우에는 300℃ 정도의 고온에서 견딜 수 있는 폴리우레탄이나 폴리이미드 같은 내열 합성수지를 사용하기도 한다. 본 발명에서 사용하는 세라믹 조성물은 특정 성분 및 성분비를 갖는 조성물에만 반드시 한정하지 않고 제조자의 필요나 또는 소비자의 요구에 따라 적절히 조정되어질 수 있다.
또한 세라믹층(C)은 세라믹층의 두께가 조절되어짐으로 최적의 방열조건을 만들 수 있는 장점이 있다. 본 발명에서 방열시트(60)의 표면에 형성시키는 세라믹 코팅층의 두께는 방열시트의 내구성, 내부식성, 내습성 등의 물성을 증가시킬 수 있을 정도의 두께로서 10~50㎛인 것이 바람직하며, 세라믹 코팅층의 두께는 상기의 범위 내에 반드시 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 적절히 조정되어 질 수도 있다.
그리고 본 발명의 바람직한 다른 실시예로서, 합성수지 타입 방열 백시트의 적층 구조를 상세히 설명하면 아래 내용과 같다.
합성수지 타입 방열 백시트는 상기 금속 타입 방열 백시트에 합성수지층(D)을 부가하여 형성시킨 구조로서, 산화피막층(B)의 형성 여부에 따라 합성수지 A 타입 방열 백시트와 합성수지 B 타입 방열 백시트로 구분되며, 이에 대해서는 상기에서 상세히 설명한바 있으므로 여기서는 그 설명을 생략하기로 하고, 합성수지층(D)에 대해서만 상세히 설명하기로 한다.
상기 합성수지(D)층은 국내 공개특허공보 제2008-0078179호에 공지된 바와 같은 PVF(Polyvinyl Fluoride)나 또는 PET(Polyetylene Terephthalate)을 사용하는 이 바람직하다.
본 발명에서 방열 백시트의 합성수지층(D)의 두께는 30~300㎛인 것이 바람직하며, 상기 합성수지층의 두께는 상기의 범위 내에 반드시 한정되는 것이 아니며, 필요에 따라 적절히 조정되어 질 수도 있다.
따라서, 상기와 같은 본 발명에 따른 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트는 PVF 필름이나 또는 PET 필름에 코로나 처리 후 알루미늄 박판, 동판 박판, 스텐레스 박판 또는 마그네슘 박판과 같은 금속 박판을 접지 혹은 접합하는 형태로 제작한 후 그 표면을 아노다이징 ,샌딩 혹은 무처리를 한 다음 세라믹 코팅하여 제작한다.
이하 본 발명에 따른 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트를 하기의 실시예를 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 하기의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니다.
1. 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트의 제조
본 발명의 실시예에서 금속 타입 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트는 두께 20㎛의 알루미늄 박막의 금속 박막층과, 두께 10㎛의 화성산화 피막층과 두께 10㎛의 세라믹층을 형성시켰다.
그리고 합성수지 A 타입 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트는 두께 30㎛의 PVF 합성수지층, 20㎛의 알루미늄 박막의 금속 박막층과, 두께 10㎛의 화성산화 피막층과 두께 10㎛의 세라믹층을 형성시켰으며, 합성수지 B 타입 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트는 합성수지 A 타입 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트와 동일하게 하되, 산화피막층을 형성시키지 않았다.
2. 박막 태양전지 모듈의 방열성능 측정
상기 1의 방법에 의해 제조한 실리콘형 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트의 방열성능을 사진 11에 나타난 바와 같은 방열측정에 사용된 장비는 표준과학원에서 제작되었으며, 반도체를 열원으로 사용 온도가 조절이 가능하도록 장치된 장비로서 각 소재별 방열성능을 측정한 결과는 아래 [표 1] 내지 [표 3]의 내용과 같다.
