KR101320140B1 - 태양전지 모듈용 봉지재 조성물 및 이를 사용한 태양전지 모듈 - Google Patents

태양전지 모듈용 봉지재 조성물 및 이를 사용한 태양전지 모듈 Download PDF

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김성진
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천종훈
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Abstract

본 발명은 태양전지 모듈용 봉지재 조성물 및 이를 사용한 태양전지 모듈에 관한 것으로, 상기한 본 발명의 태양전지 모듈용 봉지재 조성물은 폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 고분자, 유기과산화물 및 다음 구조식 1의 올리고머인 광안정제가 혼합되어 된 것임을 특징으로 한다:
<구조식 1>
Figure 112013033374930-pat00006

상기 구조식 1에서, R1, R2, R3, R4, 및 R5는 수소(H) 또는 C1 내지 C8 알킬이고,
R6, R7, 및 R8은 수소(H) 또는 C1 내지 C3 알킬이고,
R9는 C1 내지 C24 알킬이고,
n은 분자량 2000 내지 10000g/mol을 만족시키는 정수임.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 태양전지 모듈용 봉지재 조성물은 특정한 안정화제의 사용을 통하여 이를 사용하여 제조된 봉지재는 전기절연성이 월등하게 향상되어 지는 것으로, 본 발명에 따른 봉지재가 태양전지 모듈에 사용되었을 때, 고온다습한 환경에서 지속적으로 노출되더라도 봉지재 자체의 열화는 물론, 태양전지의 급격한 출력 저하를 효과적으로 막을 수 있어 종래의 문제점을 해결한다.

Description

태양전지 모듈용 봉지재 조성물 및 이를 사용한 태양전지 모듈{Encapsulation composition for a solarcell module and the solarcell module using the same}
본 발명은 태양전지 모듈용 봉지재 조성물 및 이를 사용한 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 발전용 태양전지 모듈을 사용할 때 고온다습한 환경에서 발생할 수 있는 효율 저하(PID 현상)를 막기 위해서, 전기절연성을 높인 태양전지 모듈용 봉지재와 이를 사용하여 제작된 태양전지 모듈로써, 태양전지 모듈에서 발생할 수 있는 누설전류를 셀의 열화를 막아 고온다습한 환경에서의 장시간 사용시에도 모듈의 발전 효율 저하를 억제할 수 있는, 태양전지 모듈용 봉지재 조성물 및 이를 사용한 태양전지 모듈에 관한 것이다.
현재까지 주에너지 원으로 사용되고 있는 화석 에너지 및 원자력 에너지 등은 그 자원의 유한성으로 인해 사용기간이 제한되고, 환경오염 등의 문제점이 지속적으로 지적되고 있어 이에 대한 대체 에너지의 개발이 절실한 상황이다. 화석 에너지는 이산화탄소 등의 온실가스 및 각종 유해 가스를 발생시켜, 그 유해성에 대한 우려가 높아져 가고 있으며, 특히 제한된 매장량으로 지속적인 사용이 불가능하다는 현실적인 문제에 봉착되고 있다. 한편, 근년 들어 새로운 대안으로 생각되는 원자력 에너지 역시 자원의 고갈이라는 점에서는 자유로울 수 없으며, 원료 및 생성 물질에서 발생하는 방사능은 사용 후 재처리 및 그 보관성에 있어 큰 어려움을 야기하고 있다.
이러한 에너지원의 문제점에 따라 지속적인 대체 에너지원의 요구가 있었고, 최근 풍력, 지열, 태양 에너지 등이 그 가능성을 인정받고 있다. 특히, 태양광 에너지 및 태양열 에너지의 경우 설치 위치에서 비교적 자유롭고, 공급의 무한성으로 가장 높은 성장 가능성을 평가받고 있다. 세계 각국의 지원책에 의해 태양 에너지를 이용한 발전은 급격한 성장세를 보이고 있으며, 그 중에서도 사용이 간편한 태양광 발전 모듈 산업은 매년 급격한 성장을 이어 가고 있다.
