KR101603163B1 - 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈은 플라스틱 계열로 구성되며 윗면에 공간부가 형성된 베이스 부재와, 상기 공간부에 설치되어 입사된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 태양 전지, 에폭시(Epoxy) 계열이나 아크릴(Acrylic) 계열의 수지로 구성된 모재와 경화제가 혼합된 혼합물로서 공간부에 안착 된 태양 전지 및 공간부의 내벽에 몰드(Mold) 및 경화되어 태양 전지로 빛을 투과시킴과 더불어 태양 전지의 내구성을 확보하는 플라스틱 수지(Plastic resin), 및 불소 수지로서 상기 플라스틱 수지 윗면에 적층 되고 굴절률 매칭(Reflective Index Matching)을 통해 광 투과율을 상승시켜 태양광을 태양 전지에 보다 많이 투과시킴으로써 태양 전지의 효율을 증대시키고 불소 수지를 이용함으로써 표면 오염 방지 기능을 향상시켜 발전 효율을 보다 증대시키는 전면 필름으로 이루어질 수 있다.

Description

효율이 향상된 경량화 태양광 모듈{Lightweight photovoltaic modules with improved efficiency}
본 발명은 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 옥외 설치된 상태에서 입사된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈에 관한 것이다.
현재 세계적으로 에너지 공급원의 다변화가 시급한 실정이며, 그 후보로 태양 에너지, 풍력 및 수력 에너지와 같은 신 재생 에너지에 대한 분야가 부각되고 있다.
일반적으로 태양광 모듈을 구성하는 요소 중 기판(Substrate)은 결정질 태양 전지를 기준으로 하였을 때 태양광 모듈의 최하층에 위치하여 외부 환경으로부터 태양 전지를 보호한다.
또한, 상기 태양 전지의 전·후면에는 접착 및 완충 기능을 수행하는 봉지재 층이 갖추어지고, 태양 전지 위에는 전면 소재(Low iron glass)가 장착된다.
상기 봉지재와 전면 소재는 기본적으로 태양 전지의 발전 효율과 밀접한 관계를 갖는 동시에 태양 전지의 수명을 결정짓는 주요 인자 중 하나이다.
하지만, 상기 태양광 모듈에 장착되는 봉지재와 유리 소재의 기판은 태양광 모듈의 무게를 증대시킨다는 문제점이 있었다.
또한, 제조 공정이 복잡함에 따라 태양광 모듈의 제조 비용과 제조 시간이 증가한다는 문제점이 있었다.
한편, 태양광을 반사시키거나 굴절시키지 않고 태양광을 직접 입사 받는 태양 전지의 선행 기술로는 등록특허번호 "10-1484908"호의 "집광부에 나노 플라스틱 볼을 형성시켜 집광 효율이 증대되는 태양 전지 모듈"이 출원되어 등록되었는데, 상기 집광부에 나노 플라스틱 볼을 형성시켜 집광 효율이 증대되는 태양 전지 모듈은 태양광을 이용하여 전기를 생성하는 솔라 셀(Solar Cell)과, 상기 솔라 셀의 전면에 형성된 제1 에틸렌 비닐 아세테이트층, 상기 솔라 셀의 후면에 형성된 제2 에틸렌 비닐 아세테이트층, 상기 제1 에틸렌 비닐 아세테이트층의 전면에 부착되는 커버, 및 상기 커버의 전면에 형성되며 입사되는 태양광을 집광하는 프라이머층을 포함한다.
하지만, 상기 선행 기술의 제조 공정은 각 구성 요소를 적층 시킨 다음 진공 상태에서 압축하고 솔라셀 외곽으로 돌출된 제1·2 에틸렌 비닐 아세테이트층과 커버 및 프라이머층을 잘라 내야 함으로 제조 공정이 복잡하다는 문제점이 있었다.
또한, 제조 공정이 복잡함에 따라 태양광 모듈의 제조 비용과 제조 시간이 증가한다는 문제점이 있었다.