소재/처리 기준온도(℃) 20분후(℃) 1시간후(℃)
백시트 미부착 종래 타입 57 65.3 65.3
금속타입 세
라
믹
층		 CNT 54.3 53.1
산화알루미늄 56.2 56.2
AlN 57.2 57.1
AlS 57.4 57.5
소재/처리 기준온도(℃) 20분후(℃) 1시간후(℃)
백시트 미부착 종래 타입 75 74.0 74.5
합성수지
A 타입
(산화피막층 형성)		 세
라
믹
층		 CNT 64.2 65.1
산화알루미늄 67.2 67.2
AlN 67.5 67.2
AlS 67.2 67.9
소재/처리 기준온도(℃) 20분후(℃) 1시간후(℃)
백시트 미부착 종래 타입 75 74.2 74.6
합성수지
B 타입
(산화피막층 없음)		 세
라
믹
층		 CNT 64.4 65.3
산화알루미늄 67.4 67.5
AlN 67.7 67.4
AlS 67.5 68.2
상기 [표 1] 내지 [표 3]의 내용에 의하면, 실리콘형 박막 태양전지 모듈은 모두 공통적으로 방열 백시트를 접합시키지 않은 종래 타입에 비해 방열효과가 높음을 알 수 있고, 또한 합성수지 A 타입은 합성수지층, 금속 박판층, 산화피막층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조로서, 산화피막층이 형성되지 않은 플라스틱 B 타입에 비해 발전효율이 뛰어난 것으로 나타났다.
3. 방열 백시트를 접합시킨 박막 태양전지 모듈의 방열성능 측정
상기 1의 방법에 따라 제조한 방열 백시트를 각 박막 태양전지 모듈에 적용하여 성능을 테스트를 실시하였으며, 아래 [표 5] 내지 [표 7]의 내용과 같다.
그리고 12개월의 폭로 시험을 통하여 폭로시험에 사용된 트랙커는 도 12에 도시된 바와 같이, 두 장의 모듈이 동시에 올라갈 수 있도록 장치된 트랙커로써 비교시험용에 적합하도록 사용하였고, 실시예에서 사용된 박막 태양전지 모듈의 온도/효율 측정 장비는 도 13에 도시된 것과 같은 장비를 사용하였고, 도 14는 본 발명의 실시예에서 사용된 박막 태양전지 모듈 백시트 방열성능 상태를 찍은 사진이다.
참고로 각 태양전지 모듈의 표준 제조 샘플 모듈의 발전효율은 아래의 [표 4]의 내용과 같다.
(단위 : %)
구분 실험실 전지 모듈 시제품 상업용 모듈
단결정 Si 24.7 22.7 16.9
미결정 Si 20.2 17.2 14.0
미결정 Si 박막 15.0 11.6 10.0
비정질 Si 박막 13.0 10.7 7.9
CdTe 박막 16.5 11.0 9.0
CIGS 박막 19.5 13.6 11.0
염료감응 11.1 5.0 -
유기 폴리머 4.8 - -
* (출처 : 2009, 에너지기술연구원 태양광사업단 발표)
상기 [표 4]의 내용에서 시제품의 상업용 모듈마다 모두 다르나 본 실시예에서는 상업용 모듈을 테스트용으로 사용하였으며 이것을 기준으로 발전효율을 역산하여서 성능을 측정하였다.
아래 [표 5] 내지 [표 7]에서 금속 타입의 '무처리'라 함은 금속 B 타입으로 알루미늄 박판층과 AIN 세라믹층만을 형성시킨 방열 백시트를 적용시킨 것이고, '세라믹'이라 함은 금속 A 타입으로 알루미늄 박판층과 세라믹층 및 산화피막층을 형성시킨 방열 백시트이다. 따라서 금속 A 타입의 경우에는 세라믹층의 종류에 CNT, 산화알루미늄, AIN, AIS 소재를 각각 사용한 세라믹층으로 구성된 4 종류의 방열 백시트로 구분하였으며, 플라스틱 타입의 경우에도 상기 금속 타입과 동일한 방법에 의해 적용시키되, 합성수지층, 알루미늄 박판층, 산화피막층, 세라믹층으로 구분하되, 산화피막층이 형성되지 않은 방열 백시트를 '무처리'라 하고, 합성수지 A 타입의 경우에는 세라믹층의 종류에 CNT, 산화알루미늄, AIN, AIS 소재를 각각 사용한 세라믹층으로 구성된 4 종류의 방열 백시트로 구분하였다.
