KR101237203B1 - 금속나노입자가 함유된 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물 - Google Patents

금속나노입자가 함유된 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물에 관한 것으로, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 99.9~99.999중량%; 및 금속나노입자 0.001~0.1중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물, 이를 사용하여 제조된 태양전지 모듈 봉지재 및 태양전지 모듈을 제공하여, 셀의 표면에서 광전환 효율이 향상되고 외부로의 빛의 산란 및 반사를 방지하여 태양전지 모듈의 출력값이 우수해지도록 하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제공하고, 이를 사용하여 제조된 태양전지 모듈 봉지재 및 태양전지 모듈을 제공할 수 있다.

Description

금속나노입자가 함유된 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물{RESIN COMPOSITIONS FOR ENCAPSULANT MATERIAL OF PHOTOVOLTAIC MODULES INCLUDING METAL NANO POWDER}
본 발명은 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체를 포함하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물로서, 우수한 태양전지 효율을 확보할 수 있는 태양전지 봉지재용 수지 조성물에 관한 것이다.
최근 전세계적으로 지속적으로 성장 가능한 친환경 녹색성장에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 이산화탄소 배출에 따른 지구온난화 문제의 주요 원인이 되고 있는 화석연료를 대체하고자 하는 신재생 에너지에 대한 연구 및 개발은, 개인 및 소수 기업은 물론 정부와 범국가적인 차원에서 이루어지고 있다. 많은 학계와 기업에서 연료전지(Fuel Cell), 풍력, 바이오연료(Bio-Fuel), 지열 등 다양한 종류의 신재생 에너지에 대하여 연구 개발 중에 있지만, 그 중에서도 연구개발 단계를 거쳐 가장 빠르게 사업화가 실현되고 시장을 형성하며 급속도로 성장하고 있는 태양광 발전은 차세대 에너지 산업으로 각광을 받고 있다.
이러한 태양광 발전에 사용되는 태양전지는 빛에너지를 직접 전기에너지로 변환 및 발전시켜 주는 장비로서, 크게 결정형 실리콘 태양전지 및 박막형 태양전지로 구분된다. 그 중 태양광 시장은 높은 광전환 효율 및 생산성을 확보할 수 있는 결정형 실리콘 태양전지가 약 80% 이상의 시장점유율을 차지하고 있으며, 향후에도 결정형 실리콘 태양전지 시장이 꾸준히 성장할 것으로 예상되고 있다.
한편, 결정형 실리콘 태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 셀을 빛이 잘 투과할 수 있는 강화유리(전면커버) 위에 수 내지 수십장으로 직렬 혹은 병렬로 배열하고, 발생한 전기가 이동할 수 있는 배선 처리를 한 뒤, 이면에 보호시트(후면커버)를 적층한 후, 라미네이션 (Lamination) 공정을 거쳐 제조된다. 이때, 강화유리, 셀, 배선 및 보호시트를 강하게 접착시켜 주기 위하여, 강화유리 및 보호시트 사이에 열가소성 수지, 특히, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체가 태양전지 모듈 봉지재로 많이 사용되고 있다.
일반적으로 태양전지 모듈 봉지재는 상기와 같은 모듈을 접착시켜주는 접착층 역할 뿐만 아니라 수분, 이물질, 충격 등과 같은 외부 위험성으로부터 태양전지를 보호하고 셀의 배열을 고정시켜주는 역할을 한다. 이때, 태양전지 모듈 봉지재로 가장 많이 사용되고 있는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체의 경우, 접착성이 우수하고 탄성이 양호하여, 외부의 충격으로부터 태양전지를 보호하는 특성이 뛰어나다. 또한, 투명성이 우수해 빛이 잘 투과되어 우수한 효율의 태양전지 제조를 가능하게 한다. 그러나, 봉지재를 투과하는 동안 일부 내부에서 산란, 반사 등에 의한 빛의 손실이 발생하고, 단순히 보호층과 접착층의 역할만을 하기 때문에 상용화된 봉지재를 사용하여 제조된 태양전지 모듈의 최대 변환효율은 한계가 존재한다.
이러한 문제를 해결하고자 대한민국 공개특허 제2006-0080437호는, 태양광의 입사면 쪽에 형광체가 분산되어 빛의 양을 증가시키는 제1파장변환층과 양자점을 분산하여 흡수한 자외선을 가시광선으로 변환하여 주는 제2파장변환층을 배열함으로써 태양전지 모듈의 효율을 향상시키고자 하였으나, 형광체와 양자점의 입자크기 차이 때문에 동시에 고르게 분산시키지 못하여 각각 두 개의 층으로 제조해야 하고, 두께가 두꺼워져 광선투과율이 떨어지며, 두 개 층의 계면에서 굴절율이 달라짐에 따라 빛의 손실이 발생하는 문제가 있다.