또, 기존의 태양광 모듈은 옥외에 설치되었을 때 외부 노출된 전면이 오염 물질에 의해 손상되어 태양 전지의 발전 효율이 떨어질 수 있다는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허번호 10-2013-0082056 (2013.07.18) 대한민국 공개특허번호 10-2014-0003679 (2014.01.10) 대한민국 등록특허번호 10-1484908 (2015.01.22)
이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 태양광 모듈의 구조를 단순화하여 제조 공정을 단순화함으로써 태양광 모듈의 제조 단가 및 제조 시간을 줄이고 시설 투자비를 최소화할 수 있는 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈을 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.
또한, 본 발명은 태양광 모듈의 전면 소재인 유리를 제거하고 새로운 방식의 봉지재(Encapsulation material)를 사용함으로써 태양광 모듈의 무게를 줄일 수 있도록 한 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈을 제공하는데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 유리 소재의 기판을 유리보다 비중이 1/2 정도 가벼운 플라스틱 소재의 기판을 사용함으로써 태양광 모듈의 무게를 줄일 수 있도록 한 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈을 제공하는데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 경량화된 태양광 모듈의 외부 오염을 방지함으로써 태양광 모듈의 발전 효율을 증대시킬 수 있도록 한 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈을 제공하는데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 외부 노출된 태양광 모듈의 내구성을 증대시킬 수 있는 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈을 제공하는데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.
또, 본 발명은 태양광의 투과율을 보다 높여 태양광 모듈의 발전 효율을 증대시킬 수 있는 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈을 제공하는데 본 발명의 또 다른 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈은 플라스틱 계열로 구성되며 윗면에 공간부가 형성된 베이스 부재와, 상기 공간부에 설치되어 입사된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 태양 전지, 에폭시(Epoxy) 계열이나 아크릴(Acrylic) 계열의 수지로 구성된 모재와 경화제가 혼합된 혼합물로서 공간부에 안착 된 태양 전지 및 공간부의 내벽에 몰드(Mold) 및 경화되어 태양 전지로 빛을 투과시킴과 더불어 태양 전지의 내구성을 확보하는 플라스틱 수지(Plastic resin), 및 불소 수지로서 상기 플라스틱 수지 전면에 적층 되고 굴절률 매칭(Reflective Index Matching)을 통해 광 투과율을 상승시켜 태양광을 태양 전지에 보다 많이 투과시킴으로써 태양 전지의 발전 효율을 증대시키고 불소 수지를 이용함으로써 표면 오염 방지 기능을 향상시켜 발전 효율을 보다 증대시키는 전면 필름으로 이루어질 수 있다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명에 따른 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈은 플라스틱 계열의 베이스 부재에 복수 개의 태양 전지 어레이를 장착하고, 상기 태양 전지 어레이 위에 에폭시 계열이나 아크릴 계열의 플라스틱 수지를 적층하고 그 위에 전면 필름을 적층한 구조로서 기존의 태양광 모듈에 비해 제조 공정이 단순하다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈은 태양광 모듈의 구조와 제조 공정을 단순화함으로써 태양광 모듈의 제조 단가 및 제조 시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 외부 노출된 태양광 모듈의 외부 오염을 방지함으로써 태양광 모듈의 발전 효율을 증대시킬 수 있고, 태양광의 투과율을 보다 높여 태양광 모듈의 효율을 높일 수 있다.
또, 본 발명은 기존의 캡슐화 소재를 플라스틱 수지나 전면 필름으로 대체함으로써 태양광 모듈의 무게를 절감시킬 수 있다.
또, 본 발명은 태양 전지를 제외한 모든 설치 부재를 플라스틱 재질로 구성함으로써 제조 단가를 낮추고 제조 공정을 단순화화였다.