모듈종류 소재/처리방법 챔버온도
(℃)		 모듈온도
(℃)		 효율
(%)
방열 백시트 미부착 모듈 40 64 6.23
a-SiH 태양전지 모듈 금속 타입 무처리 53 6.82
세
라
믹
층		 CNT 48 7.01
산화알루미늄 49 6.92
AlN 49 6.94
AlS 49 6.92
합성수지
무처리 61 6.31
세
라
믹
층		 CNT 54 6.81
산화알루미늄 55 6.60
AlN 55 6.59
AlS 55 6.59
모듈종류 소재/처리방법 챔버온도
(℃)		 모듈온도
(℃)		 효율
(%)
방열 백시트 미부착 모듈 40 72 7.30
CIGS 타입
태양전지 모듈		 금속 타입 무처리 67 8.10
세
라
믹
층		 CNT 57 9.27
산화알루미늄 61 8.70
AlN 62 8.65
AlS 62 8.67
합성수지
 무처리 69 7.90
세
라
믹
층		 CNT 61 8.69
산화알루미늄 63 8.54
AlN 63 8.56
AlS 63 8.42
모듈종류 소재/처리방법 챔버온도
(℃)		 모듈온도
(℃)		 효율
(%)
방열 백시트 미부착 모듈 40 71 6.1
CdTe타입 태양전지 모듈 금속 타입 무처리 62 7.21
세
라
믹
층		 CNT 53 8.19
산화알루미늄 58 7.85
AlN 58 7.83
AlS 58 7.89
합성수지 무처리 67 6.65
세
라
믹
층		 CNT 61 7.50
산화알루미늄 63 7.17
AlN 63 7.20
AlS 63 7.18
상기 [표 5] 내지 [표 7]에서의 내용에서 알 수 있듯이 실리콘형 박막 태양전지 모듈, CIGS형 박막 태양전지 모듈 또는 CdTe형 박막 태양전지 모듈 모두 공통적으로 방열 백시트를 미부착한 박막 태양전지 모듈에 비해 모듈온도가 떨어지고, 발전효율이 높은 것으로 나타났다.
그리고 실리콘형(a-SiH) 타입의 태양전지 모듈은 온도의 변화에 따라서 크게 영향을 받지 않은 것으로 나타났지만 이종금속의 접합인 CIGS 타입과 CdTe 타입의 태양전지 모듈은 온도가 상승함에 따라 발전효율이 실리콘형(a-SiH) 타입의 태양전지 모듈에 비해 급격히 하락하는 현상을 발견할 수 있었다.
또한 본 발명에 따른 방열 백시트를 접합시킨 각각의 박막 태양전지 모듈에 적용하여 12개월 동안 옥외 실증실험을 진행하였고, 그 결과에 따른 발전효율을 도 15 내지 도 17의 그래프로 나타내었다.
도 15 내지 도 17의 그래프의 그래프에 의하면, 옥외 실증자료에서 본 바와 같이 실리콘(a-SiH) 타입의 경우에는 온도에 대하여 크게 민감한 변화 혹은 격차를 보이지 않으나 CdTe 타입의 경우 온도와 계절에 따라 백열 백시트의 방열 성능에 따라 확연한 출력의 차이를 발생하게 되며 가장 더운 날의 모듈의 온도가 상승시에 모듈의 출력 하락의 근본원인이 되는 것을 확인할 수 있었다.
참고로, 도 15는 본 발명의 실시예에서 실리콘형(a-SiH) 박막 태양전지 모듈, 도 16은 본 발명의 실시예에서 CIGS형 박막 태양전지 모듈, 도 17은 CdTe형 박막 태양전지 모듈의 옥외 발전효율을 각각 나타낸 그래프에 관한 것이다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 박막 태양전지 모듈 내부에서 발생하는 축열을 효과적으로 외부로 방열하여 출력효율을 향상시키고, 특히 기존의 박막 태양전지 모듈의 금속전극 또는 유리기판에 열전도성이 높은 방열 백시트를 접합시키거나 또는 금속전극을 대신하여 열전도성이 높은 방열 백시트를 접합시켜 사용이 가능하므로 최소의 비용으로 설치가 가능하므로 박막 태양전지 모듈 분야의 산업상 널리 적용될 것으로 기대된다.
