KR101487257B1 - 태양전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 의한 태양전지 모듈은, 적어도 한 개 이상의 태양전지 셀; 태양전지 셀의 상면과 하면을 감싸도록 적층되는 봉지재; 봉지재의 상면에 적층되는 투명 절연기판; 및 봉지재의 하면에 적층되는 백시트;를 포함하고, 봉지재는 폴리올레핀(LDPE) 계열의 재질로 형성되며, 백시트는 봉지재의 하면으로부터 PE층-PET층-PVDF층 순으로 배열되도록 형성됨으로써, 수분 침투로 인해 야기되는 황변현상과 부식현상을 방지하고 적층된 모듈의 재료들을 접합하는데 필요한 용융 시간이 감소시켜 생산성이 향상될 뿐만 아니라 폴리올레핀으로 된 봉지재에 대한 백시트의 접합성이 향상되고 표면굴곡이 발생되는 것을 방지하여 구조적인 안정성이 향상될 수 있다.

Description

태양전지 모듈{PHOTOVOLTAIC MODULE}
본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것으로, 특히 폴리올레핀(LDPE)을 봉지재로 사용하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양전지는 태양광을 흡수하여 이로부터 에너지를 얻는 장치이다. 태양전지는 전지용량 등의 요구에 적합하도록 패키지 내에 다수의 태양전지 셀(Solar Cell)이 배열된 모듈 형태로 제작되고 있다. 이러한 태양전지 모듈은 에너지원이 청정하고 무제한으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 유지보수시 드는 비용이 적기 때문에 석유자원의 고갈 및 지구 온난화 등의 환경 문제를 해결하기 위한 하나의 대안으로 주목받고 있다.
태양전지모듈은 태양전지 셀을 외부환경으로부터 보호하기 위하여 다층 구조로 이루어져 있다. 태양전지 셀과 태양전지 셀의 전면 및 후면에 적층되는 재료들을 강하게 접합하기 위하여 통상 EVA(Ethylene Vinyl Acetate) 계열의 필름을 접합시켜 사용하고 있다. 이러한 EVA 필름은 태양전지 셀과 다른 재료와의 접합을 강하게 할 뿐만 아니라, 태양전지 셀을 외부 충격으로부터 보호하고 빛의 투과성 또한 좋게 한다.
하지만, EVA 필름의 경우 태양전지 배면의 백시트(back sheet)와 태양전지의 측면을 통해 침투되는 습기에 매우 취약한 약점이 있다. 즉, EVA를 봉지재로 사용하는 경우 다습환경에서는 백시트 또는 태양전지의 측면을 통해 내부로 습기가 인입되기 쉽고, 그로 인해 EVA 필름의 접착력이 감소되어 박리현상이 일어날 수 있다.
뿐만 아니라, EVA 필름의 경우 EVA 계열의 특성상 내부로 인입된 수분과 반응하여 아세트산을 발생시키고 그에 따라 황백현상을 야기할 수 있다. 아세트산으로 인한 황백현상은 태양전지모듈의 광투과율을 감소시키고 태양전지의 전극부를 부식시킬 수 있다. 그 결과 종래 태양전지모듈이 다습환경에서 사용되는 경우 태양전지모듈의 전체 수명을 단축시키고 효율성을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.
나아가, EVA로부터 생성된 아세트산은 초산이 0.1 ~ 1.5%인 초산폐수를 유발시킬 수도 있다. 초산폐수는 부근의 토지를 산성화시키고 사람이 접촉하는 경우 눈과 코를 자극하는 등 사람의 건강에 위협이 될 수 있다. 또한, 초산폐수 처리를 위하여 많은 비용이 소요되거나 또는 처리 공정 중에 이산화탄소가 대량으로 발생되는 등 환경오염 문제를 유발시킬 수 있다.
이를 감안하여, 본 출원인이 2011년07월08일자로 출원하여 2013년01월03일자로 특허등록된 "내습용 태양전지모듈 및 태양전지모듈의 제조방법"에서는 폴리올레핀(Low-density Polyethylene : LDPE) 보호필름을 적용하여 다습 조건에서도 내습성이 높고 황백현상을 유발하지 않고 효율이 높는 태양전지 모듈을 제안한 바 있다.
도 1은 종래 폴리올레핀(Low-density Polyethylene : LDPE) 보호필름을 적용한 내습용 태양전지 모듈의 측면도이고, 도 2는 도 1에 따른 내습용 태양전지모듈의 'I-I'선 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 종래의 내습용 태양전지 모듈(이하, 태양전지 모듈)은, 다수의 태양전지 셀(이하, 셀로 약칭함)(110)과, 셀(110)의 상면과 하면을 감싸 외부의 기계적 충격으로부터 보호하는 봉지재(Low-density Polyethylene : LDPE)(120)와, 직사각형의 평판 형상으로 이루어져 봉지재(120)의 상면을 덮는 투명 절연기판(130)과, 봉지재(120)의 저면에 접착되는 백시트(backsheet)(140)가 순서대로 하향 적층된 구조로 이루어져 있다.