일본국 공개특허 제1995-202243호는, 조사되는 빛을 흡수하고, 흡수한 빛을 흡수한 빛의 파장보다 긴 파장으로 변화하는 무기형광체가 도포된 파장변환층을 가짐으로써, 태양전지 모듈의 효율을 향상시키는 기술을 개시하고 있으나, 마이크로미터 수준의 무기형광체에 의하여 반사 또는 흡수에 의한 입사광 손실을 야기할 수 있는 문제가 있다.
미국 등록특허 제6,476,312호는, 양자점(Quantum Dot)을 이용하여 입사광의 빛을 효율적으로 모을 수 있는 집광장치를 구비한 태양전지에 관한 기술을 개시하고 있으나, 단지 양자점을 이용하여 파장의 변화가 가능하다는 이론적인 내용만 다룬 것으로서, 실제 적용 시 안정적이고 지속적인 성능 유지가 어려운 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 에틸렌비닐아세테이트 공중합체에 금속나노입자를 분산시켜, 셀 표면에서의 전환 효율을 높여주고 봉지재 내부에서 산란되는 빛을 다시 내부로 재산란 시켜줌으로써, 빛의 손실을 최소화하여 태양전지 모듈의 효율을 최대화 하도록 하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 상기 조성물을 포함하는 태양전지 모듈 봉지재 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 모듈을 제공하는 것이다
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,
(1) 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물에 있어서, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 99.9~99.999중량%; 및 상기 태양전지 내부에서 반사 또는 산란으로 손실되는 빛을 재산란시키기 위해, 상기 에틸렌비닐아세테이트 공중합체에 분산되고, 금, 백금 및 은으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 금속으로 이루어진 금속나노입자 0.001~0.1중량%;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제공한다.
(2) 상기 (1)에 있어서, 상기 금속나노입자는, 입자 크기가 100㎚ 이하이고, 순도가 99.5% 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제공한다.
삭제
(4) 상기 (1)에 있어서, 상기 에틸렌비닐아세테이트 공중합체는, 용융지수가 1~50g/10분, 비닐아세테이트 함량이 20~40중량%인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제공한다.
본 발명은 또 다른 문제 해결을 위하여,
(5) 상기 (1), (2) 및 (4) 중 어느 하나의 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 사용하여 제조된 태양전지 모듈 봉지재를 제공하며,
(6) 상기 (5)의 태양전지 봉지재를 사용하여 제조된 태양전지 모듈을 제공한다.
이러한 본 발명에 따른 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물, 이를 사용하여 제조된 태양전지 봉지재 및 태양전지 모듈에 따르면, 셀의 표면에서 광전환 효율이 향상되고 외부로의 빛의 산란 및 반사를 방지하여 태양전지 모듈의 출력값이 우수해지도록 하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제공할 수 있다.
또한, 상기 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 사용하여 제조된 태양전지 모듈 봉지재 및 태양전지 모듈을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 수지 조성물의 광선투과율 측정 결과를 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지 모듈 출력값을 측정하기 위해 제조된 태양전지 모듈 시편의 단면을 나타낸 모식도.
이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 금속나노입자를 이용한 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물로서, 에틸렌 비닐아세테이트 공중합체에 금속나노입자를 고르게 분산시킴으로써, 보다 우수한 태양전지 효율을 얻을 수 있는 금속나노입자가 분산된 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제공하고, 상기 조성물을 사용하여 태양전지 모듈 봉지재를 제공하며, 이를 사용하여 태양전지 모듈을 제공하게 된다.
먼저, 본 발명에 따른 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물의 각 구성 성분을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물은, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 99.9~99.999중량%; 및 금속나노입자 0.001~0.1중량%;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물에 함유되는 상기 금속나노입자는, 상기 수지 조성물 총 중량에 대하여, 0.001~0.1중량% 포함되어, 상기 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 수지 99.9~99.999중량%에 고르게 분산되어 있다. 상기 금속나노입자 함량이 0.001중량% 미만일 경우 셀 표면에서의 광전환 활성화 정도 및 빛의 재산란이 효과적으로 일어나지 않아 태양전지 모듈 봉지재용으로 사용하기에 적합하지 않을 수 있고, 0.1중량%를 초과할 경우 광선투과율 특성이 낮아져 태양전지 모듈 봉지재용으로 적합하지 않을 수 있다.