태양전지는 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전기 소자로서, 실리콘계 재료를 이용한 다결정 및 단결정 셀이 존재하며, 그외 무기 및 유기물을 이용한 다양한 형태가 존재한다. 이러한 태양전지 셀은 태양전지 셀들이 수 장 내지 수십 장이 연결되며, 장기간에 걸친 사용에도 파손되지 않도록 하는 봉지재(Encapsulant), 표면 보호 유리, 백시트(Backsheet, 후면보호필름)를 적층하여 구성된 태양전지 모듈의 형태가 일반적으로 사용된다. 이렇게 구성되는 태양전지 모듈은 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 전기에너지를 변환시키는 태양전지 셀과 그 보호 부재로 구성이 되어 있다. 특히, 실리콘계 태양전지의 일반적인 모듈화 과정을 살펴보면, 빛을 투과시킴과 동시에 보호를 위한 표면유리와 이면 측 보호 부재인 백시트 사이에 셀을 위치시키며, 이때 셀의 보호 및 유리와 후면 보호 필름과의 접착을 위해 봉지재가 사용된다. 보다 자세하게는 표면유리, 봉지재 시트, 태양전지 셀, 봉지재 시트, 후면 보호 필름의 순서대로 적층을 하고, 고온에서 봉지재 시트가 완전히 용융되어 고분자의 충분한 이동성이 확보된 상태에서 상하 방향에서의 가압 및 탈기로 진행되는 라미네이션공정을 거쳐 모듈화가 진행된다. 이러한 태양전지 모듈에 있어, 예를 들어 대한민국 특허공개공보 제2009-0035971호는 상기 기술된 표면유리, EVA 봉지재, 셀, EVA 봉지재, 백시트 적층 구조의 태양전지 모듈 구성을 서술하고 있다.
하지만 상기한 종래의 태양전지 모듈을 포함한 일반적 구성의 태양전지 모듈은 외부에서 장기간 사용되므로, 여러 가지 외부 자극에 의한 성능 저하 등의 문제가 지속적으로 관찰되고 있다. 특히, 고출력을 얻기 위해 다수의 태양전지 모듈을 연결하여 약 1,000V 혹은 그 이상의 시스템 전압을 얻는 대용량 발전형 모듈 어레이에 있어, 고온다습한 환경에 태양전지 모듈들이 지속적으로 노출될 경우, 모듈 간 전위차가 존재한 상태에서 누설전류가 발생하여 급격한 발전효율 저하의 현상이 자주 관찰되고 있다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 여러 가지 방법들이 제안되고 있는데, 그 주된 방법으로서는 셀 표면의 절연막 개질 및 구조 변경을 통한 셀에의 영향 최소화와 봉지재의 체적저항 증가를 통한 누설 전류 억제 등을 개시하고 있을 뿐으로, 이들 방안 보다 실질적인 방안의 제시가 요구되고 있다.
특히, 상기한 종래의 방법들 중에서 봉지재의 체적 저항 증가는 사용되는 원료 및 첨가제의 제한으로 인하여 매우 어려운 것이 현실이다. 시장에서 가장 많이 사용되는 에틸렌 비닐 아세테이트(Ethylene vinyl acetate; EVA) 공중합체 봉지재는 원료 자체 내에 포함하고 있는 비닐 아세테이트(Vinyl acetate; VA)가 체적저항을 감소시키는 역할을 하며, 제막 공정의 한계 및 광학 특성으로 인해 그 함량이 26 내지 33%로 정해져 있어, 개선의 여지가 적다는 문제가 있으며, 사용되는 첨가제 역시 체적저항을 일정 부분 감소시키는 역할을 하여, 봉지재의 요구 물성을 만족시키면서 저항이 증가할 수 있는 배합 비율 조정을 통해 시도되고 있으나 만족스럽지 못하였다. 그 하나의 예로서, 대한민국 특허공개공보 제2013-0007681호는 무기물 입자를 첨가해 전기절연성을 강화한 방법을 제시하고 있으나, 이는 광학 물성의 저하를 야기하여 PID 현상이 일어나는 셀 전면에의 사용이 불가하여, 실제 적용이 어렵다는 단점이 있다.
