KR101343884B1 - 태양전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것으로, 투명 보호 부재, 제1 봉지재 시트, 전극이 연결된 하나 이상의 태양전지 셀, 제2 봉지재 시트 및 이면 보호 필름을 순서대로 적층시킨 후 가공하여 얻어진 태양전지 모듈에 있어서, 상기 제2 봉지재 시트는 백색 무기입자 및 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 수지를 포함하는 백색층이고, 상기 제2 봉지재 시트를 적층시키기 전에, 상기 태양전지 셀의 단부와 접하는 부분, 상기 전극과 접하는 부분 또는 이들 둘 다에 에틸렌-비닐아세테이트 수지를 함유하는 투명층인 제3 봉지재 시트를 위치시키는 것을 특징으로 하는 본 발명의 태양전지 모듈은 반사율을 증가시켜 셀에 입사되는 빛의 양을 증가시키면서도 셀의 단부 및 전극이 백색층에 의해 파묻히는 것을 효율적으로 방지하여 우수한 발전효율을 나타낼 수 있다.

Description

태양전지 모듈 {SOLAR BATTERY MODULE}

본 발명은 우수한 발전효율을 갖는 태양전지 모듈에 관한 것이다.

태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기로 바꾸는 태양광 발전 시스템의 심장부를 구성하는 것으로서, 단결정, 다결정 또는 비결정 실리콘계 반도체를 이용하여 제조된다.

태양전지 셀은 그대로의 상태로 사용되는 경우는 거의 없고, 일반적으로 수장 내지 수십장의 태양전지 소자를 직렬 또는 병렬로 배선하고, 장기간에 걸쳐 셀을 보호하기 위해 여러 가지 패키징(packaging)을 하여 유닛화 되어 있다. 이 패키지에 편입되는 유닛을 태양전지 모듈이라고 부른다.

최근에 환경문제나 에너지 문제 등으로 인해 태양전지가 주목받고 개발이 진행되고 있다. 태양전지 모듈은 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같은 구성요소들을 갖는다. 표면측 투명 보호 부재인 유리 기판(10)과 이면측 보호 부재인 이면 보호 필름(40) 사이에 봉지재 시트(20 및 21) 2매가 태양전지 모듈용 태양전지 셀(30)을 감싸고 있는 구성으로 되어 있다. 이와 같은 태양전지 모듈은 유리 기판(10), 제1 봉지재 시트(20), 태양전지 셀(30), 제2 봉지재 시트(21) 및 이면 보호 필름(40)을 순서대로 적층한 후 이 적층체를 가열, 가압하여 봉지재 시트를 가교경화시킴으로써 접착 일체화하는 것에 의해 제조된다.

태양전지 모듈의 봉지공정은 가열, 가압에 의해 봉지재 시트가 완전히 용융한 시점에서 상하방향에서 압력을 주고, 탈기하면서 이루어진다. 이때 가교제를 포함하는 봉지재 시트는 열에 의해 가교반응이 일어나고, 그 결과 태양전지 셀이 유리 기판과 이면 보호 필름 사이에 합지된 상태의 태양전지 모듈이 제조된다.

일반적으로 태양전지 모듈용 봉지재 시트로는 가교제를 포함하는 투명연질수지로 이루어진 시트를 사용하며, 수지의 주성분은 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 공중합체인 것이 일반적이다. 이때 투명 EVA 층에 백색 무기안료를 첨가하여 백색 EVA 층을 만든 후 이를 이면측 봉지재 시트로 적용할 경우 반사율의 증가에 의해 셀에 입사되는 빛의 양을 증가시킴으로써 실제 모듈에 적용시 약 1.5% 정도의 출력상승 효과를 기대할 수 있다.

그러나, 이러한 백색 EVA 층의 사용은 라미네이션 공정 중에 셀의 단부 및 셀들을 연결하는 전극이 백색층에 의해 파묻히는 문제점을 가져온다.

