KR101245458B1 - 태양 전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면(裏面)측 지지 부재를 구비하는 태양 전지 모듈에 있어서, 밀봉재가 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며, 제1 영역의 태양 전지에 대한 접착력이 제2 영역의 태양 전지에 대한 접착력보다 작은 것을 특징으로 한다.
태양 전지 모듈
Description
도 1은 종래의 태양 전지로의 응력을 설명하는 도면이다.
도 2는 종래의 태양 전지로의 응력을 설명하는 도면이다.
도 3은 종래의 태양 전지로의 응력을 설명하는 도면이다.
도 4는 실시 형태에 따른 태양 전지 모듈을 설명하는 도면이다.
도 5는 실시 형태에 따른 태양 전지를 설명하는 도면이다.
도 6은 실시 형태에 따른 태양 전지 모듈의 제조 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 7은 라미네이트 공정에 사용하는 진공 라미네이트 장치를 설명하는 도면이다.
도 8은 경화 공정에 사용하는 가열 장치를 설명하는 도면이다.
도 9는 그밖의 실시 형태에 따른 태양 전지 모듈을 설명하는 도면이다.
도 10은 실시 형태에 따른 태양 전지로의 응력을 설명하는 도면이다.
도 11은 박리 강도 측정기를 설명하는 도면이다.
도 12는 온도 사이클 시험의 온도 조건 변화의 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
a: 태양 전지의 광 입사면측에서의 응력
b: 태양 전지의 이면측에서의 응력
100: 태양 전지 모듈 101: 태양 전지
102: 광 입사측 지지 부재 103: 이면측 지지 부재
104: 밀봉재 105: 광전 변환부
106: 집전 전극 107: 집전 전극
1: 스트링스 1a: 태양 전지
2: 밀봉재 2a: 밀봉재의 제1 영역
2b: 밀봉재의 제2 영역 2c: 제1 영역의 광 입사면의 제3 영역
2d: 제2 영역의 이면의 제4 영역 3: 광 입사측 지지 부재
4: 이면측 지지 부재 5: 배선재
6: 광전 전환부 7a: 광 입사면측 집전 전극
7b: 이면 전극 10: 태양 전지 모듈
20: 진공 라미네이트 장치 30: 다이어프램
40: 장착대 50: 가열 장치
60: 박리 강도 측정기 61: 클립
62: 핸들 63: 게이지
[문헌 1] 일본 특허 공개 제2000-183382호 공보
본 발명은 신뢰성을 향상시킨 태양 전지 모듈에 따른 것이다.
태양 전지 시스템은 청결하고 무한히 공급되는 태양광을 직접 전기로 변환한다. 따라서, 태양 전지 시스템은 새로운 에너지원으로서 기대되고 있다.
여기서, 태양 전지 시스템을 구성하는 태양 전지는, 1장 당 출력이 몇 W 정도이다. 따라서, 가옥이나 빌딩 등의 전원으로서 태양 전지 시스템을 이용하는 경우, 태양 전지 시스템에는 복수의 태양 전지가 전기적으로 직렬 또는 병렬로 접속된 태양 전지 모듈이 사용된다. 이에 따라, 태양 전지 시스템의 출력은 수백 W 정도까지 높아진다.
구체적으로, 도 1에 나타낸 바와 같이 태양 전지 모듈 (100)은 태양 전지 (101)과, 태양 전지 (101)의 광 입사면측에 설치된 광 입사측 지지 부재 (102)와, 태양 전지 (101)의 이면측에 설치된 이면측 지지 부재 (103)과, 광 입사측 지지 부재 (102)와 이면측 지지 부재 (103) 사이에서 태양 전지 (101)을 밀봉하는 밀봉재 (104)를 갖는다.
이러한 태양 전지 모듈 (100)에서는, 일반적으로 내후성 및 내구성을 향상시키기 위해, 밀봉재 (104)와 태양 전지 (101)의 광 입사면 및 이면과의 견고한 접착이 유지될 것이 요구된다. 여기서, 밀봉재 (104)의 태양 전지 (101)에 대한 접착력의 경시적인 저하를 개선하기 위해, 밀봉재 (104)에 실란 커플링제를 첨가하는 기술이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 특허 공개 제2000-183382호 공보 참조).
태양 전지 모듈 (100)이 태양광을 수광하지 않은 상태에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 (101)의 광 입사면측에서의 응력 (a)가 태양 전지 (101)의 이면측에서의 응력 (b)와 대략 동일하다.
한편, 태양 전지 모듈 (100)이 태양광을 수광한 상태에서는, 태양 전지 (101)의 광 입사면측의 온도가 태양 전지 (101)의 이면측 온도보다 높아진다. 이에 따라, 태양 전지 (101)의 광 입사면측에서는 태양 전지 (101)의 이면측보다 밀봉재가 열팽창한다. 밀봉제 (104)쪽이 태양 전지 (101)보다 큰 열팽창 계수를 갖기 때문에, 도 2에 나타낸 바와 같이 태양 전지 (101)의 광 입사면측에서의 응력 (a)는, 태양 전지 (101)의 이면측에서의 응력 (b)보다 작아진다.
이와 같이, 태양 전지 (101)이 태양광을 수광한 상태에서는, 응력 (a)와 응력 (b)의 균형이 무너져 버리기 때문에, 도 2에 나타낸 바와 같이 태양 전지 (101)의 변형이 발생한다.