특허문헌 1: 대한민국 특허공개공보 제2009-0035971호 특허문헌 2: 대한민국 특허공개공보 제2013-0007681호
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 있어서의 기술적 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 주요 목적은 외부의 극한 환경, 특히 고온 다습한 환경에서의 태양전지 열화를 막아 출력의 급락을 방지할 수 있도록 전기 절연성을 강화한 새로운 봉지재 조성물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 특성을 갖는 봉지재 조성물을 사용하여 제조한 봉지재를 포함하는 태양전지 모듈을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한 상기한 명확한 목적 이외에 이러한 목적 및 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양전지 모듈용 봉지재 조성물은;
폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 고분자, 유기과산화물 및 다음 구조식 1의 올리고머인 광안정제가 혼합되어 된 것임을 특징으로 한다:
<구조식 1>
Figure 112013033374930-pat00001
상기 구조식 1에서, R1, R2, R3, R4, 및 R5는 수소(H) 또는 C1 내지 C8 알킬이고,
R6, R7, 및 R8은 수소(H) 또는 C1 내지 C3 알킬이고,
R9는 C1 내지 C24 알킬이고,
n은 분자량 2000 내지 10000g/mol을 만족시키는 정수임.
본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 고분자는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 공중합체임을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 광안정화제는 폴리올레핀 계열의 고분자 100 중량부에 대해 0.01 내지 5 중량부의 비율로 혼합됨을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 광안정화제는 그 융점이 50 내지 150℃ 내에 존재하는 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 유기과산화물은 폴리올레핀 계열의 고분자 100 중량부에 대하여 0.1 내지 2.0 중량부의 비율로 혼합됨을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 봉지재 조성물은 가교조제, 접착보조제인 실란커플링제와 빛 및 열과 같은 외부 충격의 열화를 방지하는 UV 흡수제, 광안정제, 산화방지제에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 가교조제는 그 혼합 비율에 있어 폴리올레핀 계열의 고분자 100 중량부에 대하여 0.2 내지 2.0 중량부의 비율로 투입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 공중합체는 비닐 아세테이트(VA) 함량이 15 내지 40 중량%이고, 용융지수(190℃, 2.16kg)가 1 내지 50g/10분인 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양전지 모듈용 봉지재는;
폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 고분자, 유기과산화물 및 상기 구조식 1의 올리고머인 광안정제가 혼합되어 된 태양전지 모듈용 봉지재 조성물을 두께가 0.3 내지 0.9mm로 되는 시트의 형태로 성형된 것임을 특징으로 한다.
상기 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양전지 모듈은;
폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 고분자, 유기과산화물 및 상기 구조식 1의 올리고머인 광안정제가 혼합되어 된 태양전지 모듈용 봉지재 조성물을 두께가 0.3 내지 0.9mm로 되는 시트의 형태로 성형된 봉지재가 사용된 것임을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 태양전지 모듈용 봉지재 조성물은 특정한 안정화제의 사용을 통하여 이를 사용하여 제조된 봉지재는 전기절연성이 월등하게 향상되어 지는 것으로, 본 발명에 따른 봉지재가 태양전지 모듈에 사용되었을 때, 고온다습한 환경에서 지속적으로 노출되더라도 봉지재 자체의 열화는 물론, 태양전지의 급격한 출력 저하를 효과적으로 막을 수 있어 상기한 문제점을 해결한다. 보다 자세하게는, 지속적으로 노출되는 고온다습의 환경에서 직렬로 연결된 태양전지 모듈에 큰 전압이 인가되었을 때에도, 본 발명에 따른 봉지재는 셀과 모듈부재와의 전기절연성을 크게 향상시키며 수분의 침투를 억제하여 모듈에서 발생할 수 있는 누설전류를 차단할 수 있으며, 따라서 이러한 결과로 혹독한 외부 환경에서도 태양전지 모듈을 출력저하 없는 장시간의 사용을 가능하게 한다.
도 1은 본 발명에 따른 봉지재를 포함하는 태양전지 모듈의 통상적인 구조를 개략적으로 도시한 개략도이다.