10 : 유리 기판 20 : 박막층
30 : 금속전극 40 : 방열 백시트
A : 금속 박판층 B : 산화피막층
C : 세라믹층 D : 합성수지층

Claims (11)

  1. 박막 태양전지 모듈용 백시트에 있어서,
    상기 박막 태양전지 모듈은 실리콘형 박막 태양전지 모듈이고,
    상기 백시트는 방열 백시트로서, 실리콘형 박막 태양전지 모듈의 금속전극 외면에 접합시키고,
    상기 방열 백시트는 금속 타입 방열 백시트 또는 합성수지 타입 방열 백시트이되,
    상기 금속 타입 방열 백시트는 금속 박판층, 산화피막층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조 또는 금속 박판층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조이고,
    상기 합성수지 타입 방열 백시트는 합성수지층, 금속 박판층, 산화피막층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조 또는 합성수지층, 금속 박판층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트.
  2. 박막 태양전지 모듈용 백시트에 있어서,
    상기 박막 태양전지 모듈은 CdTe형 박막 태양전지 모듈이고,
    상기 백시트는 방열 백시트로서, CdTe형 박막 태양전지 모듈의 금속전극 외면에 접합시키고,
    상기 방열 백시트는 금속 타입 방열 백시트 또는 합성수지 타입 방열 백시트이되,
    상기 금속 타입 방열 백시트는 금속 박판층, 산화피막층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조 또는 금속 박판층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조이고,
    상기 합성수지 타입 방열 백시트는 합성수지층, 금속 박판층, 산화피막층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조 또는 합성수지층, 금속 박판층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트.
  3. 박막 태양전지 모듈용 백시트에 있어서,
    상기 박막 태양전지 모듈은 CIGS형 박막 태양전지 모듈이고,
    상기 백시트는 방열 백시트로서, CIGS형 박막 태양전지 모듈의 유리기판 외면에 접합시키고,
    상기 방열 백시트는 금속 타입 방열 백시트 또는 합성수지 타입 방열 백시트이되,
    상기 금속 타입 방열 백시트는 금속 박판층, 산화피막층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조 또는 금속 박판층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조이고,
    상기 합성수지 타입 방열 백시트는 합성수지층, 금속 박판층, 산화피막층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조 또는 합성수지층, 금속 박판층, 세라믹층의 순으로 적층된 구조인 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 방열 백시트는 실리콘형 박막 태양전지 모듈의 박막층 외면에 금속전극 대신 방열 백시트를 직접 접합시키는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 방열 백시트는 CdTe형 박막 태양전지 모듈의 박막층 외면에 금속전극 대신 방열 백시트를 직접 접합시키는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 박판층의 금속 박판은 알루미늄 박판, 동 박판, 스테인리스 박판, 마그네슘 박판과 같은 금속 박판과 이와 같은 소재들과 동등 이상의 방사율 성능을 갖는 금속 박판 중에서 한 가지를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트.
  9. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산화피막층은 양극산화법, 화성피막법 중에서 한 가지 방법을 선택하여 피막층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트.
  10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세라믹층은 알루미나, 지르코니아, 산화티탄, 실리카, 산화알루미늄, AlN(질화알루미늄), AlS(황화알루미늄)와 같은 금속 세라믹 소재, 유기실란, 무기실란, 실란커플링제, CNT와 같은 비금속 세라믹 소재 중에서 한 가지 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트.
  11. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 합성수지층은 PVF(Polyvinyl Fluoride) 또는 PET(Polyetylene Terephthalate)을 사용하는 것을 특징으로 하는 박막 태양전지 모듈용 방열 백시트.
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