도면 1은 본 발명의 종단면도,
도면 2는 플라스틱 수지 위에 전면 필름이 부가 장착된 상태를 설명하기 위한 도면,
도면 3a와 도면 3b는 전면 필름이 장착되었을 때와 전면 필름이 장착되지 않았을 때 본 발명으로 입사되는 빛의 파장별 투과율을 도시한 도면,
도면 4는 전면 필름이나 플라스틱 수지에 첨가된 투과형 플라스틱 볼을 설명하기 위한 도면,
도면 5는 태양 전지의 종단면도.
도면 6은 이온 흡착제를 사용하여 불순물을 흡착하는 과정을 도시한 도면,
도면 7a는 플라스틱 수지에 첨가되는 페놀 계열 산화 방지제의 양에 따라 황색도(YI: Yellow Index)가 발생되거나 발생되지 않음을 설명하기 위한 도면,
도면 7b는 플라스틱 수지에 첨가되는 인산염 계열의 산화 방지제의 양에 따라 황색도가 발생되거나 발생되지 않음을 설명하기 위한 도면,
도면 7c는 플라스틱 수지에 첨가되는 티오에테르 계열의 산화 방지제의 양에 따라 황색도가 발생되거나 발생되지 않음을 설명하기 위한 도면,
도면 7d는 플라스틱 수지에 첨가되는 트리아진계의 UV 흡수제의 양에 따라 황색도가 발생되거나 발생되지 않음을 설명하기 위한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명한다.
본 발명에 따른 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈은 도면 1에 도시한 바와 같이, 플라스틱 계열로 구성되며 윗면에 공간부(2)가 형성된 베이스 부재(7)와, 상기 공간부(2)에 설치되어 입사된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 태양 전지(1), 및 에폭시(Epoxy) 계열이나 아크릴(Acrylic) 계열의 수지로 구성된 모재와 경화제가 혼합된 혼합물로서 공간부(2)에 안착 된 태양 전지(1) 및 공간부(2)의 내벽에 몰드(Mold) 및 경화되어 태양 전지(1)로 빛을 투과시킴과 더불어 태양 전지(1)의 내구성을 확보하는 플라스틱 수지(3)(Plastic resin)로 구성된다.
상기 구조에 의해 상기 베이스 부재(7)는 태양광 모듈의 형태를 잡아주고 태양 전지(1)는 베이스 부재(7)의 공간부(2)에 플라스틱 수지(3)로 몰드(mold)된다.
상기 플라스틱 수지(3)는 모재로서 방향성 에폭시(Aromatic Epoxy)나 지방족 고리 에폭시(Cycloaliphatic Epoxy)를 사용한다.
또한, 상기 플라스틱 수지(3)에는 모재의 경화를 위해 모재에 경화제를 섞어 몰드함으로써 경화를 진행한다.
또, 상기 플라스틱 수지(3)의 윗면에는 도면 2에 도시한 바와 같이, 불소 수지로서 상기 플라스틱 수지(3) 윗면에 적층 되고 굴절률 매칭(Reflective Index Matching)을 통해 광 투과율을 상승시켜 태양광을 태양 전지에 보다 많이 투과시킴으로써 태양 전지의 발전 효율을 증대시키고 불소 수지를 이용함으로써 표면 오염 방지 기능을 향상시켜 발전 효율을 보다 증대시키는 전면 필름(5)이 부가 장착될 수 있다.
상기 전면 필름(5)은 입사되는 태양광의 반사를 억제(anti-reflection)하고 하부에 적층 된 플라스틱 수지(3)의 내구성을 증대시킨다.
도면 3a와 도면 3b는 전면 필름(5)을 장착하였을 때 빛의 파장에 따라 빛의 투과율이 상승 된 실험 결과를 그래프로 도시하였다.
또한, 상기 전면 필름(5) 또는 플라스틱 수지(3)에는 도면 4에 도시한 바와 같이, 전면 필름(5)이나 플라스틱 수지(3)로 입사된 빛의 확산 투과율(Haze)을 높이는 투과형 플라스틱 볼(9)이 첨가될 수 있고, 상기 투과형 플라스틱 볼(9)의 직경은 2 마이크로미터 내지 50 마이크로미터로 이루어질 수 있다.