여기서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 (101)에는 광전 전환부 (105)에서 생성되는 광 생성 캐리어를 집전하기 위해, 광전 전환부 (105)의 광 입사면측에 집전 전극 (106)이 설치되어 있고, 광전 전환부 (105)의 이면측에 집전 전극 (107)이 설치되어 있다. 집전 전극 (106)은, 태양 전지 (101)의 광 입사면측에 설치되기 때문에, 태양광의 수광을 방해하지 않도록 가능한 범위에서 가늘게 형성되는 것이 바람직하다.
그러나, 태양광의 수광에 의해 태양 전지 (101)의 변형이 발생하면, 집전 전극 (106)에 응력이 가해진다. 또한, 태양 전지 모듈 (100)은 옥외에서 사용되며, 수광과 비수광이 반복되기 때문에 집전 전극 (106)에 손상이 축적된다. 따라서, 집전 전극 (106)의 집전 능력이 저하될 우려가 있다. 또한, 광전 전환부 (105)를 구성하는 기판의 두께가 얇아질수록 태양 전지 (101)의 변형이 커지기 때문에, 종래에는 기판의 두께를 그다지 얇게 할 수 없었다.
따라서, 본 발명은 상술한 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 광 입사면측에 설치된 집전 전극에 축적되는 손상으로 인한 영향을 감소시킨 태양 전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
<발명의 요약>
본 발명의 제1의 특징에 따른 태양 전지 모듈은, 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고, 상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역의 상기 태양 전지에 대한 접착력은, 상기 제2 영역의 상기 태양 전지에 대한 접착력보다 작은 것을 요지로 한다.
이러한 태양 전지 모듈에 따르면, 밀봉재의 제1 영역의 태양 전지에 대한 접착력이, 밀봉재의 제2 영역의 태양 전지에 대한 접착력보다 작다. 즉, 제1 영역은 태양 전지의 광 입사면에 작은 접착력으로 접착되어 있기 때문에, 제1 영역의 부피 변화가 태양 전지의 광 입사면에 미치는 영향력이 작다. 따라서, 태양광을 수광한 상태에서, 제1 영역이 열팽창하더라도 제1 영역이 태양 전지의 광 입사면에 미치는 영향력이 작기 때문에, 광 입사면에 걸리는 응력과 이면에 걸리는 응력과의 균형이 유지된다. 바꿔 말하면, 제1 영역은 내부 응력을 유지한 상태로 태양 전지의 광 입사면에서 어긋나기 때문에, 광 입사면에 걸리는 응력과 이면에 걸리는 응력과의 균형이 제조시의 상태로 유지된다. 그 결과, 태양 전지를 광 입사면측에 대하여 볼록해지도록 변형시키고자 하는 힘이 완화되고, 태양 전지의 광 입사면에 접착된 집전 전극에 가해지는 스트레스가 약해지기 때문에, 집전 전극에 축적되는 손상을 억제할 수 있다.
본 발명의 제2의 특징은 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고, 상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 영역 및 제2 영역은, 동일한 밀봉용 수지 재료를 포함함과 동시에, 상기 태양 전지와의 접착력을 향상시키는 첨가제를 포함하고 있으며, 상기 제1 영역에 포함되는 상기 첨가제의 양은, 상기 제2 영역에 포함되는 상기 첨가제의 양보다 적은 것을 요지로 한다.
본 발명의 제3의 특징은 본 발명의 제2의 특징에 따른 것이며, 상기 첨가제는 실란 커플링제인 것을 요지로 한다.
본 발명의 제4의 특징에 따른 태양 전지 모듈은 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고, 상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며, 상기 태양 전지는 광 입사면 및 이면에 수산기를 갖고, 상기 수산기와 공유 결합 또는 수소 결합을 형성하는 관능기의 상기 제1 영역에서의 밀도는, 상기 관능기의 상기 제2 영역에서의 밀도보다 작은 것을 요지 로 한다.
본 발명의 제5의 특징에 따른 태양 전지 모듈은 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고, 상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며, 상기 태양 전지의 이면은 상기 제2 영역과의 접착력을 향상시키는 하도제가 도포되어 있는 것을 요지로 한다.
본 발명의 제6의 특징에 따른 태양 전지 모듈은 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고, 상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며, 상기 태양 전지는 광 입사면 및 이면에 수산기를 갖고, 상기 태양 전지의 광 입사면에서의 수산기의 밀도는, 상기 태양 전지의 이면에서의 수산기의 밀도보다 작은 것을 요지로 한다.
본 발명의 제7의 특징에 따른 태양 전지 모듈은 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고, 상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며, 상기 태양 전지의 광 입사면에서의 표면적은, 상기 태양 전지의 이면에서의 표면적보다 작은 것을 요지로 한다.
<제1 실시 형태>
이어서, 도면을 이용하여 본 발명의 제1 실시 형태에 대하여 설명한다. 이 하의 도면의 기재에 있어서, 동일 또는 유사한 부분에는 동일 또는 유사한 부호를 붙인다. 단, 도면은 모식적인 것이며, 각 치수의 비율 등은 현실적인 것과는 상이하다는 점에 유의해야 한다. 따라서, 구체적인 치수 등은 이하의 설명을 참작하여 판단해야 한다. 또한, 도면 상호간에 있어서도 서로의 치수 관계나 비율이 상이한 부분이 물론 포함되어 있다.
<태양 전지 모듈 (10)의 구성>
본 실시 형태에 따른 태양 전지 모듈 (10)의 단면도를 도 4에 나타낸다. 도 4(A)는 모듈화 공정을 거쳐 일체화된 후의 상태를 설명하기 위한 단면 구조도이다. 또한, 도 4(B)는 모듈화 공정 전의 상태를 설명하기 위한 분해도이다.