종래에는, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 백색 EVA 층과 투명 EVA 층을 적층된 형태로 포함하는 봉지재 시트를 사용하는 것이 소개된 바 있으나, 이러한 EVA 적층시트를 생산하기 위해서는 공압출을 해야 하는 등 공정이 복잡해질 뿐만 아니라, 이로써 기존의 설비를 이용하기 어려워지고 원가 또한 상승하게 된다. 또한, 백색층 위에 투명층이 더해짐으로 인해 실질적으로 셀 전체를 투명 EVA 층으로 덮어버리게 되어 반사율의 증가가 저하되어 모듈의 발전효율의 저하를 가져오게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 반사율을 증가시켜 셀에 입사되는 빛의 양을 증가시키면서도 셀의 단부 및 셀들을 연결하는 전극이 파묻히지 않게 하는 이면측 봉지재 시트를 사용한 태양전지 모듈을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은

투명 보호 부재, 제1 봉지재 시트, 전극이 연결된 하나 이상의 태양전지 셀, 제2 봉지재 시트 및 이면 보호 필름을 순서대로 적층시킨 후 가공하여 얻어진 태양전지 모듈에 있어서,

상기 제2 봉지재 시트는 백색 무기입자 및 에틸렌-비닐아세테이트 수지를 포함하는 백색층이고,

상기 제2 봉지재 시트를 적층시키기 전에, 상기 태양전지 셀의 단부와 접하는 부분, 상기 전극과 접하는 부분 또는 이들 둘 다에 에틸렌-비닐아세테이트 수지를 함유하는 투명층인 제3 봉지재 시트를 위치시키는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈을 제공한다.

본 발명의 태양전지 모듈은 일부는 백색 EVA 층이고 다른 일부는 백색 EVA 층과 투명 EVA 층과의 적층체로 이루어진 이면측 봉지재 시트를 포함함으로써 반사율을 증가시켜 셀에 입사되는 빛의 양을 증가시키면서도 셀의 단부 및 전극이 백색층에 의해 파묻히는 것을 효율적으로 방지하여 우수한 발전효율을 나타낼 수 있다.

도 1은 일반적인 태양전지 모듈을 구성요소 별로 분리하여 나타낸 모식도이고,
도 2는 복수의 태양전지 셀들이 직렬 또는 병렬로 배선된 일반적인 태양전지 모듈의 구조를 나타낸 모식도이고,
도 3은 투명 EVA 층이 부분적으로 적용된(진한 선으로 표시) 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.

본 발명에 따른 태양전지 모듈은, 태양전지 셀의 단부 및 전극과 접하지 않는 부분은 백색 무기입자 및 에틸렌-비닐아세테이트 수지를 포함하는 백색층(백색 EVA 층)으로 이루어지고, 태양전지 셀의 단부 및/또는 전극과 접하는 부분은 상기 백색 EVA 층과 에틸렌-비닐아세테이트 수지-함유 투명층(투명 EVA 층)과의 적층체로 이루어진 이면측 봉지재 시트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 태양전지 모듈은 제2 봉지재 시트(백색 EVA 층)의 작용으로서 반사율을 증가시켜 셀에 입사되는 빛의 양을 증가시키면서도, 제3 봉지재 시트(투명 EVA 층)의 존재로 말미암아 태양전지 셀의 단부 및/또는 전극이 백색층에 의해 파묻히는 것을 효율적으로 방지하여 우수한 발전효율을 제공할 수 있다. 즉, 태양전지 셀 전체가 아니라, 백색 EVA 층의 사용에 따라 파묻힐 것으로 예상되는 부위(태양전지 셀의 단부와 접하는 부분, 전극과 접하는 부분 또는 이들 둘 다)만을 투명 EVA 층으로 보호함으로써 실질적으로 모듈의 발전효율을 저하시키지 않게 된다.

기존의 일반적인 태양전지 모듈의 일례의 제작공정은 다음과 같은 순서로 이루어진다; 투명 보호 부재(유리 기판(10))와 수광면측 EVA 층(제1 봉지재 시트(20)) 적층 -> 셀(30) 및 전극 배열 -> 이면측 EVA 층(제2 봉지재 시트(21)) 적층 -> 이면 보호 필름(40) 적층 -> 일괄적으로 라미네이션 진행. 이로써 제조되는 복수의 태양전지 셀들이 직렬 또는 병렬로 배선된 일반적인 태양전지 모듈의 구조를 도 2에 나타내었다.

이와는 달리, 본 발명의 태양전지 모듈을 제조하기 위해서는, 셀 및 전극 배열 이후 제2 봉지재 시트의 적층에 앞서, 따로 가공된 투명 EVA 층(제3 봉지재 시트(22))을 필요 부위, 즉 태양전지 셀의 단부와 접하는 부분, 전극과 접하는 부분 또는 이들 둘 다에 선택적으로 위치시키며, 이후 제2 봉지재 시트로서 백색 무기입자가 첨가된 백색 EVA 층을 적층시킨다.