이하, 본 발명을 첨부도면을 참고로 하여 바람직한 실시형태에 의해 보다 자세하게 설명하나, 이는 본 발명의 설명을 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 봉지재를 포함하는 태양전지 모듈의 통상적인 구조를 개략적으로 도시한 개략도로, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에서 제시하는 태양전지 모듈의 구성은 표면유리(1), 전면 봉지재 시트(2), 태양전지 셀(4), 후면 봉지재 시트(2), 백시트(3)의 적층 구조를 갖는다.
본 발명의 봉지재 시트에는 투명성, 유연성을 고려하여 변성 폴리에틸렌(Polyethylene) 혹은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)를 사용할 수 있으나, 더욱 바람직하게는 태양전지 모듈에 사용시 투명성 확보를 위해서는 EVA를 사용하며, EVA는 비닐 아세테이트의 함량이 20 내지 40 중량%인 것이 특히 바람직하다. 또한 190℃, 2160kg의 하중에서의 용융지수(Melt Flow Rate)가 1.0 내지 50g/10분인 것이 바람직하다. 또한, 가교를 위한 유기과산화물과 가교 반응시의 속도 및 가교밀도를 조절해주는 가교조제, 그리고 유리와의 접착성을 위한 접착보조제가 첨가될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 핵심 안정화제로써 전기 절연성이 우수한 안정화제를 포함하며, 그외 UV 흡수제, 광안정제, 산화방지제를 용도에 맞게 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 본 발명의 봉지제 조성물에서는 전기 절연성을 높이기 위한 핵심 안정화제로서 하기 구조식 1의 물질을 반드시 사용하며, 그 사용량에 있어서 주원료인 사용 수지 100 중량부에 대하여 0.01 내지 5 중량부를 첨가할 수 있다:
<구조식 1>
Figure 112013033374930-pat00002
상기 구조식 1에서, R1, R2, R3, R4, 및 R5는 수소(H) 또는 C1 내지 C8 알킬이고,
R6, R7, 및 R8은 수소(H) 또는 C1 내지 C3 알킬이고,
R9는 C1 내지 C24 알킬이고,
n은 분자량 2000 내지 10000g/mol을 만족시키는 정수임.
상기 본 발명에 따른 안정화제는 수지와의 상용성이 높아 분산성이 우수하며, 시트의 발수성을 증가시키고, 빛 혹은 열에 의한 고분자의 열화를 억제하는 동시에, 시트로 제막되거나 태양전지 모듈에 봉지재로 사용이 되었을 때, 높은 체적저항으로 상술한 고온다습한 환경에서의 태양전지 모듈의 열화를 막는 역할을 효과적으로 수행한다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 <구조식 1>의 핵심 안정화제의 분자량이 2000g/mol 이하이면 충분한 체적저항 향상 효과를 나타내지 못하며, 10000 g/mol 이상이면 수지와의 상용성이 감소하게 되어 바람직하지 않다.
본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 본 발명의 태양전지 모듈용 봉지재 시트에 가교제로 사용되는 유기과산화물은 2,2-디(t-부틸퍼옥시)부탄, t-부틸-퍼옥시 아이스프로필벤젠, 1,1-디-(t-아밀퍼옥시)사이클로헥산, t-부틸 퍼옥시-2-에틸헥실 카보네이트, t-아밀(2-에틸헥실)모노퍼옥시 카르보네이트, t-부틸퍼옥시 아세테이트, t-아밀퍼옥시-2-에틸헥사노에이트, 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산, t-부틸퍼옥시-2-에틸헥사노에이트 중에서 선택되는 1종 내지 2종을 사용할 수 있다. 과산화물의 사용량에 있어서는 EVA의 경우, 수지 투입량 100 중량부에 대해여 총 투입 중량부가 0.1 내지 2 중량부를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 봉지재 조성물은 상기 유기과산화물 외에 봉지재 시트의 성형 및 특성 향상을 위해 필요에 따라 각종 첨가제를 첨가할 수 있다. 이와 같은 첨가제로서는 예를 들어 가교를 돕는 가교조제 및 실란커플링제를 들 수 있다.