봉지재(120)는 폴리올레핀(LDPE) 계열의 재질로 형성되고, 백시트(140)는 불화 비닐 수지(polyvinyl fluoride : PVF)층과 폴리레틸렌에레프탈레이트(polyethyleneterephthalate : PET)층 그리고 PVF층이 순서대로 적층되어 형성되어 있다.
그러나, 상기와 같이 태양전지 셀(110)을 감싸는 봉지재(120)가 폴리올레핀으로 이루어진 경우, 그 폴리올레핀으로된 봉지재(120)와 접하는 백시트(140)를 통상적으로 사용되고 있는 PVF층-PET층-PVF층으로 형성하게 되면 봉지재(120)와 백시트(140) 사이의 접착력이 약해 내습력이 저하되거나 또는 백시트(140)의 표면 굴곡이 발생하여 제품의 구조적 안정성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은, 폴리올레핀으로 된 봉지재가 사용되는 경우 그 봉지재와 접하는 백시트의 접착력을 높여 내습력을 높이고 제품의 구조적 안정성을 높일 수 있는 태양전지 모듈을 제공하려는데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 적어도 한 개 이상의 태양전지 셀; 상기 태양전지 셀의 상면과 하면을 감싸도록 적층되는 봉지재; 상기 봉지재의 상면에 적층되는 투명 절연기판; 및 상기 봉지재의 하면에 적층되는 백시트;를 포함하고, 상기 봉지재는 폴리올레핀(LDPE) 계열의 재질로 형성되며, 상기 백시트는 상기 봉지재의 하면으로부터 PE층-PET층-PVDF층 순으로 배열되도록 형성되는 태양전지 모듈이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 PE층의 두께는 대략 80 ~ 250㎛ 정도, 상기 PET층의 두께는 대략 150 ~ 200㎛ 정도, 상기 PVDF층의 두께는 대략 10 ~ 50㎛ 정도를 각각 가지도록 형성될 수 있다.
그리고 상기 봉지재 중에서 적어도 일부의 표면에는 UV 흡수제가 도포될 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은, 셀을 감싸는 봉지재가 폴리올레핀(LDPE) 계열의 재질로 형성되며, 백시트는 봉지재의 하면으로부터 PE-PET-PVDF 순으로 배열되도록 형성됨으로써, 수분 침투로 인해 야기되는 황변현상과 부식현상을 방지하고 적층된 모듈의 재료들을 접합하는데 필요한 용융 시간이 감소시켜 생산성이 향상될 뿐만 아니라 폴리올레핀으로 된 봉지재에 대한 백시트의 접합성이 향상되고 표면굴곡이 발생되는 것을 방지하여 구조적인 안정성이 향상될 수 있다.
도 1은 종래 태양전지 모듈의 사시도,
도 2는 도 1에 따른 태양전지 모듈의 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 단면도,
도 4는 도 3의 "A"부를 보인 단면도,
도 5는 본 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법 중에서 라미네이션 공정을 나타낸 블록도.
이하, 본 발명에 의한 태양전지 모듈을 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 LDPE(Low-density Polyethylene) 보호필름을 적용한 태양전지 모듈의 단면도이고, 도 4는 도 3의 "A"부를 보인 단면도이다.
본 실시예에 따른 태양전지 모듈(10)은, 다수 개의 셀(11)의 상면과 하면이 봉지재(12)로 감싸져 외부의 충격으로부터 보호되고, 봉지재(12)의 상면에는 직사각형의 평판 모양으로 형성되는 투명 절연기판(13)이 덮이며, 봉지재(12)의 하면에는 백커버(14)가 접착되어 결합될 수 있다. 태양전지모듈(10)은 직사각형의 평판 형태 외에 다른 형태로 이루어질 수 있다.
셀(11)은 입사되는 태양광을 흡수하여 이를 전기에너지 또는 열에너지로 변환시킨다. 다수의 셀(11)은 복수의 연결 리본(11a)을 사용하여 연결될 수 있다. 예를 들어, 복수의 연결 리본(11a)에 의하여 다수의 셀(11) 각각이 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 여기서 셀(11)은 서로 다른 파장대역의 빛을 모두 흡수하거나, 특정 파장대역의 빛만을 흡수하거나 또는 특정 파장대역의 빛만을 반사시킬 수 있다.