태양 전지 모듈 (10)은 태양 전지 스트링스 (1), 밀봉재 (2), 광 입사측 지지 부재 (3) 및 이면측 지지 부재 (4)를 구비하고 있다.
태양 전지 스트링스 (1)은 복수의 태양 전지 (1a, 1aㆍㆍㆍ)를 동박 등의 배선재 (5)에 의해 서로 전기적으로 접속함으로써 형성되어 있다.
태양 전지 (1a)는 광전 전환부 (6) 및 집전 전극 (7)을 구비하고 있다.
광전 전환부 (6)은 내부에 PN 접합이나 PIN 접합 등의 반도체 접합을 갖는, 단결정 Si(규소)나 다결정 Si 등의 결정계 반도체 재료, GaAs나 CuInSe 등의 화합물계 반도체 재료를 비롯하여, 박막 규소계, 색소 증감계 등의 유기계 등, 일반적인 태양 전지 재료를 사용하여 제조할 수 있다.
집전 전극 (7)은 광전 전환부 (6)의 광 입사면 및 이면에 접착되며, 광전 전환부 (6)에서 생성되는 광 생성 캐리어를 수집한다. 따라서, 집전 전극 (7)은 광 입사면측 집전 전극 (7a)와 이면 전극 (7b)를 포함한다.
광 입사면측 집전 전극 (7a) 및 이면 전극 (7b)는 은이나 알루미늄, 구리, 니켈, 주석, 금 등, 또는 이들 합금 등의 도전성 재료를 포함한 것으로 형성된다. 또한, 전극은 도전성 재료를 포함한 단층 구조일 수도 있고, 다층 구조일 수도 있다. 또한, 이들 도전성 재료를 포함하는 층에 추가하여, SnO2, ITO, IWO, ZnO 등의 투광성 도전 산화물을 포함하는 층을 가질 수도 있다.
광 입사면측 집전 전극 (7a)는, 광전 전환부 (6)의 광 입사측 면적을 크게 하기 위해, 즉 광전 전환부 (6)의 노출 부분 면적을 크게 취하기 위해, 될 수 있는 한 작은 면적이 되도록 설치되어 있다. 예를 들면, 광 입사면측 집전 전극 (7a)는, 태양 전지 (1a)의 단면도 및 상면도(도 5(A) 및 5(B) 참조)에 나타낸 바와 같이, 전극 폭을 작게 하여 빗 형상 또는 이른바 핑거상으로 형성된다. 한편, 이면 전극 (7b)는 빗 형상일 수도 있고, 광전 전환부 (6)의 이면측 전면에 설치될 수도 있다. 이와 같이 본 실시 형태에서는 광전 전환부 (6)의 광 입사면에 접착된 광 입사면측 집전 전극 (7a)의 접착 면적이, 이면에 접착된 이면 전극 (7b)의 접착 면적보다 작다.
밀봉재 (2)는 태양 전지 스트링스 (1)을 밀봉하고 있다. 구체적으로는, 도 4(A)에 나타낸 바와 같이, 태양 전지 (1a)의 광 입사면은 밀봉재 (2)의 제1 영역 (2a)와 접해 있고, 태양 전지 (1a)의 이면은 밀봉재 (2)의 제2 영역 (2b)와 접해 있다. 밀봉재 (2)는 EVA(에틸렌ㆍ비닐ㆍ아세틸레이트)나 PVB(폴리ㆍ비닐ㆍ부티랄 ), 실리콘 수지, 우레탄 수지, 아크릴 수지, 불소계 수지, 이오노머 수지, 실란 변성 수지, 에틸렌-아크릴산 공중합체, 에틸렌-메타크릴산 공중합체, 폴리에틸렌계 수지, 폴리프로필렌계 수지, 산 변성 폴리올레핀계 수지, 에폭시계 수지 등의 수지 재료를 사용하여 구성할 수 있으며, 이들 수지 중 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다. 또한, 밀봉재가 EVA와 같은 열가소성 수지인 경우에는 접착성을 향상시키기 위해, 예를 들면 실란 커플링제를 배합한다.
여기서, 본 실시 형태에서는 밀봉재 (2)의 제1 영역 (2a)의 태양 전지 (1a)에 대한 접착력이, 밀봉재 (2)의 제2 영역 (2b)의 태양 전지 (1a)에 대한 접착력보다 작다. 이러한 밀봉재 (2)의 구성은, 본 발명의 특징에 따른 것이므로 후에 상술한다.
광 입사측 지지 부재 (3)은, 태양 전지 (1a)의 광 입사측에 밀봉재 (2)의 제1 영역 (2a)를 통해 접착되어 있다. 광 입사측 지지 부재 (3)은, 유리판이나 플라스틱판 등의 보호 부재로서 단단하여 변형되기 어렵고, 태양 전지 (1a)가 흡수할 수 있는 파장의 대부분의 광을 투과시키는 부재를 포함하여 구성된다. 광 입사측 지지 부재 (3)은, 예를 들면 1 내지 10 mm의 두께를 갖는 유리판을 포함하고 있다.
이면측 지지 부재 (4)는, 밀봉재 (2)의 제2 영역 (2b)를 통해 태양 전지 (1a)의 이면측에 접착되어 있다. 이면측 지지 부재 (4)는 모듈 전체의 중량을 가볍게 하기 위해, 비교적 부드러운 필름상의 PET(폴리에틸렌테레프탈레이트) 필름이나 불소 수지 필름 등의 수지 필름, 실리카나 알루미나 등의 금속 산화물의 증착막이 형성된 수지 필름, 알루미늄박 등의 금속 필름, 또는 이들의 적층 필름 등의 재 료를 사용하여 구성할 수 있다.
