KR101518137B1 - 반사율이 향상된 태양전지 모듈용 백 시트 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
폴리에스테르 필름층, 상기 폴리에스테르 필름층의 외측부(air side)에 형성되고 폴리에스테르 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에스테르 필름층 및 상기 폴리에스테르 필름층의 다른 측에 형성되고 폴리에틸렌 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에틸렌계 필름층을 포함하는 태양전지 모듈용 백 시트 및 그 제조 방법이 개시된다.
Description
본 명세서는 반사율이 향상된 태양전지 모듈용 백 시트 및 그 제조방법에 관하여 개시한다.
최근, 차세대 친환경 에너지원으로서 태양전지가 개발되어 주택용, 공업용 등으로 급속하게 보급되고 있다.
태양전지는 다수의 태양전지 셀(cell)이 모듈화되어 구성된다. 이때, 다수의 태양전지 셀은 봉지층에 패킹(packing), 고정되며, 상기 봉지층의 하부 면에는 밀봉 부재로서의 백 시트(back sheet)가 접착되어 모듈화된다. 이를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래의 일반적인 태양전지 모듈의 단면 구성도를 보인 것으로서, 여기에는 종래 기술에 따른 백 시트가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 태양전지 모듈은 일반적으로 광이 입사되는 투명 강화 유리(3), 상부 봉지층(2a), 다수의 태양전지 셀(C), 하부 봉지층(2b) 및 백 시트(1)가 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 다수의 태양전지 셀(C)은 봉지층(2a)(2b)에 패킹, 고정되어 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 태양전지 셀(C)은 상부 봉지층(2a)과 하부 봉지층(2b)의 사이에 패킹, 고정되어 있다. 이때, 상기 봉지층(2a)(2b)은 태양전지 셀(C)의 패킹(고정)에 유리한 에틸렌비닐아세테이트(EVA)가 주로 사용된다. 상기 백 시트(1)는 태양전지 모듈의 하부, 즉 상기 하부 봉지층(2b)의 하부 면에 접착되어 태양전지 셀(C)을 보호한다.
태양전지 모듈은 장시간에 걸쳐 출력 저하가 없는 장수명화가 요구된다. 이러한 장수명화를 위해, 상기 백 시트(1)는 태양전지 셀(C)에 악영향을 주는 수분이나 산소를 차단할 수 있고, 자외선 등에 의한 열화를 방지할 수 있어야 한다. 또한, 최근에는 백 시트(1)의 저가격화가 강하게 요구되고 있다. 이에 따라, 백 시트(1)는 태양전지 모듈의 장수명화를 위해 높은 온도나 습도, 그리고 자외선 등에 잘 견딜 수 있는 내열성, 내구성 및 내후성 등을 가진 재질이어야 하며, 이와 함께 저가의 가격으로 보급되어야 한다.
일반적으로, 태양전지 모듈용 백 시트(1)는 베이스 기재로서 내열성의 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름과 내후성의 불소계 필름이 적층된 구조를 갖는다. 구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 백 시트(1)는 베이스 기재로서의 PET 필름(1a)과, 상기 PET 필름(1a)에 접착제를 통해 접착된 불소계 필름(1b)을 포함한다.
상기 PET 필름(1a)은, 내열성은 물론 기계적 강도 등의 내구성이 우수하여 백 시트(1)의 베이스 기재로서 유용하다. 또한, 상기 불소계 필름(1b)은 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF; Polyvinylidene fluoride)나 폴리비닐플로라이드(PVF ; Polyvinyl fluoride) 등의 필름이 주로 사용되는데, 이러한 불소계 필름(1b)은 내후성 등이 뛰어난 장점이 있다.
그러나 종래의 백 시트(1)는 구성 재질의 가격이 높아 가격 경쟁력이 떨어지는 문제점이 있다. 구체적으로, 종래 백 시트(1)를 구성함에 있어서, 내후성을 위해, 상기한 바와 같이 필름 상으로 성형된 PVDF나 PVF 등의 불소계 필름(1b)을 PET 필름(1a) 상에 접착제를 통해 접착하고 있는데, 이때 상기 PVDF나 PVF 등의 불소계 필름(1b)은 필름 자체의 가격이 높아 백 시트(1)의 저가격화를 도모하지 못하고 있는 문제점이 있다.
또한, 종래의 백 시트(1)는, 백 시트(1)를 구성하는 각층의 층간 접착력과, 모듈화를 위한 접착력이 약하여 내구성 등이 떨어지고, 습기 차단성 등의 배리어(barrier) 특성 면에서도 양호하지 못한 문제점이 있다. 구체적으로, PET 필름(1a)과 불소계 필름(1b)을 접착제를 통해 접착시키고 있지만, 이들 두 필름(1a)(1b) 사이의 층간 접착력이 약한 문제점이 있다. 아울러, 백 시트(1)는 태양전지 모듈의 하부 봉지층(2b), 즉 EVA 시트에 견고하게 접착되어 밀봉성을 유지해야 하는데, 불소계 필름(1b)과 EVA 시트 간의 접착력이 약하여 내구성이 떨어지는 문제점이 있다. 부가적으로, 상기 불소계 필름(1b)은 내후성에서는 유리하나, 투습도가 높아 습기 차단성 등의 배리어성이 양호하지 못한 문제점도 지적된다.