상기 투과형 플라스틱 볼(9)은 빛 통과 거리(Light Pass Length)를 증대시켜 태양 전지의 발전 효율을 증대시킬 수 있다.
상기 전면 필름(5)이나 플라스틱 수지(3)에 첨가된 복수 개의 투과형 플라스틱 볼(9)은 서로 동일한 직경을 갖으며, 상기 투과형 플라스틱 볼(9)의 직경은 5 마이크로미터이거나 8 마이크로미터 또는 12 마이크로미터로 이루어질 수 있다.
상기 투과형 플라스틱 볼(9)은 전면 필름(5)이나 플라스틱 수지(3)에 10wt% 내지 80wt%가 첨가됨이 바람직하다.
상기 투과형 플라스틱 볼(9)은 아크릴 수지로 제작됨이 바람직하다.
상기 태양 전지(1)는 도면 5에 도시한 일실시 예로서, 입사되는 태양광을 굴절 및 반사시키기 위해 아래 면이 표면 조직화(Texturing)된 제1 TCO(Transparent Conductive Oxide)층(11)과, 상기 제1 TCO층(11)의 아랫면에 배치된 상태에서 입사된 태양광을 전기 에너지로 변환하는 a-Si(amorphous-Silicon)층(13), 상기 a-Si층(13)의 아랫면에 배치되고 태양광을 굴절 및 반사하여 가두기 위해 윗면이 표면 조직화된 제2 TCO(Transparent Conductive Oxide)층(15), 상기 제2 TCO층(15)의 아랫면에 배치된 상태에서 태양 전지(1)에서 발생한 광기전력을 외부 인출하기 위한 실버(Silver)층(17), 및 상기 a-Si층(13)의 중간에 형성되어 a-Si층(13)의 내부에서 태양광이 반사되도록 중간 반사층 역할을 하는 c-Si층(19)으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 태양 전지(1)의 밑면에는 태양광의 반사나 유출을 줄임과 동시에 라이트 트래핑(Light Trapping)을 위해 백 시트(Back Sheet)가 장착될 수 있고, 상기 백 시트(Back Sheet)의 윗면은 태양광이 반사되거나 유출됨을 방지하기 위해 표면 조직화(Texturing)된 TCO(Transparent Conductive Oxide)층이 갖추어져 거친 면을 통해 태양광이 굴절되고 그 경로가 연장되어 태양 전지(1)에 빛을 가둔다.
또한, 상기 플라스틱 수지(3)에는 이온 흡착제가 추가되어 도면 6에 도시한 바와 같이, 수분이나 산화에 의해 발생 되는 불순물을 흡착하고 이온의 부식으로 인해 내구성 및 광투과율이 저하됨을 방지한다.
이는 일반적인 태양광 모듈의 PID 프리(Free) 태양광 모듈과 동일한 성능을 가지게 할 수 있다.
또한, 상기 경화제에는 플라스틱 수지(3)의 내구성을 확보하기 위해 페놀(Phenol) 계열의 산화 방지제와, 인산염(Phosphate) 계열의 산화 방지제, 및 티오에테르(Thioether) 계열의 산화 방지제가 혼합된다.
한편, 빛에 대한 플라스틱 수지(3)의 내구성은 외부 환경에서 실험해야 하나 시간적 제약으로 인해 도면 7a 내지 도면 7d에 도시한 바와 같이, 열화 시험을 통해 빛에 대한 플라스틱의 내구성을 시험하였다.
상기 열화 시험은 인공 광원을 이용하여 빛에 대한 내구성을 시험하는 것으로 플라스틱 수지(3)에 1,000W/㎡의 빛을 지속적으로 조사함으로써 옥외에서 시험하는 것에 비해 약 6배 이상의 기간 동안 시험한 결과를 얻을 수 있다.