<태양 전지 모듈 (10)의 제조 방법>
본 실시 형태에 따른 태양 전지 모듈 (10)의 제조 방법에 대하여, 도 6 내지 도 8을 이용하여 설명한다.
도 6은, 본 실시 형태에 따른 태양 전지 모듈 (10)의 제조 공정의 개략적인 것을 나타내는 흐름도이다.
스텝 101에서는, 태양 전지 (1a)를 제조한다. 우선, n형 단결정 규소 기판의 표면을 세정하여 불순물을 제거한다. 이어서, RF 플라즈마 CVD법 또는 Cat-CVD법 등의 기상 성장법을 이용하여, n형 단결정 규소 기판의 광 입사면 상에 i형 비정질 규소층과 p형 비정질 규소층을 차례로 적층한다. 마찬가지로, n형 단결정 규소 기판의 이면 상에 i형 비정질 규소층과 n형 비정질 규소층을 차례로 적층한다. 이에 따라 광전 전환부 (6)이 제조된다. 이어서, 마그네트론 스퍼터링법을 이용하여 p형 비정질 규소층의 광 입사면 및 n형 비정질 규소층의 이면에 ITO막을 형성한다. 이어서, 스크린 인쇄법, 오프셋 인쇄법 등의 인쇄법을 이용하여, 에폭시계 열 경화형 은 페이스트를 ITO막의 광 입사면 상에 소정의 패턴으로 배치한다. 마찬가지로, 에폭시계 열 경화형 은 페이스트 등의 도전성 재료를 ITO막의 이면 상에 소정의 패턴으로 배치한다. 이에 따라, 광 입사면측 집전 전극 (7a) 및 이면 전극 (7b)가 광전 전환부 (6) 상에 일체적으로 형성된다. 또한, 본 실시 형태에서는 광 입사면측 집전 전극 (7a)가 빗 형상으로 형성되고, 이면 전극 (7b)는 광전 전환부 (6)의 이면측 전면에 설치되어 있다. 이상에 의해, 태양 전지 (1a)가 제조된다.
이어서, 스텝 102에서는, 태양 전지 스트링스 (1)을 제조한다. 구체적으로는, 하나의 태양 전지 (1a)의 광 입사면측 집전 전극 (7a)와 다른 태양 전지 (1a)의 이면 전극 (7b)에 배선재 (5)를 누르면서 가열하여 접속시킨다. 이에 따라, 하나의 태양 전지 (1a)와, 그 하나의 태양 전지 (1a)에 인접하는 다른 태양 전지 (1a)가 전기적으로 접속되어 태양 전지 스트링스 (1)이 제조된다.
여기서, 스텝 101 및 102와 병행하거나 사전에 수행하는 스텝 103에서는, 밀봉재 (2)를 제조 및 준비해 둔다.
이어서, 스텝 104에서는, 태양 전지 모듈 (10)을 제조한다. 해당 모듈화는 이하의 두가지 공정을 포함한다.
라미네이트 공정: 이 공정은 도 7에 나타낸 진공 라미네이트 장치 (20)을 이용하여, 각 부재간의 기포 발생을 억제하면서 내부 부재끼리 가접착하기 위한 공정이다. 진공 라미네이트 장치 (20)의 내부는 다이어프램 (30)에 의해 상하 두 공간으로 분리되어 있고, 각 공간을 독립적으로 감압할 수 있다. 우선, 진공 라미네이트 장치 (20) 내에 가열 가능하게 구성된 장착대 (40) 상에, 광 입사측 지지 부재 (3), 광 입사측 밀봉재 시트(제1 영역) (2a), 태양 전지 스트링스 (1), 이면측 밀봉재 시트(제2 영역) (2b), 및 이면측 지지 부재 (4)를 이 순서대로 쌓는다. 이어서, 장착대 (40)을 소정의 온도로 가열하면서 상하 각 공간으로부터 배기시켜 탈포한다. 이어서, 위쪽 공간에 흡기시킴으로써, 다이어프램 (30)으로 태양 전지 모듈 (10)을 소정 시간만큼 눌러 가접착한다.
경화 공정: 이 공정은 도 8에 나타낸 가열 장치 (50)을 이용하여, 밀봉재 (2)를 경화시키기 위한 공정이다. 가열 장치 (50)은 온풍을 보냄으로써 태양 전지 모듈 (10)을 균일하게 가열할 수 있다. 우선, 가접착된 태양 전지 모듈 (10)을 가열 장치 (50) 내에 투입한다. 이어서, 태양 전지 모듈 (10)을 소정의 온도로 소정의 시간만큼 가열한다. 이에 따라, 밀봉재 (2)가 완전히 경화된다.
이상과 같이 하여, 본 실시 형태에 따른 태양 전지 모듈 (10)이 제조된다.
<밀봉재 (2)의 태양 전지 (1a)에 대한 접착력에 대하여>
본 실시 형태에서는 밀봉재 (2)의 제1 영역 (2a)의 태양 전지 (1a)에 대한 접착력이, 밀봉재 (2)의 제2 영역 (2b)의 태양 전지 (1a)에 대한 접착력보다 작은 것을 특징으로 한다. 이와 같이, 제1 영역 (2a)와 태양 전지 (1a)의 접착력을 제2 영역 (2b)와 태양 전지 (1a)의 접착력보다 작게 하기 위해서는, 상술한 태양 전지 모듈 (10)의 제조 공정에서 이하와 같은 방법을 이용할 수 있다.