가교조제는 가교율을 향상시키고, 가교속도의 조절을 위해 사용할 수 있는 것으로, 이 목적으로 제공되는 가교조제는 트리알릴 아이소시아누레이트 (Triallyl isocyanurate), 트리메티롤프로판 트리메타아크릴레이트 (Trimethylolpropane trimethacrylate)를 들 수 있다. 가교조제는 EVA를 주원료로 사용하였을 때, 수지 투입량에 대하여 0.1 내지 2 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
접착보조제로 사용되는 실란커플링제로는 비닐기, 아크릴록시기, 메타아크릴록시기와 같은 불포화기, 아미노기, 에폭시기 등과 함께, 알콕시기와 같은 가수분해가 가능한 관능기를 갖는 화합물을 들 수 있다. 실란 커플링제로서 구체적으로는 비닐트리에톡시 실록산, 비닐트리메톡시 실록산, γ-메타아크릴록시 프로필트리에톡시 실록산 등을 예시할 수 있다. 또한, 실란 커플링제는 EVA를 주원료로 사용하였을 경우에 수지 투입량 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1.5 중량부를 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 첨가제들 외에 태양전지 모듈용 봉지재 시트는 필요에 따라 자외선 흡수제, 광안정제, 산화방지제와 같이 빛 내지 열 등에 의한 열화를 막기 위해 선택된, 빛 및 열에 대응하는 안정화제를 함께 투입하여 성형할 수 있다. 보다 상세하게는 자외선 노출에 따른 열화를 방지하기 위한 UV 흡수제, 외부의 열 및 빛 충격으로부터의 열화를 막기 위한 광안정제인 HALS(Hindered Amine Light Stabilizer), 산화방지제 등이 그 예이다.
함께 사용될 수 있는 UV 흡수제에 있어, 특별한 제한은 없으나, 시트를 제조하는 공정상에 있어 용융상태의 수지에 잘 혼합되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 예로는 벤조페논계 UV 흡수제 혹은 벤조 트리아졸계 UV흡수제를 들 수 있으며 이들 1종 이상 사용할 수 있다. 상기 벤조페논계 UV흡수제에 있어 구체적인 예로서는 2-히드록시-4-엔-옥틸옥시벤조페논 (2-hydroxy-4-N-octyloxybenzophenone), 2-히드록시-4-메톡시-벤조페논(2-hydroxy-4-methoxy-benzophenone) 등이 있으며, 벤조트리아졸계의 UV 흡수제의 구체적 예로서는 2-(2H-벤조티아졸-2-일)-6-(도데실)-4-메틸페놀(2-(2H-benzothiazol-2-yl)-6-(dodecyl)-4-methylphenol) 등을 들 수 있다. 그 사용량에 있어서는 사용 수지 100중량부에 대하여, 0.1 내지 0.5 중량부를 첨가할 수 있다.
또한, 함께 사용될 수 있는 광안정제에 있어서도, 특별한 제한은 없으나, 시트를 제조하는 공정상에 있어 용융상태의 수지에 잘 혼합되는 것이 바람직하다. 이러한 특성을 갖는 광안정제의 구체적인 예로서는 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트(bis(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl)sebacate), 비스-(엔-옥틸옥시-테트라메틸)피페리디닐세바케이트(bis-(N-octyloxytetramethyl)piperidinyl sebacate), 비스(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리딜)세바케이트(bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidyl)sebacate) 및 메틸-1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리딜세바케이트(methyl　1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidyl sebacate) 등을 들 수 있으며, 이들 광안정제의 사용량은 사용 수지 100 중량부에 대하여, 0.05 내지 0.5 중량부를 첨가할 수 있다.