또한, 상기 금속나노입자는 100㎚ 이하의 입자크기를 가지며, 순도 99.5% 이상인 것이 바람직하다. 상기 금속나노입자의 크기가 100㎚를 초과하고 순도가 99.5% 미만일 경우 광원의 입사를 방해하여 광선투과율이 저하되고 손실이 커지므로 태양전지 모듈 봉지재용 제품에 사용하기에 적합하지 않을 수 있다.
여기서, 상기 금속나노입자를 이루는 금속으로, 금, 백금 및 은으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상일 수 있고, 분산도, 광선투과율, 광 손실율 등의 특성 및 태양전지 모듈 봉지재의 제조단가 대비 효율성을 고려할 때 은으로 이루어진 은나노입자를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물에 함유되는 에틸렌비닐아세테이트는, 상기 에틸렌비닐아세테이트 총 중량에 대하여, 에틸렌 함량이 60~80중량% 및 비닐아세테이트 함량이 20~40중량%인 것이 바람직하다. 상기 비닐아세테이트 함량이 20중량% 미만일 경우 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 고유의 접착력, 유연성 및 탄성이 저하될 수 있고, 40중량%를 초과할 경우 기체 투과성이 좋아져 태양전지 모듈의 내부 부식을 유도할 수 있으므로 최종 태양전지 모듈 봉지재용 제품에 사용하기 적합하지 않을 수 있다.
또한, 상기 에틸렌비닐아세테이트 공중합체의 용융지수는 1~50g/10분인 것이 바람직하다. 상기 용융지수가 1g/10분 미만일 경우 낮은 흐름성으로 인해 고속가공성이 저하되어 가공이 용이하지 않을 수 있으며, 50g/10분을 초과할 경우 높은 흐름성과 낮은 분자량으로 인해 태양전지 모듈 봉지재 가공에 적합하지 않을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물에는, 본 발명의 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 다양한 태양전지 모듈 봉지재에 적용하기 위해, 상기 구성 요소 외에도 착색제, 산화 방지제, 변색 방지제 등이 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 사용하여 제조된 태양전지 모듈 봉지재 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 모듈을 제공한다. 이때, 상기 태양전지 모듈 봉지재는 강화유리와 셀 사이 위치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 태양전지 모듈 봉지재 및 태양전지 모듈 제조는 상기 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 사용하여 당해 기술 분야에 알려진 일반적인 방법에 의해 제조될 수 있으며, 사용되는 태양 전지 셀은 비정질 실리콘형, 결정질 실리콘형, 화합물계, 염료 감응형, 유기물계 등 모든 형태의 태양 전지가 가능하나, 특히 결정질 실리콘형 태양 전지가 바람직하다.
이하에서는 본 발명을 실시예 및 비교예를 들어 구체적으로 설명한다.
실시예 1
에틸렌 67중량% 및 비닐아세테이트 33중량%로 이루어진 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 39.99g(99.975중량%) 및 은나노입자 0.01g(0.025중량%)를 배치 믹서에 투입하고, 혼련온도 90℃ 및 스크류 회전수 80rpm으로 설정하여, 15분간 혼련하여 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 2
실시예 1에서 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 39.98g(99.95중량%) 및 은나노입자 0.02g(0.05중량%)을 투입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제조하였다.
실시예 3
실시예 1에서 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 39.96g(99.9중량%) 및 은나노입자 0.04g(0.1중량%)을 투입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제조하였다.
비교예 1
실시예 1에서 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 40g(100중량%) 만을 투입한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물을 제조하였다.
이상의 실시예 및 비교예에 따른 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물의 각종 물성을 하기의 방법에 따라 측정 및 평가하였다.
[광선투과율 측정]
(1) 시편제작
상기 실시예 및 비교예로부터 얻어진 수지 조성물을 가로 150㎜, 세로 150㎜ 및 두께 0.2㎜의 테프론 필름 소재의 형틀에 채운 다음, 프레스 성형기를 사용하여 120℃ 및 140bar 조건에서 성형시간 5분으로 하여 필름을 제작한 후, 가로 10㎜, 세로 50㎜로 샘플을 제작하였다.
(2) 광선투과율 측정
상기와 같이 얻어진 시편에 대하여 UV-Visuable Spectrophotometer(UV-2450, SHIMADZU, 일본)를 이용하여 파장범위 250~500㎚에서 광선투과율을 측정하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.