봉지재(12)는 셀(11)들의 양면에 적층된 재료들 간의 접착력을 더욱 강하게 하고 깨지기 쉬운 셀(11)을 봉합하여 외부의 충격 등으로부터 보호하는 역할을 한다. 본 실시예의 봉지재(12)로 사용되는 폴리올레핀은 2중 결합을 1개 갖은 쇄상 탄화수소를 단위체로 중합하여 얻어지는 단독 중합체 또는 이종 올레핀(olefin)과의 공중합체를 총칭하는 것으로, 본 실시예에서는 저밀도 폴리에틸렌(Low-density Polyethylene : LDPE)을 대표예로 삼아 설명한다.
LDPE는 방습성 및 전기절연성이 매우 우수하고, 수분과 접촉하여도 종래 EVA 계열의 봉지재와 달리 아세트산을 발생시키지 않는 특징이 있다. LDPE 계열의 수지는 에틸렌을 중합하여 제조한 합성수지로서 상온에서 투명한 고체로 존재하고, 통상 0.91g/㎠ ~ 0.94g/㎠ 사이의 밀도 값을 가지며, 결정화가 낮아 가공성 및 유연성이 뛰어나고, 산·알칼리 용제에 강하며 투명성 또한 우수하다.
이와 같은 LDPE 계열의 종류에는, 저밀도 폴리에틸렌(LDPE) 외에도 내구성이 우수한 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE; Linear Low-density Polyethylene) 등이 포함된다. 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)은 저밀도 폴리에틸렌 (LDPE)에 비해 용융점이 높아 열봉합 온도는 높은 반면 열봉합 강도는 우수한 특성을 갖는다. 하지만, 가공성 측면에서는 LLDPE가 LDPE에 비하여 압출부하가 높고 버블 안정성이 떨어진다. 본 실시예에서 셀(11)의 보호 및 접합용 필름으로서 특히 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 사용하면, 셀(11)에의 접합력 부여를 위한 성형이 더욱 용이하고 용융시간이 또한 더욱 단축시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 봉지재(12)는 약 150℃의 온도조건에서 7분 내지 10분 동안 가열 또는 가압하여, 각각 셀(11)의 전면과 투명 절연기판(13)의 배면 그리고 셀(11)의 배면과 백시트(14)의 전면을 접합시킬 수 있다. 종래 EVA 계열의 봉지재는 상기와 동일한 150℃의 온도조건에서 약 15분 내지 30분 동안 가열 또는 가압하였던 것과 비교하면 LDPE 보호필름을 사용한 태양전지모듈(10)의 제조방법은 라미네이팅 처리를 위한 라미네이션 공정 시간 또한 상당히 단축시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 봉지재(12)는 약 400㎛ 내지 600㎛의 사잇값을 가질 수 있으나, 바람직하게는 약 450㎛ 내지 550㎛의 사잇값을 가질 수 있다.
또, 본 실시예에 따른 봉지재(12)는 적어도 일부의 LDPE 보호필름의 표면에는 소정량의 UV 흡수제를 포함하여 적층될 수 있다. 이 경우에는, 내습성뿐만 아니라 광투과율도 더 향상될 수 있다.
또, 본 실시예에 따른 봉지재(12)는 셀(11)과의 접착력을 더욱 강화하기 위해 하나 이상의 서로 다른 보호필름과 함께 적층될 수도 있다. 이 경우에는 내습성뿐만 아니라 접착력도 더 향상될 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 태양전지 모듈(10)은, EVA 필름을 사용하여 셀(11)을 밀봉하는 경우 발생되는 수분 침투로 인한 황변현상과 전극 부식현상을 방지할 수 있으므로, 다습한 해양 환경에서도 태양전지 모듈을 안정적으로 활용할 수 있다.
투명 절연기판(13)은 광투과성이 높고 광반사도가 낮은 저철분 강화유리를 사용할 수 있다. 투명절연기판(13)은 외부의 충격으로부터 셀(11)을 보호하는 완충재 역할을 하고, 태양전지 모듈(10)의 설계 형태에 따라 다양한 형상으로 제조될 수 있다.
백시트(14)는 셀(11)의 봉지재(12)의 하면에 부착되어 외부 환경으로부터 태양전지 셀(11)을 보호하는 역할을 한다. 백시트(14)는 폴리올레핀(LDPE) 계열의 재질로 제작된 봉지재(12)와 용이하면서도 견고하게 접착될 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
예를 들어, 상기 백시트(14)는 상기 봉지재(12)의 하면에서 시작하여 상기 봉지재(12)의 하면으로부터 멀어지는 방향으로 폴리에틸렌(polyethylene : PE)층(14a) -> 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate : PET)층(14b) -> 폴리비닐이딘 플루오라이드(polyvinylidenefluoride : PVDF)층(14c)의 순으로 제작될 수 있다.