부가하여 또한 함께 사용할 수 있는 산화방지제의 경우에 있어서도, 특별한 제한은 없으나, 시트를 제조하는 공정상에 있어 용융상태의 수지에 잘 혼합되는 것이 바람직하다. 이러한 산화방지제의 구체적인 예로서는 페놀계 산화방지제, 포스파이트계 산화방지제 등이 있으며, 이 중에서 1종 이상 선택하여 사용할 수 있다. 상기 폐놀계 산화방지제의 구체적 예로는,　펜타에리스리톨테트라키스(3-(3,5-디-터트-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트 (Pentaerythritol tetrakis(3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate) 및 옥타데실 3-(3,5-디-터트-부틸-4-히드록시페닐)프로피오네이트　(Octadecyl 3-(3,5-di-tert-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate)　등을 들 수 있으며, 포스파이트계 산화방지제의 구체적 예로는, 트리스(2,4-디-터트-부틸페닐)포스파이트(tris(2,4-di-tert-butylphenyl)phosphite) 및 트리스(노닐페닐)포스파이트(tris(nonylphenyl)phosphite) 등을 예시할 수 있다. 또한, 산화방지제의 사용량에 있어서는, 사용 수지 100 중량부에 대하여, 0.01 내지 0.3 중량부를 첨가할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 봉지제 조성물의 원료와 첨가제는 2축 압출기에 투입되어 잘 혼련된 상태로, 티다이(T-die) 혹은 카렌다 방식의 제막 방법을 통하여 시트 형태로 제조되어 질 수 있다. 이때 봉지재 시트의 두께는 0.2 내지 0.9mm의 두께를 가지도록 하며, 더욱 바람직하게는 0.3 내지 0.7mm의 두께를 가지며, 제막후 롤 형태 내지 재단된 시트의 형태로 제조된다.
본 발명의 태양전지 모듈용 봉지재 시트를 이용한 실리콘계 태양전지 모듈은 도 1에 도시된 바와 같이 표면유리(1), 본 발명의 EVA 봉지재 시트(2), 태양전지 셀(4), 본 발명의 EVA 봉지재 시트(2), 백시트(3)의 순으로 되거나 또는 표면유리(1), 본 발명의 EVA 봉지재 시트(2), 태양전지 셀(4), 이종 올레핀계 봉지재 시트와 백시트(3)의 순으로 적층될 수 있다. 통상적으로는 적층이 완료되면 진공 라미네이터로 100 내지 180℃의 온도에서, 탈기 시간 1 내지 10 분, 가압 0.5 내지 4분, 유지시간 5 내지 40 분으로 진공 가열 및 가압하여 태양전지 모듈을 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위를 이들 실시예에 한정하기 위한 것이 아님은 물론이다.
실시예 1
EVA 봉지재 시트는 비닐아세테이트 함량 28중량%(삼성토탈석유화학, E280PV), 용융지수 15g/10분의 EVA 100 중량부에 대하여, 가교제로 터셔리-부틸페록시-2-에틸헥실 카보네이트(동성하이켐, Chemex EC) 0.5 중량부, 가교조제로 트리알릴 아이소시아누레이트(일본화성, TAIC) 1.0 중량부, 접착 보조제로 γ-메타아크릴록시 프로필트리에톡시 실록산(신에츠 화학, KBM-503) 0.1 중량부, UV 흡수제로 2-하이드록시-4-옥틸록시벤조피논(스미토모화학, Sumisorb130) 0.2 중량부, 산화방지제로 벤젠프로파노익 액시드 3,5-비스(1,1-디메틸에틸)-4-하이드록시-옥타데실 에스터(BASF, Irganox 1076) 0.2 중량부, 그리고 구조식 1의 것으로 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H) 0.05 중량부를 상온에서 충분히 배합하여, 직경 105mm의 동축 트윈 압출기를 통해 시트 형상으로 제막하였다. 이때 압출은 120℃ 미만의 온도로 500kg/h의 토출량으로 진행되었으며, 시트의 두께는 0.45mm가 되도록 진행하였다.