이에, 본 발명의 구현예들에서는, 일측면에서, 저렴한 가격으로 보급될 수 있고, 접착력, 배리어성(습기 차단성 등) 및 내후성 등이 우수하면서도, 또한 반사율이 향상되어 태양전지 셀의 효율을 향상할 수 있는 태양전지 모듈용 백 시트, 및 이를 포함하는 태양전지 모듈을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 구현예들에서는, 폴리에스테르 필름층; 및 상기 폴리에스테르 필름층의 외측부(air side)에 형성되고 폴리에스테르 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에스테르 필름층; 상기 폴리에스테르 필름층의 다른 측에 형성되고 폴리에틸렌 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에틸렌계 필름층을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 백 시트를 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 백색 폴리에스테르 필름층은 12~500μm의 두께를 가지며, 폴리에스테르 수지 총 중량에 대하여 백색 무기물 함량이 1~20 중량%이다.
예시적인 구현예에서, 상기 백색 폴리에스테르 필름층은 올리고머 함량이 폴리에스테르 수지 총 중량에 대하여 0.1~5 중량%인 폴리에스테르 수지를 사용한다.
예시적인 구현예에서, 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층은 50~500㎛의 두께를 가지며, 백색 무기물의 함량이 폴리에틸렌 수지 총 중량에 대하여 1~20 중량%이다.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 폴리에스테르 필름층을 형성하는 단계; 상기 폴리에스테르 필름층의 외측부(air side)에 폴리에스테르 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에스테르 필름층을 형성하는 단계; 및 상기 폴리에스테르 필름층의 다른 측에 폴리에틸렌 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에틸렌계 필름층을 형성하는 단계를 포함하는 태양전지 모듈용 백 시트의 제조 방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 폴리에스테르 필름층에 상기 백색 폴리에스테르 필름 층 및 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층을 각각 적층(lamination)하면서 열처리 공정을 동시에 진행한다.
본 발명의 구현예들에서는 또한, 상기 태양전지 모듈용 백 시트를 포함하고, 상기 백 시트가 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 봉지층과 열접착되는 태양전지 모듈을 제공한다.
본 발명의 구현예들에 따른 태양전지 모듈용 백 시트는, 일측면에서, 저렴한 가격으로 보급될 수 있고, 접착력, 배리어성(습기 차단성 등) 및 내후성 등이 우수하면서도, 또한 반사율이 향상되어 태양전지 셀의 효율을 향상할 수 있는 우수한 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지 모듈과 백 시트의 단면 구성도를 보인 것이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 형태에 따른 태양전지 모듈용 백 시트의 단면 구성도를 보인 것이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 형태에 따른 태양전지 모듈의 단면 구성도를 보인 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 9 및 비교예 3에 따른 백 시트 시편에 대한 인장강도를 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 4a는 MD 방향 인장강도 측정 결과이고, 도 4b는 TD 방향 인장강도 측정 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 9 및 비교예 3에 따른 백 시트 시편에 대한 신장율을 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 5a는 MD 방향 신장율 측정 결과이고, 도 5b는 TD 방향 신장율 측정 결과이다.
도 2는 본 발명의 예시적인 형태에 따른 태양전지 모듈용 백 시트의 단면 구성도를 보인 것이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 형태에 따른 태양전지 모듈의 단면 구성도를 보인 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 9 및 비교예 3에 따른 백 시트 시편에 대한 인장강도를 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 4a는 MD 방향 인장강도 측정 결과이고, 도 4b는 TD 방향 인장강도 측정 결과이다.
도 5는 본 발명의 실시예 9 및 비교예 3에 따른 백 시트 시편에 대한 신장율을 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 5a는 MD 방향 신장율 측정 결과이고, 도 5b는 TD 방향 신장율 측정 결과이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 보인 것으로서, 도 2는 본 발명에 따른 태양전지 모듈용 백 시트의 단면 구성도를 예시한 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 단면 구성도를 예시한 것이다.
본 명세서에서 폴리에스테르 필름 층의 외측부란 공기와 접하는 측(air side) 즉, 태양전지 모듈의 하측 백시트의 최외각을 의미한다. 예컨대, 도 2 및 3을 참조하면, 폴리에스테르 필름층(12)을 기준으로 그 하부인 14번 위치를 말한다.
먼저, 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 태양전지 모듈용 백 시트(이하, "백 시트"로 약칭한다.)는 베이스 기재로서의 폴리에스테르 필름층(12)과, 상기 폴리에스테르 필름층(12)의 외측부(air side)에 형성되고 폴리에스테르 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에스테르 필름층(14) 및 상기 폴리에스테르 필름층의 다른 일면(상기 외측부의 반대측인 내측부)에 형성되고 폴리에틸렌 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)을 포함한다.
상기한 바와 같이 본 발명의 구현예들에서는 상기 백색 폴리에스테르 필름층(14)을 베이스 기재인 폴리에스테르 필름층(12)의 외측부(air side)에 형성함으로써 기존의 PVDF, PVF 등과 같은 고가의 불소계 필름을 대신하여 가격이 저렴하면서도 내구성, 내후성 등을 보완할 수 있을 뿐만 아니라, 반사율을 향상시킬 수 있다.
일구현예에서, 상기 백색 폴리에스테르 필름층(14)은 12~500μm의 두께를 가지는 것이 바람직하다. 백색 폴리에스테르 필름층의 두께가 12 μm 이하이면, 내후성이 떨어지며 전기절연성, 기계적 강도가 양호하지 않을 수 있으며, 500 μm를 초과하면, 유연성(Flexible)이나 비용 측면에서 바람직하지 않을 수 있다.