(1) 앵커 효과의 이용
태양 전지 (1a)의 광 입사면에서의 표면적이 이면에서의 표면적보다 작아지도록 이면에 요철 형상을 형성한다. 이에 따라, 제1 영역 (2a)와 태양 전지 (1a)의 계면에서 생기는 앵커 효과는, 제2 영역 (2b)와 태양 전지 (1a)의 계면에서 생기는 앵커 효과보다 작아진다. 따라서, 제1 영역 (2a)와 태양 전지 (1a)의 접착력을, 제2 영역 (2b)와 태양 전지 (1a)의 접착력보다 작게 할 수 있다.
구체적으로, 상기 스텝 101에서는, n형 단결정 규소 기판에 반응성 이온 에칭(RIE) 등을 이용하여 ClF3 등의 에칭 가스에 의해 표면 처리를 실시한다. 해당 n 형 단결정 규소 기판을 이용하여 태양 전지 (1a)를 제조함으로써, 태양 전지 (1a)의 광 입사면에서의 표면적을, 상기 태양 전지의 이면에서의 표면적보다 작게 할 수 있다.
(2) 접착력을 향상시키는 표면 처리
태양 전지 (1a)의 이면에는, 제2 영역 (2b)와 태양 전지 (1a)의 접착력을 향상시키기 위한 표면 처리를 실시한다. 한편, 광 입사면에는 해당 표면 처리를 실시하지 않는다. 이에 따라, 제1 영역 (2a)와 태양 전지 (1a)의 접착력을, 제2 영역 (2b)와 태양 전지 (1a)의 접착력보다 작게 할 수 있다.
구체적으로는 상기 스텝 101에 의해 제조된 태양 전지 (1a)의 이면에 이하에 나타낸 어느 하나의 표면 처리를 실시한다.
플라즈마 처리: 주로 아르곤 가스나 산소 가스 등을 대기 중에서 플라즈마화하고, 태양 전지 (1a)의 이면에 불어넣음으로써 이면에 수산기를 형성한다.
코로나 방전 처리: 코로나 방전을 태양 전지 (1a)의 이면 근방에서 발생시키고, 이면을 활성화된 라디컬 상태로 함으로써, 표면에 수산기가 형성되도록 촉진한다.
UV 조사 처리: 고압 수은 램프, 메탈 할라이드 램프 등의 자외선(파장 200 내지 300 nm)을 태양 전지 (1a)의 이면에 조사함으로써, 유기 물질 등의 오염 물질을 제거함과 동시에 표면을 활성화시키고, 표면에 수산기가 형성되도록 촉진한다.
(3) 접착력을 향상시키는 하도제의 도포
제2 영역 (2b)와의 접착력을 향상시키는 하도제를 태양 전지 (1a)의 이면에 도포하는 한편, 광 입사면에는 해당 하도제를 도포하지 않는다. 이에 따라, 제1 영역 (2a)와 태양 전지 (1a)의 접착력을, 제2 영역 (2b)와 태양 전지 (1a)의 접착력보다 작게 할 수 있다.
구체적으로는, 상기 스텝 102에 의해 제조된 태양 전지 스트링스 (1)을 구성하는 각 태양 전지 (1a)의 이면에, 제2 영역 (2b)와의 접착력을 향상시키는 하도 제를 이용하여 분무법 등에 의한 프라이머 처리를 실시한다. 이러한 하도제로서 에폭시 수지, 페놀 화합물, 실란 화합물 등을 이용할 수 있다. 또한, 이러한 프라이머 처리는, 상기 스텝 101에 의해 제조된 태양 전지 (1a)에 대하여 행할 수도 있다. 이 경우, 하도제가 절연성일 때에는 광 입사면측 집전 전극 (7a) 중 배선재 (5)가 접속되는 부분에 마스킹을 실시한다.
(4) 접착력을 향상시키는 첨가제 삽입 밀봉재의 사용
상기 스텝 103에서, 제2 영역 (2b)에 사용하는 밀봉제로서, 태양 전지 (1a)와의 접착력을 향상시키는 첨가제 삽입 밀봉재를 준비한다. 한편, 제1 영역 (2a)에 사용하는 밀봉제로서, 해당 첨가제가 상대적으로 적거나 또는 들어있지 않은 밀봉재를 준비한다. 이러한 밀봉재를 사용함으로써, 제1 영역 (2a)와 태양 전지 (1a)의 접착력을, 제2 영역 (2b)와 태양 전지 (1a)의 접착력보다 작게 할 수 있다.
구체적으로는, 상기 첨가제 삽입 밀봉재는 밀봉재 재료와 상기 첨가제를 실린더 배럴 가열로에 넣어 용융 상태로 하고, 구금으로부터 압출함으로써 시트화된다.
(5) 수산기와 공유 결합을 형성하는 관능기의 밀도를 조정한 밀봉재의 사용
상기 스텝 103에서, 제2 영역 (2b)에 사용하는 밀봉제로서, 태양 전지 (1a)의 표면에 존재하는 수산기와 공유 결합을 형성하는 관능기의 밀도가 큰 밀봉재를 준비한다. 한편, 제1 영역 (2a)에 사용하는 밀봉제로서, 해당 밀도가 작은 밀봉재를 준비한다. 이러한 밀봉재의 경우, 무기 재료와 공유 결합이나 수소 결합을 형성하는 측쇄나 주쇄의 밀도가 제2 영역 (2b)에서 크다. 따라서, 이러한 밀봉재를 사용함으로써, 제1 영역 (2a)와 태양 전지 (1a)의 접착력을 제2 영역 (2b)와 태양 전지 (1a)의 접착력보다 작게 할 수 있다.