실시예 2
상기 실시예 1의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H)의 부가 비율을 0.1부로 변화시킨 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
실시예 3
상기 실시예 1의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H)의 부가 비율을 0.2부로 변화시킨 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
실시예 4
상기 실시예 1의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H)의 부가 비율을 0.3부로 변화시킨 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
실시예 5
상기 실시예 3의 구성에서 추가로 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-파이페리딜)세바케이트 (BASF, Tinuvin 770)를 0.1 중량부 추가로 첨가한 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
실시예 6
상기 실시예 3의 구성에서 추가로 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-파이페리딜)세바케이트 (BASF, Tinuvin 770)를 0.2 중량부 추가로 첨가한 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
비교예 1
상기 실시예 1의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H)를 부가하지 않는 것을 제외하고는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
비교예 2
상기 실시예 5의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H)를 부가하지 않는 것을 제외하고는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
비교예 3
상기 실시예 6의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H)를 부가하지 않는 것을 제외하고는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
비교예 4
상기 실시예 5의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H) 대신 하기 구조식 2의 것을 0.1 중량부로 투입한 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
<구조식 2>
Figure 112013033374930-pat00003

비교예 5
상기 실시예 5의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H) 대신 상기 구조식 2의 것을 0.2 중량부로 투입한 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
비교예 6
상기 실시예 5의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H) 대신 상기 구조식 2의 것을 0.3 중량부로 투입한 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
비교예 7
상기 실시예 5의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H) 대신 하기 구조식 3의 것을 0.1 중량부로 투입한 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
<구조식 3>
Figure 112013033374930-pat00004

비교예 8
상기 실시예 5의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H) 대신 상기 구조식 3의 것을 0.2 중량부로 투입한 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
비교예 9
상기 실시예 5의 구성에서 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머(BASF, Uvinul 5050H) 대신 상기 구조식 3의 것을 0.3 중량부로 투입한 것 외에는 동일한 형태로 EVA 봉지재를 준비하였다.
시험예 1
실시예 및 비교예에 기술된 형태로 준비된 봉지재를 이용하여 가교화된 시트 시편을 제작하였다. 도 1의 적층 구성에서 셀을 제외한 채로 적층한 후, 진공 라미네이터에서 탈기 4분, 프레스 1분, 유지 10분의 순서로 모듈화를 하여 준비하였다. 유리와 백시트를 제거한 후, 직경 10cm의 원형태가 되도록 준비하였다.
상기의 시편을 이용하여, JIS K-6911 규격에 맞게 체적저항을 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.
시험예 2
실시예 및 비교예에 기술된 형태로 준비된 봉지재를 이용하여 54cell 형태의 모듈을 제작하였다. 먼저 표면유리, EVA봉지재, 셀, 다층 봉지재, PET계 백시트(LTW-09ST-2, Toray Advanced Films)를 순서대로 적층한 후, 145℃로 설정된 진공 라미네이터에서 탈기 4분, 프레스 1분, 유지 10분의 순서로 모듈화를 하여 준비하였다.
이때 사용된 태양전지 셀은 다결정 실리콘의 6인치, 2bus bar type, 16.6%의 셀 효율을 보였다. 또한 표면 유리는 태양전지 모듈에 통상적으로 사용되는 3.2mm두께의 것을 사용하였다.
상기의 태양전지 모듈을 항온항습기에 투입하여, 모듈에 전압을 인가하면서 초기 출력 변화를 기준으로 열화의 정도를 확인하였다.
실험 조건은 다음과 같다. 항온항습기의 온도 및 습도는 각각 50℃, 50 %RH로 설정하였다. 시험시 모듈의 표면 유리에는 알루미늄 호일을 깔아 두었으며, 셀 배선쪽에는 (-)극, 모듈 프레임 쪽에는 (+)극 배선을 연결 후, 1000V의 직류 전원을 인가하였다(PID 테스트).
상기 조건에서 48시간을 방치 후, 실험 전 초기 출력치와 비교를 통해 열화 정도를 파악하여 그 결과를 초기 출력 유지율로서 표 1에 나타냈다.