즉, 제3 봉지재 시트를 경우에 따라서 태양전지 셀의 단부는 제외하고 전극과 접하는 부분에만 선택적으로 위치시킬 수도 있다. 실제 태양전지 모듈 제작 시 태양전지 셀의 단부는 외관이 양호하나 전극만 백색층에 파묻히는 경우 굳이 셀의 단부까지 투명 EVA 층으로 보호할 필요는 없다. 여기서 셀 단부 및 전극이 파묻히는 것을 보호하기 위해 사용되는 투명 EVA 층(제3 봉지재 시트)은 별도의 제품으로 제작할 수도 있고, 제1 봉지재 시트로 제작된 투명 EVA 층을 재단하여 제작할 수도 있다. 또한 별도로 제작된 제3 봉지재 시트는 제1 봉지재 시트 및 제2 봉지재 시트와는 달리 가교를 위한 별도의 첨가제를 함유하지 않아도 좋다.

이후는 기존과 동일한 공정을 수행하여(라미네이션) 봉지재 시트를 가교경화시켜 접착 일체화된 형태의 본 발명의 태양전지 모듈을 제조할 수 있으며, 제3 봉지재 시트(22)로서의 투명 EVA 층이 부분적으로 적용된(진한 선으로 표시) 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 모듈을 도 3에 나타내었다.

상기 라미네이션(가열, 가압)은 진공 라미네이터(laminator)로 온도 100 내지 150℃, 탈기시간 4 내지 12분, 프레스압력 0.5 내지 1기압, 프레스시간 8 내지 45분으로 가열, 가압하여 수행할 수 있다.

제1 봉지재 시트는 바람직하게는 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 수지를 함유하는 투명층일 수 있다.

제1, 제2 및 제3 봉지재 시트를 구성하는 EVA 수지는 0.7 내지 50 g/10min, 바람직하게는 10 내지 45 g/10min의 용융 유동 지수(melt flow rate)를 가질 수 있다.

제2 봉지재 시트를 구성하는 백색 EVA 층에 사용되는 백색 무기입자로는 반사율을 증가시켜 태양전지 셀에 입사되는 빛의 양을 증가시킬 수 있는 백색의 무기입자라면 무엇이든 사용될 수 있으며, 바람직하게는 산화티탄이 사용될 수 있다. 산화티탄은 0.1 내지 1㎛, 바람직하게는 0.2 내지 0.5㎛의 평균 입경을 갖는 것이 적합하다. 백색 무기입자는 EVA 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 15 중량부, 바람직하게는 3 내지 10 중량부의 양으로 사용될 수 있다.

본 발명에서 봉지재 시트를 형성하기 위한 EVA 수지 조성물은 내후성 향상을 위해 가교제를 포함할 수 있다. 가교제로는 일반적으로 100℃ 이상에서 라디칼을 발생시키는 유기 과산화물이 사용되고, 특히 배합시의 안정성을 고려해서 반감기가 10시간 이상, 분해 온도가 70℃ 이상인 것이 바람직하다. 이와 같은 유기 과산화물의 구체적인 예로는 2,5-다이메틸헥산, 2,5-다이하이드로 퍼옥사이드, 2,5-다이메틸-2,5-다이(t-뷰틸퍼옥시)헥산, 3-다이-t-뷰틸 퍼옥사이드, α,α'-비스(t-뷰틸퍼옥시아이소프로필)벤젠, n-뷰틸-4,4-비스(t-뷰틸퍼옥시)뷰탄, 2,2-비스(t-뷰틸퍼옥시)뷰탄, 1,1-비스(t-뷰틸퍼옥시)사이클로헥산, 1,1-비스(t-뷰틸퍼옥시)3,3,5-트라이메틸사이클로헥산, t-뷰틸퍼옥시벤조에톤, 벤조일 퍼옥사이드 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 이러한 유기 과산화물은 EVA 수지 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이하, 바람직하게는 0.3 내지 2 중량부의 양으로 사용될 수 있다.

EVA 수지 조성물은 태양전지 셀과의 접착력 향상을 위해 실레인 결합제를 포함할 수 있다. 실레인 결합제의 구체적인 예로는 γ-클로로 프로필 트라이메톡시 실레인, 바이닐 트라이클로로 실레인, 바이닐-트리스-(β-메톡시 에톡시)실레인, γ-메톡시 프로필 트라이 메톡시 실레인, β-(3,4-에톡시 사이클로 헥실)에틸 트라이 메톡시 실레인, γ-메르캅토 프로필 트라이 메톡시 실레인 및 이들의 혼합물을 들 수 있다. 이러한 실레인 결합제는 EVA 수지 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이하, 바람직하게는 0.1 내지 2 중량부의 양으로 사용될 수 있다.