또한, 일구현예에서 상기 백색 폴리에스테르 필름층(14)은 폴리에스테르 수지 총 중량에 대하여 백색 무기물 함량이1~20 중량%인 것이 바람직하다. 백색 무기물의 함량이 1 중량% 미만이면, 광전환 효율(태양광 반사능)이 미미하거나 필름의 기계적인 특성이 미흡할 수 있으며, 20 중량%를 초과하면, 폴리에스테르계 수지의 비율이 낮아져 내후성이나 기계적 물성이 떨어지는 경향이 있으며, 필름 제조시 첨가제 과다에 의한 기계 과부하로 작업성이 떨어지게 된다. 백색 폴리에스테르 필름층(14)이 백색 무기물을 포함함으로써, 기존의 PVDF 및 불소코팅 사양보다도 외측부의 반사율이 더 우수하며, 내절연성, 내후성까지도 더 우수한 효과를 나타낼 수 있다.
상기 백색 폴리에스테르 필름층(14)은 폴리에스테르 수지 총 중량에 대하여올리고머 함량이 0.1~5 중량%일 수 있으며, 일구현예에서 올리고머 함량이 1~3 중량%인 저함량 올리고머(low oligomer) 폴리에스테르 수지를 사용할 수 있다.
상기 저 함량 올리고머 폴리에스테르 수지는 기존의 폴리에스테르 수지보다 올리고머 함량이 적으며 또한 내가수분해성이 우수하여 기존의 PVDF, PVF 등과 같은 고가의 불소계 필름 대비 동등 또는 그 이상의 내후성, 내구성을 부여하도록 할 수 있다.
한편, 본 발명의 구현예들에서는 또한, 상기한 바와 같이 백색 폴리에스테르 필름층(14)을 베이스 기재인 폴리에스테르 필름층(12)의 외측부(air side)에 형성하는 것과 동시에, 베이스 기재인 폴리에스테르 필름층(12)의 다른 일면(즉, 상기 외측부의 반대측)에 폴리에틸렌 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)을 형성한다. 즉, 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 태양전지 모듈의 봉지층(20, 도 3 참조), 즉 하부 봉지층(20a)과 접착되는 층이 된다. 그리고 상기 백색 폴리에스테르 필름층(14)은 태양전지 모듈의 하측 최외각 표면을 구성하는 것이다.
본 발명의 백색 폴리에스테르 필름층(14)은 백 시트의 최외면(태양전지 모듈의 최외각)에 위치하므로 폴리에스테르 필름층(12)과 대비하여 내후성이 더 보강될 필요가 있는데, 해당 백색 폴리에스테르 필름층(14)에서는 백색 무기물과 함께 상기한 바와 같이 저 함량 올리고머 수지가 포함되어 보다 상승된 내후성을 부여할 수 있다.
참고로, 폴리에스테르 필름층(12)은 상기와 같은 백색 무기물 및 저 함량 올리고머 수지를 포함하지 않는다.
본 발명의 구현예들에 따른 백 시트는, 기존의 PVDF, PVF 등과 같은 고가의 불소계 필름을 대신하여 가격이 저렴하도록 할 수 있으면서 또한 반사율을 향상할 수 있고, 전기 절연성, 배리어성(투습 배리어성), 광전환 효율(태양광 반사능)등을 개선할 수 있다.
일구현예에서, 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 바람직하게는 50~500㎛의 두께를 가진다. 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)의 두께가 50㎛ 미만인 경우에는 전기 절연성, 배리어성(투습 배리어성), 광전환 효율(태양광 반사능)등의 개선 효과가 미미할 수 있다. 그리고 두께가 500㎛ 초과하면 작업성 및 단가 상승의 원인이 될 수 있다. 이러한 측면에서 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 더욱 바람직하게는 100~200㎛의 두께를 가진다. 두께를 높임으로써, 반사율도 더 향상되며, 전기절연성(부분방전압)도 안정적으로 확보된다.
또한, 일구현예에서, 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 바람직하게는 백색 무기물의 함량이 폴리에틸렌 수지 총 중량에 대하여 1~20 중량%이다. 상기 백색 무기물이 상기 함량범위로 포함될 경우, 폴리에틸렌 수지의 분산성을 큰 폭으로 향상시킬 수 있으며, 광전환 효율 개선 효과가 증가하게 된다.
참고로, 기존의 백색 무기물을 포함하는 폴리에틸렌계 필름층을 가진 백 시트의 경우, 백색 무기물의 함량이 증가할수록 작업성 및 기계적 물성이 미흡하였으나, 본 발명의 구현예들에서와 같이 백색 폴리에스테르 필름층(14)(air side) / 폴리에스테르 필름층(12) / 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)의 구성을 가지는 경우 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)에서 백색 무기물의 함량이 증가하여도 작업성 및 물성 측면에서 우수하며, 특히 반사율이 더 우수하다.
일구현예에서, 상기 백색 무기물은 바람직하게는 0.1㎛ 이상의 입경 크기를 가진다. 상기 백색 무기물은 태양전지 백 시트의 반사율을 높일 수 있는 무기물이면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 이산화티탄(TiO2), 바륨 설페이드(BaSO4), 바륨 티타네이드(BaTiO3), 마그네슘 옥사이드(Al2O3), 실리카(SiO2), 산화철(Fe2O3), 지르코니아(ZrO2), 칼슘 티타네이트(SrTiO3)로 이루어진 군에서 선택할 수 있으며, 바람직하게는 이산화티탄(TiO2)을 사용할 수 있다.