실험예 1 실험예 2
체적저항 (1013 Ωㆍcm) 초기출력 유지율(%)
실시예 1 105.1 93
실시예 2 298.5 95.8
실시예 3 374.8 96.1
실시예 4 330.9 96.3
실시예 5 368.2 95.5
실시예 6 311.8 96
비교예 1 2.3 32.5
비교예 2 6.8 27.4
비교예 3 5.8 25.1
비교예 4 1.1 16.2
비교예 5 7.2 29
비교예 6 8.6 35.4
비교예 7 5.3 31.1
비교예 8 2.1 27.7
비교예 9 6.1 28.4
상기 시험결과에서 각 실시예를 살펴보면 소량의 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머를 투입하는 것으로도 체적저항이 크게 증가하며, 이에 따라 PID 테스트에서의 모듈 열화가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 내후성을 향상시키기 위하여 EVA 봉지재에서 통상적으로 사용하는 광안정제인 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-파이페리딜)세바케이트를 동시에 투입하였을 때에도, 전기절연성은 여전히 높은 상태를 유지하는 것을 확인하였다.
하지만 비교예 1에서 비교예 3까지의 알파-알켄(C20-C24) 말레익 안하이드라이드-4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 올리고머가 전혀 투입되지 않았을 경우, 봉지재의 체적저항은 1013 Ωㆍcm 수준까지 급격히 감소하였다. 또한, 모듈의 출력유지율도 최소 25% 수준까지 감소하여, 본 발명에서 제시하는 구조식 1의 안정화제 첨가가 모듈의 전기절연 특성을 향상시키는데 크게 기여하는 것을 쉽게 확인할 수 있다.
또한, 비교예 4 내지 비교예 9의 결과를 통해, 구조식 1과 유사 관능기를 가지되, 분자량이 400 정도인 단분자를 사용하여, 전기절연성 변화를 확인해 보았다. 하지만 이 역시 비교예 1에서 비교예 3의 결과와 유사하게, 전기절연성을 높이는 것에는 크게 기여하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
상기 실험예들을 살펴보았을 때, 본 발명에서 제시하는 구조식 1의 첨가가 태양전지용 봉지재의 전기절연성 강화에 미치는 영향이 매우 크며, 또한 효과적이라는 것을 쉽게 확인할 수 있다.
1 --- 표면 유리
2 --- 봉지재
3 --- 백시트
4 --- 태양전지 셀

Claims (10)

  1. 폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 고분자, 유기과산화물 및 광안정제로 된 봉지재 조성물에 있어서,
    상기 폴리올레핀(Polyolefin) 계열의 고분자는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 공중합체이고, 상기 광안정제는 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-파이페리딜)세바케이트와 다음 구조식 1의 올리고머로, 여기서 상기 구조식 1의 올리고머는 그 융점이 50 내지 150℃ 내에 존재하는 것임을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 봉지재 조성물:
    <구조식 1>
    Figure 112013069059917-pat00008

    상기 구조식 1에서, R1, R2, R3, R4, 및 R5는 수소(H) 또는 C1 내지 C8 알킬이고,
    R6, R7, 및 R8은 수소(H) 또는 C1 내지 C3 알킬이고,
    R9는 C1 내지 C24 알킬이고,
    n은 분자량 2000 내지 10000g/mol을 만족시키는 정수임.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 광안정제는 폴리올레핀 계열의 고분자 100 중량부에 대해 0.01 내지 5 중량부의 비율로 혼합됨을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 봉지재 조성물.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 유기과산화물은 폴리올레핀 계열의 고분자 100 중량부에 대하여 0.1 내지 2.0 중량부의 비율로 혼합됨을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 봉지재 조성물.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 봉지재 조성물은 가교조제, 접착보조제인 실란커플링제와 빛 및 열과 같은 외부 충격의 열화를 방지하는 UV 흡수제, 광안정제, 산화방지제에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 봉지재 조성물.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 가교조제는 그 혼합 비율에 있어 폴리올레핀 계열의 고분자 100 중량부에 대하여 0.2 내지 2.0 중량부의 비율로 투입되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 봉지재 조성물.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 공중합체는 비닐 아세테이트(VA) 함량이 15 내지 40 중량%이고, 용융지수(190℃, 2.16kg)가 1 내지 50g/10분인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 봉지재 조성물.
  9. 청구항 제1항, 제3항, 제5항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 따른 태양전지 모듈용 봉지재 조성물을 사용하여 두께가 0.3 내지 0.9mm로 되는 시트의 형태로 성형된 것임을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 봉지재.
  10. 청구항 제9항의 봉지재가 사용된 것임을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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