[태양전지 모듈 출력값 측정]
(1) 시편제작
도 2는 상기 실시예 및 비교예에 따른 태양전지 모듈 출력값을 측정하기 위해 제조된 태양전지 모듈 시편의 단면을 나타낸 모식도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 광선투과율 측정과 동일한 조건에서 시편(13)을 제작한 후, 강화유리(11), 상용화되어 사용되고 있는 태양전지 모듈 봉지재(항저우 퍼스트)(12)와 셀(Motech Cell, 최대출력 3.75~3.77W, 두께 180㎛)(14) 사이에 배치하고, 다시 상용화된 태양전지 모듈 봉지재(12)와 보호시트(Coveme-dyMat PYE Laminates)(15)를 적층 시킨 후, 리본(HITACHI, 두께 2.5㎜)(미도시)을 이용하여 배선 처리하고, 150℃로 설정된 진공 라미네이터에서 17분 동안 라미네이션(Lamination) 공정을 통하여 태양전지 모듈 시편(10)을 제작하였다.
(2) 태양전지 모듈 출력값 측정
상기와 같이 얻어진 태양전지 모듈 시편에 대하여 태양전지 모듈 출력값 측정기(Solar Simulator PVS 1320i-S, NISSHINBO)를 25℃의 온도 및 1000W/㎡의 빛 에너지량의 조건으로, 태양전지 모듈의 출력값을 측정하였다. 상기 실시예 및 비교예에 대하여 각각 총 10회 측정하였으며, 최대값 및 최소값을 제외한 8개의 측정결과에 대하여 평균값을 구하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 태양전지 모듈 효율(W)
실시예 1 3.680
실시예 2 3.199
실시예 3 2.957
비교예 1 3.577
도 1을 참조하면, 상기 은나노입자의 함량에 따라 광선투과율의 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 특히, 상기 은나노입자 함량이 0.025중량%일 경우 나노미터 수준의 입자가 분산되었음에도 광전환효율이 비교예 1보다 높은 것을 알 수 있고, 이는 나노미터 수준의 은입자에 의한 것으로 예상된다. 다만, 은나노입자가 0.1중량%를 초과하여 과량 함유될 경우, 은입자에 의한 광원이 차단 또는 반사되어 광선투과율이 저하될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 표 1을 참조하면, 상기 은나노입자 0.025중량%가 고르게 분산된 태양전지 모듈 봉지재를 사용한 태양전지 모듈의 출력값은, 상기 은나노입자가 함유되지 않은 태양전지 모듈의 출력값보다 우수한 것을 알 수 있으며, 이는 셀 표면 주변에 나노미터 수준의 은입자를 위치 시킴으로써, 셀 표면에서의 광전환 효율을 높여주고 태양전지 내부에서 반사 또는 산란으로 손실되는 광원을 재산란 및 반사 시켜주었기 때문으로 판단된다. 그러나, 은나노입자가 0.1중량%를 초과하여 필요 이상으로 함유된 경우 오히려 빛의 투과를 제한하여 태양전지 모듈의 효율이 떨어지는 것을 알 수 있고, 따라서, 상기 은나노입자는 본 발명에 따른 함량 범위에서 적정량이 고르게 분산되었을 때 가장 우수한 모듈 출력값을 나타내는 것을 알 수 있다.
10: 태양전지 모듈 시편 11: 강화유리
12: 상용화 봉지재 13: 은나노입자가 분산된 봉지재
14: 셀 15: 보호시트

Claims (6)

  1. 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물에 있어서,
    에틸렌비닐아세테이트 공중합체 99.9~99.999중량%; 및
    상기 태양전지 내부에서 반사 또는 산란으로 손실되는 빛을 재산란시키기 위해, 상기 에틸렌비닐아세테이트 공중합체에 분산되고, 금, 백금 및 은으로 이루어진 군에서 선택되는 1 이상의 금속으로 이루어진 금속나노입자 0.001~0.1중량%;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 금속나노입자는, 입자 크기가 100㎚ 이하이고, 순도가 99.5% 이상인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌비닐아세테이트 공중합체는, 용융지수가 1~50g/10분, 비닐아세테이트 함량이 20~40중량%인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 봉지재용 수지 조성물.
  5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항의 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 사용하여 제조된 태양전지 모듈 봉지재.
  6. 제5항의 태양전지 모듈 봉지재를 사용하여 제조된 태양전지 모듈.
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