한편, 상기 폴리에스테르 필름층(12)은 폴리에스테르 필름으로 구성된다. 이때, 폴리에스테르 필름층(12)은 1장의 폴리에스테르 필름으로 구성되거나, 2장 이상 다수의 폴리에스테르 필름이 적층 합지되어 구성될 수 있다. 본 발명에서, 상기 폴리에스테르 필름은 폴리에스테르계 수지를 포함하는 것이면 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 카르복실기를 가지는 화합물과 수산기를 가지는 화합물이 중합된 폴리에스테르계 수지를 포함하는 조성물을 필름 형상으로 성형한 것을 사용할 수 있다.
상기 폴리에스테르 필름층(12)은, 바람직하게는 폴리에스테르계 수지로서 내열성 및 기계적 강도 등에서 유리한 폴리프로필렌계테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌계나프탈레이트(PEN), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 및 폴리부틸렌나프탈레이트(PBN) 등으로부터 선택된 하나 이상의 수지를 포함하는 것일 수 있다. 폴리에스테르 필름층(12)은, 보다 바람직하게는 상기한 나열한 것들 중에서 분자 내에 프로필렌계를 가지는 폴리프로필렌계테레프탈레이트(PET) 및 폴리프로필렌계나프탈레이트(PEN) 등으로부터 선택된 하나 이상의 수지를 포함하는 것일 수 있다. 폴리에스테르 필름층(12)은 보다 구체적으로 폴리프로필렌계테레프탈레이트 필름(PET 필름) 또는 폴리프로필렌계나프탈레이트 필름(PEN 필름)으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 폴리에스테르 필름층(12)은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 50㎛(마이크로미터) ~ 1,000㎛의 두께를 가질 수 있다. 이때, 폴리에스테르 필름층(12)의 두께가 50㎛ 미만이면 배리어성, 내열성, 기계적 강도(인장강도 등) 및 치수안정성 등이 양호하지 않을 수 있으며, 1,000㎛를 초과하는 경우 유연성(flexible)이나 비용 면에서 바람직하지 않을 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 상기 폴리에스테르 필름층(12)은 80 ~ 500㎛의 두께를 가지는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 100 ~ 300㎛의 두께를 가질 수 있다.
한편, 상기 백색 폴리에스테르 필름층(14) 및/또는 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 내후성 및 내구성을 향상시키기 위해서 바람직하게는 가교제, 광안정제, 자외선 흡수제, 광산화 방지제 등의 첨가제를 더 포함할 수 있다. 상기 첨가제의 함량은 상기 백색 폴리에스테르 필름층(14) 및/또는 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)의 총 중량에 대하여 광안정제 1~10 중량%, 자외선 흡수제 1~5 중량%, 산화 방지제 1~5 중량%, 가교제 1~5 중량%일 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 구현예들에서는, 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 태양전지 모듈의 봉지층(20, 도 3 참조), 즉 하부 봉지층(20a)과 접착된다. 여기서, 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 별도의 프라미어 층을 가지지 않고도 일반적으로 EVA 시트로 구성되는 봉지층(20)과 열접착력이 매우 우수하게 된다.
한편, 일 구현예에서, 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 폴리에틸렌 수지 총 중량에 대하여 고밀도 폴리에틸렌 수지를 2~30 중량% 더 포함할 수 있다.
고밀도 폴리에틸렌 수지는 특히 투습 및 기체 투과도가 우수하므로, 고밀도 폴리에틸렌 수지를 배합하면 기체나 액체의 불투과성이 우수하여, 백시트(10)에 습기 차단성 등의 배리어성을 더욱 개선하여 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.
위와 같은 백색 폴리에스테르 필름층(14) 또는 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 폴리에스테르 필름층(12) 상에 다양한 방법으로 형성될 수 있다.
백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 압출기, T 다이 압출기, 캐스트 성형기, 팽창 성형기 등을 사용하여, 밀어내기 법, T 다이 법, 캐스트 성형 법, 관형 필름처리 법, 또는 기타 필름 성형 법 등에 의해 제조될 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
한편, 일구현예에서, 백색 폴리에스테르 필름층(14) 및 폴리에스테르 필름층(12)의 제조는 TPA와 EG를 에스테르화 반응시킨 후 중합하여 PET Chip 수지를 제조한다. 중합공정을 통해 만들어진 Chip을 용융하여 일정한 폭의 다이(Die)에 토출시켜 시트 형태로 만든 후, 2축 연신 공정을 통하여 폴리에스테르 필름을 만드는 공정을 거칠 수 있다.
각 층을 열 융착이나 접착제를 통해 접착할 수 있는데 상기 층들은 접착제를 통해 접착되는 것이 좋다. 예를 들어 그라비아 및 마이크로 그라비아, 스핀 코팅, 스크린 프린팅, Comma 코팅 및 Die 코팅 등으로부터 선택된 하나 이상의 코팅 방법으로 접착제를 도포하여 층을 형성할 수 있다.
일구현예에서, 폴리에스테르 필름층(12)에 각각 백색 폴리에스테르 필름층(14) 및 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)을 적층(lamination)하면서 열처리 공정을 동시에 진행하면, 공정 비를 절감하고 우수한 가격 경쟁력 면에서 바람직할 수 있다.
상기 열처리 공정은 예를 들어, 180℃ 고온의 드라이 챔버(Dry Chamber) 건조에서 설비의 Tension을 제어(저 Tension)하고, 가공속도를 최적화하여 폴리에스테르 기재 필름의 치수 안정성을 개선시킬 수 있다. 통상적인 PET 필름의 경우에는 치수 안정성이 1% 이상이지만, 상기 열처리 공정은 그 결과 0.5% 이하의 치수 안정성을 확보할 수 있다.