구체적으로는, 이러한 밀봉재는 실란 커플링제를 실란올 축합 촉매나 그래프트화 반응 촉매 등을 이용하여 실란올기를 도입하는 방법, 실란 커플링제의 유기 관능기와 반응 가능한 유기 관능기를 갖는 유기 수지와 실란 커플링제를 화학 반응에 의해 결합시키는 방법, 실란 커플링제와 공중합 가능한 수지의 측쇄에 반응시키는 방법 등에 의해 제조할 수 있다.
<작용 및 효과>
본 실시 형태에 따르면, 이러한 구성을 가짐으로써 광의 입사 방향 차이에서 기인하는 장시간 사용 후의 특성 저하를 억제하고, 신뢰성이 향상된 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다. 그 이유를 이하에 상술한다.
표 1은 태양 전지 모듈을 구성하는 주요 부재의 선팽창 계수를 나타내는 특성표이다. 밀봉재에서는 주요 재료인 EVA 수지의 값이 나타난다. 또한, 태양 전지로서, 일반적으로 사용되는 재료인 규소의 값이 나타난다. 또한, 이면 필름으로서 PET 필름의 값이 기입되어 있다.
표 1에 나타낸 바와 같이, 선팽창 계수는 밀봉재>PET 필름>구리>유리≒규소의 관계이다. 또한, 태양 전지 모듈을 구성하는 부재 중에서, 밀봉재의 선팽창 계수와 규소의 선팽창 계수의 차이가 가장 크다는 것을 알 수 있다.
따라서, 모듈화 공정에서 열팽창한 각 구성 부재의 수축 정도는, 선팽창 계수가 큰 밀봉재가 가장 크고, 선팽창 계수가 작은 규소 재료를 포함하는 태양 전지가 가장 작다.
종래의 태양 전지 모듈 (100)의 제조 시점에서는, 도 1에 나타낸 바와 같이 태양 전지 (101)의 광 입사면에 걸리는 응력 (a)와 이면에 걸리는 응력 (b)가 대략 동일하다. 그러나, 태양광을 수광한 상태에서는, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 태양 전지 (101)의 광 입사면측의 밀봉제가 연화ㆍ팽창하는 것에 기인하여 응력 (a)와 응력 (b)의 균형이 무너지고, 태양 전지 (101)의 변형이 발생한다. 그 결과, 집전 전극 (106)에 손상이 축적되고, 태양 전지 모듈 (100)의 신뢰성이 저하된다. 또한, 이상의 태양 전지 모듈의 출력 저하는 실리콘 웨이퍼가 얇아짐에 따라 보다 발생하기가 쉬워진다.
한편, 본 실시 형태에 따른 태양 전지 모듈 (10)에 따르면, 밀봉재 (2)의 제1 영역 (2a)의 태양 전지 (1a)에 대한 접착력이, 밀봉재 (2)의 제2 영역 (2b)의 태양 전지 (1a)에 대한 접착력보다 작다. 즉, 제1 영역 (2a)는 태양 전지 (1a)의 광 입사면에 작은 접착력으로 접착되어 있기 때문에, 제1 영역 (2a)의 부피 변화가 태양 전지 (1a)의 광 입사면에 미치는 영향력이 작다. 따라서, 태양광을 수광한 상태에 있어서, 제1 영역 (2a)가 연화ㆍ팽창하더라도 제1 영역 (2a)가 태양 전지 (1a)의 광 입사면에 미치는 영향력이 작기 때문에, 광 입사면에 걸리는 응력 (a)와 이면에 걸리는 응력 (b)의 균형이 유지된다. 환언하면, 제1 영역 (2a)는 내부 응력 (a)를 유지한 상태로 태양 전지 (1a)의 광 입사면에서 어긋나기 때문에, 광 입사면에 걸리는 응력 (a)와 이면에 걸리는 응력 (b)의 균형이 제조시의 상태로 유지된다. 그 결과, 태양 전지 (1a)를 광 입사면측에 대하여 볼록해지도록 변형시키고자 하는 힘이 완화되고, 광 입사면측 집전 전극 (7a)에 가해지는 스트레스가 약해지게 되므로, 집전 전극의 접촉 저항의 증가 또는 박리를 억제할 수 있다.
구체적으로는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 태양 전지 모듈 (10)에 따르면, 태양광이 입사하는 경우라도 태양 전지 (1a)의 광 입사면에 걸리는 응력 (a)와 이면에 걸리는 응력 (b)의 크기 균형이 균등하게 유지되어 있다(도 10(A) 참조). 또한, 태양광이 입사함으로써 제2 영역 (2b)가 팽창한 경우에는, 태양 전지 (1a)가 이면측에 볼록해질 수 있다(도 10(B) 참조). 이 경우, 이면 전극 (7b)는 광 입사면측 집전 전극 (7a)에 비하여, 광전 전환부 (6)과의 접착 면적을 크게 함으로써 접착력을 강하게 할 수 있기 때문에, 도 9(B)에 나타낸 바와 같이 태양 전지 (1a)가 이면측에 볼록해지도록 변형되었더라도 이면 전극 (7b)에 대한 손상은 작다.
이와 같이 본 실시 형태에 따른 태양 전지 모듈 (10)에 따르면, 광 입사면측에 설치된 집전 전극에 축적되는 손상을 억제하여, 신뢰성의 향상을 가능하게 하는 태양 전지 모듈 (10) 및 태양 전지 모듈 (10)의 제조 방법을 제공할 수 있다.