EVA 수지 조성물은 젤 분율 및 내구성을 향상시키기 위해 가교 보조제를 포함할 수 있다. 가교 보조제로는 트라이 알릴 아이소시아누레이트, 트라이 알릴 아이소시아네이트 등의 3개의 작용기를 가진 가교 보조제, 에스테르 등의 1개의 작용기를 가진 가교 보조제를 사용할 수 있다. 이러한 가교 보조제는 EVA 수지 100 중량부를 기준으로 10 중량부 이하, 바람직하게는 0.1 내지 3 중량부의 양으로 사용될 수 있다.

또한, EVA 수지의 안정성을 향상시키기 위해 EVA 수지 조성물에 하이드로퀴논, 하이드로퀴논메틸에틸, p-벤조퀴논, 메틸 하이드로퀴논 등의 안정제를 EVA 수지 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이하, 바람직하게는 0.1 내지 2 중량부의 양으로 첨가할 수 있다.

또한, 필요에 따라, 상기 이외의 착색제, 자외선 흡수제, 노화 방지제, 변색 방지제 등을 EVA 수지 조성물에 첨가할 수 있다. 착색제의 예로는 금속 산화물, 금속분 등의 무기 안료; 및 아조계, 프탈로사이아닌계, 산성 또는 염기성 염료계 레이크 등의 유기 안료가 있다. 자외선 흡수제의 예로는 2-하이드록시-4-옥톡시벤조페논, 2-하이드록시-4-메톡시-5-술폰벤조페논 등의 벤조페논계; 2-(2'-하이드록시-5-메틸 페닐)벤조트라이아졸 등의 벤조트라이아졸계; 페닐살릴레이트, p-t-뷰틸페닐살릴레이트 등의 살릴레이트계가 있다. 노화 방지제의 예로는 아민계, 페놀계, 비스페닐계가 있고, 예를 들면 t-뷰틸-p-크세졸, 비스-(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페라질)세바케이트 등이 있다.

본 발명의 제1 및 제2 봉지재 시트 각각은 전술한 바와 같은 EVA 수지 조성물을 사용하여 T-다이 압출이나 캘린더링 공정으로 200 내지 1000㎛ 두께로 가공하여 제조할 수 있다.

본 발명의 제3 봉지재 시트 형성용 EVA 수지 조성물은 앞서 설명한 바와 같이 상기의 첨가제를 포함할 수도 있고 포함하지 않아도 무방하다. 또한 별도로 제작할 경우 제3 봉지재 시트는 100 내지 1000㎛의 두께로 가공하여 사용할 수 있다.

본 발명의 태양전지 모듈을 구성하는 투명 보호 부재, 태양전지 셀 및 이면 보호 필름 각각은 통상적으로 사용되는 것들 중 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

이와 같이 제조된 본 발명의 태양전지 모듈은 일부는 백색 EVA 층이고 다른 일부는 백색 EVA 층과 투명 EVA 층과의 적층체로 이루어진 이면측 봉지재 시트를 포함함으로써 반사율을 증가시켜 셀에 입사되는 빛의 양을 증가시키면서도 셀의 단부 및 전극이 백색층에 의해 파묻히는 것을 효율적으로 방지하여 우수한 발전효율을 나타낼 수 있다.

이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다

실시예 1 내지 5

투명층인 제1 봉지재 시트와 백색층인 제2 봉지재 시트를 각각 다음과 같이 제조하였다.

EVA 수지 조성물(EVA 수지는 미쓰이-듀폰 케미칼사의 EV150(용융유동지수 30 g/10min) 100 중량부, 가교제로는 알케마사의 Luporox101 1.5 중량부, 실레인 결합제로는 다우-코닝사의 Z-6030 0.5 중량부, 안정제로는 사이텍사의 UV531 0.2 중량부, 시바스페셜티케미칼사의 Tinuvin770 0.2 중량부 및 Irganox1076 0.2 중량부의 혼합물을 사용하여 제조된 EVA 수지 조성물)을 사용하여 두께 500㎛의 제1 봉지재 시트(투명층)를 제조하였다. 또한 상기 제1 봉지재 시트용 EVA 수지 조성물과 동일한 조성에 평균 입경 0.3㎛의 산화티탄을 10 중량부로 첨가하여 두께 500㎛의 제2 봉지재 시트(백색층)를 제조하였다.

또한 상기 제1 봉지재 시트용 EVA 수지 조성물과 동일한 조성의 수지 조성물을 사용하여 압출공정을 달리하여 두께 100㎛, 200㎛, 300㎛ 및 400㎛의 제3 봉지재 시트를 별도로 제작하였으며, 제1 봉지재 시트를 재단하여 두께 500㎛의 제3 봉지재 시트(투명층) 또한 얻었다. 제3 봉지재 시트의 두께(100㎛에서 500㎛까지)별로 실시예 1 내지 5로 구분하였다.