일구현예에서, 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)은 코팅될 수 있다. 이를 위하여, 폴리에틸렌 수지, 백색 무기물, 용매 및 필요하다면 첨가제를 함유하는 코팅 조성물을 사용하여 코팅을 수행하고 경과(건조)할 수 있다. 이때, 상기 용매는 폴리에틸렌 수지를 희석하여 코팅이 가능할 정도의 점도를 갖게 하는 것이면 제한되지 않는다. 용매는, 예를 들어 알콜계, 글리콜계, 케톤계 및 포름아마이드계 등으로부터 선택된 하나 이상의 유기용제를 사용할 수 있다. 구체적으로 용매는 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 메틸렌글리콜, 프로필렌계글리콜, 메틸에틸케톤(MEK) 및 다이메틸포름아마이드(DMF) 등으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 이러한 용매는 폴리프로필렌계 수지 100 중량부에 대하여 예를 들어 50 ~ 300 중량부로 함유할 수 있다. 이때, 용매의 함량이 50 중량부 미만이면 점도가 높아 코팅 작업성이 떨어질 수 있으며, 300 중량부를 초과하면 경화(건조) 시간이 오래 걸릴 수 있다.
또한, 상기 코팅 조성물의 코팅 방법 및 코팅 회수는 제한되지 않는다. 예를 들어 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(dip coating), 바 코팅(bar coating), 스프레이 코팅(spray coating), 잉크젯 프린팅(ink-jet printing), 그라비아(gravure) 및 스크린 프린팅(screen-printing) 등으로부터 선택된 하나 이상의 코팅 방법으로 1회 또는 2회 이상 코팅하여 형성할 수 있다.
본 발명의 구현예들에 따른 태양전지 모듈은, 본 명세서에 개시하는 백 시트(10)를 포함한다. 도 3은 본 발명에 따른 태양전지 모듈의 예시적인 형태를 보인 단면 구성도이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 태양전지 모듈은 투명 부재(30), 봉지층(20), 태양전지 셀(C), 및 상기한 바와 같은 본 발명의 백 시트(100)가 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 투명 부재(30)는 태양전지 셀(C)의 상부 측을 보호하는 것으로서, 이는 태양전지 셀(C) 보호와 함께 광의 입사에 유리한 강화 유리 등이 사용될 수 있다. 또한, 상기 봉지층(20)은 전기적으로 연결된 다수의 태양전지 셀(C)을 패킹, 고정할 수 있는 것으로서, 이는 도 3에 도시된 바와 같이 상부 봉지층(20b)과 하부 봉지층(20a)으로 구분될 수 있다. 이러한 봉지층(20)은, 바람직하게는 통상과 같이 에틸렌계 비닐아세테이트(EVA) 시트로 구성될 수 있다.
아울러, 백 시트(10)는 봉지층(20)의 하부에 접착된다. 보다 구체적으로, 하부 봉지층(20a)의 하부 면에 백 시트(100)의 상부인 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)이 접착된다. 이때, 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)과 하부 봉지층(20a)은 열 융착이나 접착제를 통해 접착될 수 있다. 접착제는 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 아크릴계, 우레탄계 및 에폭시계 수지 등으로부터 선택된 1종 이상의 접착제를 사용할 수 있다. 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층(13)과 하부 봉지층(20a)은, 바람직하게는 열 융착에 의해 접착되는 것일 수 있다. 한편, 백색 폴리에스테르 필름층(14)은 태양전지 모듈의 하측 최외각 표면을 구성하게 된다(즉, air side에 위치).
이상에서 설명한 본 발명의 구현예들에 따르면, 전술한 바와 같이 백 시트(10)의 저가격화를 도모할 수 있다. 즉, 내후성을 위한 표면층을 구성함에 있어서, 종래와 같이 필름 자체의 가격이 높은 PVDF나 PVF 등의 불소계 필름을 사용하지 않고, 저렴한 가격으로 보급될 수 있으면서도, 접착력, 배리어성(습기 차단성 등) 및 내후성 등이 우수하고, 동시에 반사율이 향상되어 태양전지 셀의 효율을 향상할 수 있는 우수한 효과를 갖는다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
[실험 1 : 실시예 1 내지 5에 대한 반사율 및 부분방전압 측정]
백색 폴리에스테르 필름층 및 폴리에스테르 필름층의 제조에 사용될 폴리에스테르 필름은 먼저 TPA와 EG를 에스테르화 반응시킨 후 중합하여 PET Chip 수지를 제조하였다. 중합공정을 통해 만들어진 Chip을 용융하여 일정한 폭의 다이(Die)에 토출시켜 시트 형태로 만든 후, 2축 연신 공정을 통하여 폴리에스테르 필름을 제조하였다.
이어서, 두께 188㎛의 내열성 PET 필름을 준비하고, 한면에 상기 코팅 코성물을 바 코팅한 후, 열풍 건조하였다. 코팅 조성물은 폴리에틸렌(PE) 총 중량에 대하여 4 중량%(실시예 1 내지 5)의 이산화티탄(TiO2)을 혼합하여 얻었다.
다음, 폴리에스테르 필름 총 중량에 대하여, 10 중량%의 이산화티탄(TiO2) 및 2 중량%의 저 함량 올리고머 수지를 혼합하여 상기 내열성 PET 필름의 다른 일면에 바 코팅한 후, 열풍 건조하였다.
실시예 1은 W-PET (50㎛) / PET (188㎛) / W-PE (50㎛)로 적층하였다.
실시예 2는 W-PET (50㎛) / PET (188㎛) / W-PE (100㎛)로 적층하였다.