<그밖의 실시 형태>
본 발명을 상기 실시 형태에 의해 기재했지만, 이 개시의 일부를 이루는 논술 및 도면이 본 발명을 한정하는 것이라고 이해해서는 안된다. 이 개시로부터 여러가지 대체 실시 형태, 실시예 및 운용 기술이 당업자에게 명확해질 것이다.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는 이면 전극 (7b)를 광전 전환부 (6)의 이면 전면에 접착했지만, 광전 전환부의 일부를 노출하도록 접착할 수도 있으며, 광 입사면측 집전 전극 (7a)와 동일한 빗 형상으로 형성할 수도 있다.
또한, 상기 실시 형태에서는 태양 전지의 광 입사측 및 이면측의 밀봉재 모두를 단층 구조로 했지만, 이것으로 한정되지는 않으며, 광 입사측 또는 이면측 중 어느 한쪽의 밀봉재를 2층 이상의 구조로 할 수도 있다. 또는, 광 입사측 및 이면측의 밀봉재를 모두 2층 이상의 구조로 할 수도 있다. 도 9는 제1 영역 (2a)의 광 입사면에 제3 영역 (2c)를 구비하며, 제2 영역 (2b)의 이면에 제4 영역 (2d)를 구비하는 태양 전지 모듈 (10)의 분해 단면도이다. 도 9에 나타낸 태양 전지 모듈 (10)에 있어서도, 제1 영역 (2a)와 태양 전지 (1a)의 접착력이 제2 영역 (2b)와 태양 전지 (1a)의 접착력보다 작다. 한편, 제3 영역 및 제4 영역을 형성하기 위한 밀봉 재료는, 상술한 EVA나 PVB 등의 수지 재료 단독 또는 이들의 조합으로부터 선택할 수 있다. 이 경우에도 상기 실시 형태와 동일한 효과를 발휘한다.
이와 같이, 본 발명은 여기서는 기재하지 않은 여러가지 실시 형태 등을 물론 포함한다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 상기 설명으로부터 타당한 특허 청구 범위에 따른 발명 특정 사항에 의해서만 정해진다.
<실시예>
이하, 본 발명에 따른 태양 전지 모듈에 대하여, 실시예를 들어 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예에 나타낸 것으로 한정되는 것이 아니며, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 적절하게 변경하여 실시할 수 있다.
<접착력을 향상시키는 첨가제와 접착력과의 관계>
우선, 접착력을 향상시키는 첨가제와 접착력의 관계에 대하여 조사하였다. 충전재로서 EVA 수지를 사용하고, 접착력 향상을 위한 첨가제로서 비닐 트리클로로실란(실란 커플링제)을 사용하였다.
사용한 EVA 수지는 에틸렌 비닐:아세트산 비닐=7:3(중량％비)이며, 가교제로서의 디메틸헥산(2 중량％; EVA 수지에 대한 비율), 가교 보조제로서의 트리알릴이소시아누레이트(3 중량％; EVA 수지에 대한 비율), 안정제로서의 히드로퀴논(1 중량％; EVA 수지에 대한 비율)이 포함되어 있으며, 0.6 mm 두께의 시트상으로 성형되어 있다.
이들 수지와 함께 배합하는 실란 커플링제의 EVA 수지에 대한 배합량을 0.5 중량％, 2 중량％, 5 중량％로 변화시켜 시료 EVA-1, 시료 EVA-2, 시료 EVA-3을 제조하였다. 또한, 시료 EVA-1 내지 3의 접착력을 이하의 방법으로 평가하였다.
우선, 크기가 10 cm2, 두께가 약 4 mm인 유리 상에 스퍼터링법에 의해 두께 약 1000 Å의 ITO막을 형성하였다. 이어서, 라미네이트 장치의 재치대 상에 상기 유리판을 ITO막을 위쪽으로 하여 얹고, 그 위에 상술한 EVA-1 내지 3 중 어느 하나의 시트, 두께 약 188 ㎛의 PET 필름을 순서대로 얹고, 라미네이트 공정을 거쳐 일체화시켰다.
이어서, 상기 적층체에 PET 필름측으로부터 EVA 필름에 대하여, ITO막과의 계면에 도달할 때까지 5 mm 폭×5 cm 길이의 직사각형의 이음매를 넣었다. 이어서, 이음매의 단부로부터 PET 필름 및 EVA층을 동시에 들어올려 EVA층이 ITO막으로부터 박리될 때의 인장 강도를 측정하였다.
EVA가 ITO막으로부터 박리될 때의 인장 강도는, 도 11에 나타낸 장치를 이용하여 EVA와 PET의 단부를 수직으로 벌리는 방향으로 인장함으로써 측정하였다. 구체적으로는, 상기 적층체를 유리판을 하측으로 하여 박리 강도 측정기 (60)의 시료대(도시되지 않음) 상에 고정함과 동시에, 클립 (61)에 의해 적층체의 PET 필름 및 EVA층을 끼운다(도시되지 않음). 그 후, 박리 강도 측정기 (60)의 핸들 (62)를 돌림으로써 클립 (61)이 인장되기 때문에, 박리 강도 측정기 (60)의 게이지 (63)에 표시되는 박리 강도의 최대치를 측정함으로써 접착력을 측정하였다.
시료 EVA-1, 시료 EVA-2, 시료 EVA-3의 각각을 이용한 경우의 실험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
표 2에 나타낸 바와 같이, 실란 커플링제의 양이 증가함과 동시에 접착력이 향상되는 것을 확인하였다.