저철분 강화유리 기판, 제1 봉지재 시트(투명층) 및 전극이 연결된 태양전지 셀(Q6LM, 큐-셀(Q-Cell)사)을 순서대로 적층시킨 후, 제3 봉지재 시트(투명층)를 셀의 단부 및 전극과 접하는 부분에 선택적으로 위치시킨 다음, 제2 봉지재 시트(백색층)를 차례로 적층시키고, 최외곽에는 백시트인 3M 사의 (SH17T) 제품을 적층하였다. 그리고 가열온도 150℃, 탈기시간 3분, 프레스 압력 1기압, 프레스 시간 15분으로 라미네이션하여 실시예 1 내지 5 각각의 태양전지 모듈 샘플을 제작하였다.

비교예 1

제3 봉지재 시트를 사용하지 않은 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 공정을 수행하여 태양전지 모듈 샘플을 제작하였다.

실시예 6

첨가제를 전혀 포함하지 않은 EVA 수지(미쓰이-듀폰 케미칼사의 EV150(용융유동지수 30 g/10min))로만 이루어진 EVA 수지 조성물을 이용하여 두께 300㎛의 제3 봉지재 시트를 제작하여 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 공정을 수행하여 태양전지 모듈 샘플을 제작하였다.

시험예 1

상기 실시예 1 내지 5 및 비교예 1에서 제작된 태양전지 모듈의 외관 관련하여 태양전지 셀 단부 및 전극이 백색층에 의해 파묻히는 현상을 관찰하여 외관에 이상이 없는 모듈을 양호로, 그렇지 않은 모듈을 불량으로 구분하였다. 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

(단위: 두께 ㎛)

	비교예1	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5
제1 봉지재 시트	500	500	500	500	500	500
제2 봉지재 시트	500	500	500	500	500	500
제3 봉지재 시트		100	200	300	400	500
외관	불량	양호	양호	양호	양호	양호

시험예 2

상기 실시예 1 내지 6에서 제작된 태양전지 모듈이 고온고습 환경하에서 박리(delamination) 현상을 발생시키는지 여부를 확인하기 위하여 85℃, 85% RH(상대습도) 조건에서 1000시간 방치 후 외관을 관찰하였다. 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

(단위: 두께 ㎛)

	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	실시예6
제1 봉지재 시트	500	500	500	500	500	500
제2 봉지재 시트	500	500	500	500	500	500
제3 봉지재 시트	100	200	300	400	500	300
85℃, 85% RH 1000hr	박리×	박리×	박리×	박리×	박리×	박리×

10: 유리기판
20: 제1 봉지재 시트
30: 태양전지 셀
21: 제2 봉지재 시트
40: 이면 보호 필름
22: 제3 봉지재 시트

Claims (6)

1. 투명 보호 부재, 제1 봉지재 시트, 전극이 연결된 하나 이상의 태양전지 셀, 이면측 봉지재 시트인 제2 봉지재 시트 및 이면 보호 필름을 순서대로 적층시킨 후 가공하여 얻어진 태양전지 모듈에 있어서,
   상기 제2 봉지재 시트는 백색 무기입자 및 에틸렌-비닐아세테이트(EVA) 수지를 포함하는 백색층이고,
   상기 제2 봉지재 시트를 적층시키기 전에, 상기 태양전지 셀의 단부와 접하는 부분, 상기 전극과 접하는 부분 또는 이들 둘 다에 에틸렌-비닐아세테이트 수지를 함유하는 투명층인 제3 봉지재 시트를 위치시킴으로써, 상기 태양전지 셀의 단부와 접하는 부분, 상기 전극과 접하는 부분 또는 이들 둘 다는 상기 백색층과 상기 투명층과의 적층체로 이루어지고, 그 외의 부분은 상기 백색층으로 이루어진 이면측 봉지재 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제3 봉지재 시트가 100 내지 1000㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 봉지재 시트가 에틸렌-비닐아세테이트 수지를 함유하는 투명층인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1, 제2 및 제3 봉지재 시트를 구성하는 에틸렌-비닐아세테이트 수지가 0.7 내지 50 g/10min의 용융 유동 지수(melt flow rate)를 갖는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 백색 무기입자가 평균 입경 0.1 내지 1㎛의 산화티탄인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제2 봉지재 시트가 상기 백색 무기입자를 EVA 수지 100 중량부를 기준으로 1 내지 15 중량부의 양으로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.

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