실시예 3은 W-PET (50㎛) / PET (188㎛) / W-PE (120㎛)로 적층하였다.
실시예 4는 W-PET (50㎛) / PET (188㎛) / W-PE (200㎛)로 적층하였다.
실시예 5는 W-PET (50㎛) / PET (188㎛) / W-PE (300㎛)로 적층하였다.
상기 실시예 1 내지 5에 대하여 반사율 및 부분 방전압을 측정하였다.
반사율은 가로 x 세로(5cm x 5cm)로 절단된 각각의 백 시트 시편을 준비하고 Shimadzu UV-spectrometer 기계를 사용하여, 550nm 파장에서의 반사율을 측정하였다.
부분방전압은 절연물의 표면에서의 고전계에 의한 부분적인 표면 방전, 또는 절연물 내부에 존재하는 틈이나 기포에 생기는 내부 방전 등의 부분 방전으로, 이 곳에서 전압 스트레스에 의한 절연물의 열화가 진전한다. 이 때 전압을 측정하였으며, 일반적인 백 시트의 부분방전압 허용 기준은 1000VDC 정도이다.
그 결과를 표 1에 나타내었다.
| 구 분 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | 실시예 4 | 실시예 5 |
| 백시트 적층 구조(단위: ㎛) | W-PET50/ PET188/ W-PE50 |
W-PET50/ PET188/ W-PE100 |
W-PET50/ PET188/ W-PE120 |
W-PET50/ PET188/ W-PE200 |
W-PET50/ PET188/ W-PE300 |
| W-PE 층 TiO2함량 (중량%) |
4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| 반사율 (550nm, %) |
86 | 88 | 90 | 92 | 94 |
| 부분방전압 (VDC) |
970 | 1,060 | 1,080 | 1,100 | 1,250 |
표 1에서 알 수 있듯이, W-PE 층(백색 폴리에틸렌계 필름층)에서 백색 무기물 첨가량을 동일하게 하되 W-PE 층의 두께별로 백 시트를 달리 제조하여(실시예 1 내지 5) 반사율 및 부분방전압 테스트를 진행한 결과, 두께가 증가할수록 반사율이 증가함을 알 수 있었으며, 부분방전압 또한 증가함을 확인할 수 있었다. 반대로 두께가 낮으면 반사율 및 부분방전압에서 효과가 미흡하였다.
[실험 2 : 실시예 6 내지 11에 대한 반사율 및 접착력 측정]
실시예 1 내지 5와 동일하게 하되, W-PE 층의 두께를 120㎛로 하고 또한 W-PE 층에서의 이산화티탄(TiO2) 함량을 하기와 같이 각각 변경하여 실시예 6 내지 11을 제조하고, 반사율과 EVA 시트와의 접착력을 평가하였다.
EVA 시트와의 접착력 측정은 백 시트 시편을 A4 크기로 절단하고, EVA 시트는 백 시트 시편보다 작은 크기로 절단한 다음, 포개어 열풍 오븐에 150℃, 15분간 넣어 접착하였다. 그리고 오븐에서 꺼내어 식힌 후, 15mm x 15mm(가로 x 세로) 크기로 절단한 다음, EVA 시트와 백 시트 간의 박리 강도(EVA와의 접착력)를 인장강도기를 사용하여 측정하였다.
그 결과를 표 2에 나타내었다.
| 구 분 | 실시예 6 | 실시예 7 | 실시예 8 | 실시예 9 | 실시예 10 | 실시예 11 |
| 백시트 적층 구조(단위: ㎛) | W-PET50/ PET188/ W-PE120 |
W-PET50/ PET188/ W-PE120 |
W-PET50/ PET188/ W-PE120 |
W-PET50/ PET188/ W-PE120 |
W-PET50/ PET188/ W-PE120 |
W-PET50/ PET188/ W-PE120 |
| W-PE 층 TiO2함량 (중량%) |
1 | 2 | 4 | 8 | 15 | 20 |
| 반사율 (550nm, %) |
86 | 88 | 90 | 93 | 94 | 95 |
| EVA와의 접착력 (kg/15mm) | 박리불능 | 박리불능 | 박리불능 | 박리불능 | 1.1 | 0.7 |
표 2에서 알 수 있듯이, W-PE 층에서 백색 무기물 첨가량을 달리하여 반사율을 측정한 결과, 백색 무기물의 함량이 증가하면 반사율이 향상되며, EVA(하부 봉지층 시트)와의 접착강도도 우수함을 알 수 있다. 그러나, 첨가량이 20 중량%를 초과하면, 폴리에틸렌의 비중이 낮아져 EVA(하부 봉지층 시트)와의 접착강도가 낮아지며, 작업성 또한 나쁘게 된다.
[실험 3: 실시예 8, 9 및 비교예들 대비 반사율 측정]
비교예들의 필름을 다음과 같이 구성하였다.
비교예 1은 PVDF(30㎛) / PET(188㎛) / W-PE(120㎛)을 적층하였다. 여기서 W-PE 중 이산화티탄(TiO2) 함량을 4 중량%로 하였다. PET 필름(두께 188㎛)의 단면에 PVDF 필름(두께 30㎛)을 우레탄계 접착제로 접착하였으며, 또 다른 단면에 W-PE 필름(두께 120㎛)을 동일한 접착제로 접착하여 PVDF(30㎛)/PET(188㎛)/W-PE(120㎛)의 적층 구조를 가지는 백 시트를 준비하였다.