<실시예 및 비교예의 제조>
이어서, 이들 시료 중, 시료 EVA-1과 시료 EVA-3을 사용하여 태양 전지 모듈을 제조하였다. 구체적으로는, 태양 전지의 광 입사측 밀봉재에는 접착력이 150 g인 EAV-1을 사용하고, 태양 전지의 이면측 밀봉재에는 접착력이 350 g인 EVA-3을 사용하여 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 제조하였다.
또한, 비교예 1로서 태양 전지의 광 입사측 및 이면측의 밀봉재로서 모두 EVA-3을 사용하여 제조한 모듈을 제조하였다. 또한, 비교예 2로서, 태양 전지의 광 입사측 밀봉재에는 EVA-3을 사용하고, 이면측 밀봉재에는 EVA-1을 사용하여 제조한 모듈을 제조하였다. 또한, 태양 전지로는, n형의 단결정 규소와 p형의 비정질 규소로 구성되는 pn 접합을 갖고, 사이에 얇은 i형의 비정질 규소층을 삽입시킨 HIT(등록 상표) 구조의 태양 전지를 사용하였다.
<온도 사이클 시험>
상술한 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 태양 전지 모듈에 대하여, 항온조를 이용하여 다음에서 설명하는 사이클 시험을 행하여, 시험 전후의 태양 전지 모듈의 출력을 비교하였다.
출력비(시험 후의 모듈 특성/시험 전의 모듈 특성)의 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 표 3의 출력비는 온도 사이클 시험 전후의 모듈 출력비(모듈 출력 전력의 최대치비)이다.
또한, 온도 사이클 시험은 JIS C 8917의 규정에 준하여 행하였다. 항온조의 컨트롤러에 프로그래밍된 온도 조건 변화의 그래프를 도 12에 나타내었다. 구체적으로는, 각 샘플을 항온조 내에 유지하고, 도 12와 같이 45 분간 25 ℃에서부터 90 ℃까지 상승시켜 이 온도에서 90 분간 유지하고, 이어서 90 분간 -40 ℃까지 강하시켜 이 온도에서 90 분간 유지하고, 또한 45 분간 25 ℃까지 상승시킨다. 이것을 1 사이클(6 시간)로 한다. 이 온도 사이클 시험을 200 사이클 실시하였다. 온도 사이클 시험을 행하여 이면측 보호 부재의 접착력 측정 등을 행하였다. 또한, 본 실시 형태에서는 온도 변화의 영향을 보다 상세하게 검토하기 위해, 200 사이클로 규정되어 있는 시험을 600 사이클까지 연장하여 실험을 행하였다.
표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 모듈의 출력비가 가장 높고, 온도 사이클 시험 후에도 가장 높은 모듈 출력을 갖는다는 것을 알았다.
한편, 태양 전지의 광 입사측 및 이면측의 밀봉재를 동일한 접착력의 밀봉재로 제조한 비교예 1, 및 광 입사측 밀봉재쪽을 이면측 밀봉재보다 큰 접착력의 밀봉재를 사용하여 제조한 비교예 2에서는 모두 실시예보다 작은 출력비만 얻을 수 있었다.
이상의 결과로부터, 광 입사측 밀봉재의 태양 전지에 대한 접착력을 이면측 밀봉재의 태양 전지에 대한 접착력보다 작게 함으로써, 집전 전극에 축적되는 손상의 영향을 감소시킨 태양 전지 모듈을 제공할 수 있음을 알았다.
본 발명에 따르면, 광 입사면측에 설치된 집전 전극에 축적되는 손상으로 인한 영향을 감소시킨 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다.
Claims (7)
- 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면(裏面)측 지지 부재를 구비하고,상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며,상기 제1 영역의 상기 태양 전지에 대한 접착력은, 상기 제2 영역의 상기 태양 전지에 대한 접착력보다 작은 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
- 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고,상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며,상기 제1 영역 및 제2 영역은, 동일한 밀봉용 수지 재료를 포함함과 동시에, 상기 태양 전지와의 접착력을 향상시키는 첨가제를 포함하고,상기 제1 영역에 포함되는 상기 첨가제의 양은, 상기 제2 영역에 포함되는 상기 첨가제의 양보다 적은 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
- 제2항에 있어서, 상기 첨가제가 실란 커플링제인 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
- 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고,상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며,상기 태양 전지는 광 입사면 및 이면에 수산기를 갖고,상기 수산기와 공유 결합 또는 수소 결합을 형성하는 관능기의 상기 제1 영역에서의 밀도는, 상기 관능기의 상기 제2 영역에서의 밀도보다 작은 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
- 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고,상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며,상기 태양 전지의 이면에는, 상기 제2 영역과의 접착력을 향상시키는 하도제가 도포되어 있는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
- 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고,상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며,상기 태양 전지는 광 입사면 및 이면에 수산기를 갖고,상기 태양 전지의 광 입사면에서의 수산기의 밀도는, 상기 태양 전지의 이면에서의 수산기의 밀도보다 작은 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
- 광 입사측 지지 부재, 밀봉재, 상기 밀봉재 중에 밀봉된 태양 전지, 및 이면측 지지 부재를 구비하고,상기 밀봉재는 상기 태양 전지의 광 입사면에 접하는 제1 영역과, 상기 태양 전지의 이면에 접하는 제2 영역을 포함하며,상기 태양 전지의 광 입사면에서의 표면적은, 상기 태양 전지의 이면에서의 표면적보다 작은 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.
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