PE층(14a)의 두께는 대략 80 ~ 250㎛ 정도, PET층(14b)의 두께는 대략 150 ~ 200㎛ 정도, PVDF층(14c)의 두께는 대략 10 ~ 50㎛ 정도를 가지도록 형성될 수 있다.
여기서, PE층(14a)은 LDPE 계열로 된 봉지재(12)와의 접착력이 좋고, PET층(14b)은 방수성이 우수하며, PVDF층(14c)은 태양전지 모듈의 강도를 높이는데 유리할 수 있다.
한편, 도 5는 본 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법 중에서 라미네이션 공정을 나타낸 블록도이다.
이에 도시된 바와 같이, 셀(11)과, 봉지재(12)와, 투명 절연기판(13)과, 백시트(14)를 라미네이터(미도시)의 가열판 상부에 적층시킨다(S10).
다음, 셀(11)의 전면 및 투명 절연기판(13)의 배면을 접합시키고 셀(11)의 배면 및 백시트(14)의 전면을 접합시키기 위해, 라미네이터를 사용하여 봉지재(12)를 용융시킨다(S20). 이때 봉지재(12)는 라미네이터에 의하여 150℃의 온도조건에서 7분 내지 10분 동안 가열시켜 융용될 수 있다. 종래와 같이 봉지재(12)로 EVA 필름을 이용하는 경우, 라미네이터에 의한 융용시간이 통상 15분 내지 30분 이상 소요되고, 라미네이팅 처리시 가열로 인하여 EVA 필름으로부터 발생하는 가스를 주기적으로 외부로 배출해주어야 하는 추가 처리 과정이 필요했던 반면, 본 실시예와 같이 LDPE 보호필름을 봉지재로 사용하는 경우에는 접합을 위한 보호필름의 융용시간이 상당히 단축될 수 있다.
다음, 접합된 적층체를 실온에서 냉각시켜 접합력을 더욱 강화시킴으로써 태양전지 모듈의 라미네이션 공정이 완료된다(S30).
상기와 같은 본 실시예에 의한 태양전지 모듈(10)은, 태양전지 셀(11)과 그 양면에 LDPE 계열의 보호필름을 봉지재(12)로 적용함에 따라 수분침투로 인해 야기되는 황백현상에 따른 전극의 부식과 광투과율의 감소를 방지하여 다습환경에서도 유리할 수 있다. 뿐만 아니라, 봉지재(12)인 LDPE 보호필름의 용융 시간을 상당히 단축시켜 생산성을 높일 수 있다.
아울러, LDPE 계열의 봉지재를 적용할 경우 종래의 EVA 계열의 봉지재 적용시 사용하던 PVF층-PET층-PVF층으로 된 백커버는 LDPE 계열의 봉지재와는 접착력이 저하될 뿐만 아니라 외관상 표면 굴곡이 발생될 수 있었으나, 본 실시예와 같이 백커버(14)가 PE층-PET층-PVDF층으로 구성됨에 따라 LDPE 계열의 봉지재와의 접착력을 높이는 동시에 제품의 외관에서 표면 굴곡이 발생되는 것을 방지하여 제품의 구조적인 안정성을 높일 수 있다.
10 : 태양전지 모듈 11 : 태양전지 셀
12 : 봉지재(LDPE) 13 : 투명 절연기판
14 : 백시트(PE/PVT/PVDF) 14a : PE층
14b : PET층 14c : PVDF층

Claims (3)

  1. 적어도 한 개 이상의 태양전지 셀;
    상기 태양전지 셀의 상면과 하면을 감싸도록 적층되는 봉지재;
    상기 봉지재의 상면에 적층되는 투명 절연기판; 및
    상기 봉지재의 하면에 적층되는 백시트;를 포함하고,
    상기 봉지재는 폴리올레핀(LDPE) 계열의 재질로 형성되며, 상기 백시트는 상기 봉지재의 하면으로부터 PE층-PET층-PVDF층 순으로 배열되도록 형성되며,
    상기 PE층의 두께는 접착력을 높이기 위해 80 ~ 250㎛, 상기 PET층의 두께는 방수성을 높이기 위해 150 ~ 200㎛, 상기 PVDF층의 두께는 기계적 강도를 높이기 위해 10 ~ 50㎛ 를 가지도록 형성되는 태양전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 봉지재 중에서 적어도 일부의 표면에는 UV 흡수제가 도포되는 태양전지 모듈.
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