비교예 2는 상기 비교예 1과 동일한 방법으로 PVDF(30㎛) / PET(188㎛) / W-PE(120㎛)을 적층하였다. 여기서 W-PE 중 이산화티탄(TiO2) 함량을 8 중량%로 하였다.
비교예 3은 불소코팅 / PET / W-PE 을 적층하였다. 여기서 W-PE 중 이산화티탄(TiO2) 함량을 4 중량%로 하였다. 불소코팅인 불소수지 PVDF는 지방족계 탄화수소의 분자구조에 수소(H)원자를 불소(F)원자로 일부 치환한 폴리비닐리텐 플로라이드 수지를 도료화 시킨 코팅제이다. PET 필름(두께 188㎛)의 단면에 액상의 PVDF 수지를 코팅(두께 20㎛)을 코팅하였으며, 또 다른 단면에 W-PE 필름(두께 120㎛)을 동일한 접착제로 접착하여 불소코팅(20㎛)/PET(188㎛)/W-PE(120㎛)의 적층 구조를 가지는 백 시트를 준비하였다.
비교예 4는 상기 비교예 3과 동일한 방법으로 불소코팅 / PET / W-PE 을 적층하였다. 여기서 W-PE 중 이산화티탄(TiO2) 함량을 8 중량%로 하였다.
상기 실험 2의 실시예 8, 9와 상기 비교예들에 대하여 반사율을 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다.
| 구 분 | 비교예 1 | 비교예 2 | 비교예 3 | 비교예 4 | 실시예 8 | 실시예 9 |
| 외측부(Air Side) 필름 사양 (단위: ㎛) |
PVDF30 / PET188/ W-PE120 |
PVDF30 / PET188/ W-PE120 |
불소코팅20/ PET188/ W-PE120 |
불소코팅20/ PET188/ W-PE120 |
W-PET50/ PET188/ W-PE120 |
W-PET50/ PET188/ W-PE120 |
| W-PE 층 TiO2함량 (중량%) |
4 | 8 | 4 | 8 | 4 | 8 |
| 반사율 (550nm, %) |
85 | 88 | 74 | 86 | 90 | 93 |
표 3에서 알 수 있듯이, 비교예 1 내지 4에 비해, 특히 백색 폴리에스테르 필름층이 외측부에 형성된 본 발명의 실시예들의 백 시트는 높은 반사율을 나타내고 있다.
[실험 4: 인장강도, 신장율 평가]
실시예 9 및 비교예 3에 대해서, 시료크기 15mm BAR를 FILM(겹쳐진)위에 놓고 길이 15cm정도까지 잘랐다(이때 주의할 점은 MD, TD방향을 확실히 구분한다). 준비된 시료를 인장강도기를 이용하여 좌·중·우 3회 측정하여 평균값을 산출하였다. 여기서 인장강도는 파단 시 걸린 하중을 측정하며, 신장율은 파단시까지 늘어난 길이(mm)를 측정하였다.
인장강도 및 신장율에 대한 결과를 그래프로 도 4 및 도 5에 나타내었다(도 4 및 5 참조).
[실험 5 : 층간 접착력, 투습도, 치수 안정성 및 내후성]
상기 실시예 9, 비교예 1 및 3의 백 시트를 사용하여, 층간 접착력, 투습도, 치수 안정성 및 내후성을 측정하였다.
층간 접착력은 시료크기 15mm BAR를 FILM(겹쳐진)위에 놓고 길이 15cm정도까지 잘랐다(이때 주의할 점은 MD 방향으로 Cutting 한다). 필름간 접착 되 있는 면을 박리하고 박리된 필름을 인장강도기를 이용하여 좌·중·우 3회 측정하여 층간 접착강도를 측정하였다.
투습도는 각 백 시트 시편을 커터 바(cutter bar)를 이용하여 15mm x 15mm(가로 x 세로) 크기로 절단한 다음, 투습도 측정기를 이용하여 측정하였다.
치수 안정성은 각 백 시트 시편을 커터 바(cutter bar)를 이용하여 120mm x 60mm(가로 x 세로) 크기로 절단한 다음, 가로 방향으로 시작점과 100mm가 되는 지점을 표시하였다. 그리고 오븐에 넣어 150℃의 온도에서 30분간 방치한 다음, 꺼내어 시작점부터 표시된 지점까지의 길이를 측정하고, 아래의 수학식에 따라 내열 치수 안정성을 평가하였다.
내열 치수 안정성(%) = (t - t0)/t0 x 100
(t : 초기 치수(100mm), t0 : 열 처리 후 치수)
내후성은 백 시트 시편에 대하여, UV 촉진폭로 시험 장비를 이용하여 내후성(신뢰성)을 평가하고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 이때, 상대 습도 70% RH, 65℃의 조건에서, 각 백 시트 시편을 촉진폭로 시험장비의 UV 램프에 65W/㎡의 세기로 500시간, 1000시간, 1500시간 동안 노출시킨 후, 상기와 같은 방법으로 치수 안정성 및 층간 접착력, 투습도, 인장강도 및 신율을 평가하였다.
| 비 고 | 초기 | 500hr | 1000hr | 1500hr | ||
| 실시예 9 |
W-PET50/ PET188/ W-PE120 (단위: ㎛) |
인장강도(kgf/15㎜) | 59 | 58 | 52 | 48 |
| 신율(%) | 142 | 150 | 138 | 119 | ||
| 층간접착력(kgf/15㎜) | 박리불능 | 박리불능 | 박리불능 | 박리불능 | ||
| 투습도(g/㎡ㆍday) | 1.5 | - | - | - | ||
| 치수안정성(%) | 0.5↓ | 0.5↓ | 0.5↓ | 0.5↓ | ||
| 비교예 1 |
PVDF30 / PET188/ W-PE120 (단위: ㎛) |
인장강도(kgf/15㎜) | 62 | 58 | 59 | 50 |
| 신율(%) | 230 | 222 | 220 | 189 | ||
| 층간접착력(kgf/15㎜) | 0.5 | 0.5 | 0.3 | 0.2 | ||
| 투습도(g/㎡ㆍday) | 1.7 | - | - | - | ||
| 치수안정성(%) | 0.5↓ | 0.5↓ | 0.5↓ | 0.5↓ | ||
| 비교예 3 |
불소코팅20/ PET188/ W-PE120 (단위: ㎛) |
인장강도(kgf/15㎜) | 58 | 52 | 50 | 46 |
| 신율(%) | 217 | 200 | 211 | 190 | ||
| 층간접착력(kgf/15㎜) | - | - | - | - | ||
| 투습도(g/㎡ㆍday) | 1.9 | - | - | - | ||
| 치수안정성(%) | 0.7↓ | 0.7↓ | 0.7↓ | 0.7↓ | ||
UV 내후성 평가 결과, 실시예9와 비교예1, 3의 경우 기계적 강도(인장강도, 신율)등이 변화 폭이 작았고 불소필름 및 불소코팅 비교하여 동일 수준임을 알 수 있었다. 층간 접착력의 경우 실시예 9가 비교예 1보다 우수 하였으며, 투습 배리어성도 비교예 1, 3 대비 양호 함을 알 수 있다. 여기서 비교예 3은 불소코팅 타입이라 층간 접착력 측정이 불가능하였다. 치수 안정성은 실시예 9와 비교예 1은 동일 PET를 사용하였으며, 비교예 3 대비 치수 안정성이 양호하였다.
10 : 백 시트 12 : 폴리에스테르 필름층
13: 백색 폴리에틸렌계 필름층
14: 백색 폴리에스테르 필름층
20(20a, 20b) : 봉지층 30 : 투명 부재
C : 태양전지 셀
13: 백색 폴리에틸렌계 필름층
14: 백색 폴리에스테르 필름층
20(20a, 20b) : 봉지층 30 : 투명 부재
C : 태양전지 셀
Claims (13)
- 폴리에스테르 필름층;
상기 폴리에스테르 필름층의 외측부(air side)에 형성되고 폴리에스테르 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에스테르 필름층; 및
상기 폴리에스테르 필름층의 다른 측에 형성되고 폴리에틸렌 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에틸렌계 필름층을 포함하며,
상기 백색 폴리에스테르 필름층은 상기 폴리에스테르 수지 총 중량에 대하여 상기 백색 무기물 함량이 1~20 중량%인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 백 시트. - 제1항에 있어서,
상기 백색 폴리에스테르 필름층은 12~500μm의 두께를 가지는 태양전지 모듈용 백 시트. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 백색 폴리에스테르 필름층은 폴리에스테르 수지 총 중량에 대하여 올리고머 함량이 0.1~5 중량%인 폴리에스테르 수지를 사용하는 태양전지 모듈용 백 시트. - 제1항에 있어서,
상기 백색 폴리에틸렌계 필름층은 50~500㎛의 두께를 가지는 태양전지 모듈용 백 시트. - 제5항에 있어서,
상기 백색 폴리에틸렌계 필름층은 백색 무기물의 함량이 폴리에틸렌 수지 총 중량에 대하여 1~20 중량%인 태양전지 모듈용 백 시트. - 제 1 항에 있어서,
상기 백색 폴리에스테르 필름층 및 백색 폴리에틸렌계 필름층 중 선택되는 하나 이상의 층은 가교제, 광안정제, 자외선 흡수제 및 광산화 방지제로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 첨가제를 더 포함하는 태양전지 모듈용 백 시트. - 제1항에 있어서,
상기 백색 폴리에틸렌계 필름층은 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 봉지층과 열접착되는 층인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 백 시트. - 제1항에 있어서,
상기 폴리에스테르 필름층은 폴리프로필렌계테레프탈레이트(PET), 폴리프로필렌계나프탈레이트(PEN), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 및 폴리부틸렌나프탈레이트(PBN)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 백 시트. - 제9항에 있어서,
상기 폴리에스테르 필름층은 50㎛ ~ 1,000㎛의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 백 시트. - 폴리에스테르 필름층을 형성하는 단계;
상기 폴리에스테르 필름층의 외측부(air side)에 폴리에스테르 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에스테르 필름층을 형성하는 단계; 및
상기 폴리에스테르 필름층의 다른 측에 폴리에틸렌 수지 및 백색 무기물을 포함하는 백색 폴리에틸렌계 필름층을 형성하는 단계를 포함하며,
상기 백색 폴리에스테르 필름층은 상기 폴리에스테르 수지 총 중량에 대하여 상기 백색 무기물 함량이 1~20 중량%인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 백 시트의 제조 방법. - 제11항에 있어서,
상기 폴리에스테르 필름층에 상기 백색 폴리에스테르 필름 층 및 상기 백색 폴리에틸렌계 필름층을 적층(lamination)하면서 열처리 공정을 동시에 진행하는 태양전지 모듈용 백 시트의 제조방법. - 제1항, 제2항, 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 태양전지 모듈용 백 시트를 포함하고, 상기 백 시트가 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 봉지층과 열접착되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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2013
- 2013-12-11 KR KR1020130153551A patent/KR101518137B1/ko active IP Right Grant
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