도면 7a 내지 도면 7d에 도시한 결과에서 보듯이, 산화 방지제와 UV 흡수제의 웨이트 퍼센트(wt%)를 변경하여 실험을 실시하였으며 그 실험 결과는 아래와 같다.
상기 페놀 계열의 산화 방지제와, 인산염 계열의 산화 방지제, 및 티오에테르 계열의 산화 방지제를 첨가하여야 플라스틱 수지(3)의 내구성을 증대시킬 수 있다.
또한, 상기 페놀(Phenol) 계열의 산화 방지제는 플라스틱 수지(3)의 0.5wt% 이상이 첨가되고, 상기 인산염(Phosphate) 계열의 산화 방지제는 플라스틱 수지(3)의 0.2wt% 이상이 첨가되며, 상기 티오에테르(Thioether) 계열의 산화 방지제는 플라스틱 수지(3)의 0.1wt% 이상이 첨가될 때 본 발명의 내구성이 가장 좋게 나타났다.
상기 플라스틱 수지(3)에는 UV 파장을 흡수하는 트리아진(Triazine)계의 UV 흡수제가 첨가되어 플라스틱 수지(3)의 내구성을 더욱 증대시킬 수 있다.
상기 트리아진계의 UV 흡수제는 플라스틱 수지(3)의 2wt% 이상이 첨가됨이 바람직하다.
이러한 구조로 이루어진 본 발명에 따른 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈은 플라스틱 계열의 베이스 부재(7)에 복수 개의 태양 전지(1) 어레이를 장착하고, 상기 태양 전지(1) 어레이 위에 에폭시 계열이나 아크릴 계열의 플라스틱 수지(3)를 적층하고 그 위에 전면 필름(5)을 적층한 구조로서 기존의 태양광 모듈에 비해 제조 공정이 단순하다는 장점이 있다.
따라서, 본 발명에 따른 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈은 태양광 모듈의 구조 및 제조 공정을 단순화함으로써 태양광 모듈의 제조 단가 및 제조 시간을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은 전면 필름을 이용하여 외부 노출된 태양광 모듈의 외부 오염을 방지함으로써 태양광 모듈의 발전 효율을 증대시킬 수 있다.
또, 본 발명은 전면 필름을 이용하여 태양광의 투과율을 보다 높여 태양광 모듈의 효율을 높일 수 있다.
1. 태양 전지 2. 공간부
3. 플라스틱 수지 5. 전면 필름
7. 베이스 부재 9. 투과형 플라스틱 볼
11. 제1 TCO층 13. a-Si층
15. 제2 TCO층 17. 실버층
19. c-Si핀층

Claims (6)

  1. 플라스틱 계열로 구성되며 윗면에 공간부(2)가 형성된 베이스 부재(7)와,
    상기 공간부(2)에 설치되어 입사된 태양광을 이용하여 전기를 생산하는 태양 전지(1),
    및 에폭시(Epoxy) 계열이나 아크릴(Acrylic) 계열의 수지로 구성된 모재와 경화제가 혼합된 혼합물로서 공간부(2)에 안착 된 태양 전지(1) 및 공간부(2)의 내벽에 몰드(Mold) 및 경화되어 태양 전지(1)로 빛을 투과시킴과 더불어 태양 전지(1)의 내구성을 확보하는 플라스틱 수지(3)(Plastic resin)로 이루어지고,
    상기 플라스틱 수지(3)는 모재로서 방향성 에폭시(Aromatic Epoxy)나 지방족 고리 에폭시(Cycloaliphatic Epoxy)를 사용하며,
    상기 경화제에는 페놀(Phenol) 계열의 산화 방지제와, 인산염(Phosphate) 계열의 산화 방지제, 및 티오에테르(Thioether) 계열의 산화 방지제가 혼합되어 플라스틱 수지(3)의 내구성을 확보하고,
    상기 페놀(Phenol) 계열의 산화 방지제는 플라스틱 수지(3)의 0.5wt% 이상이고,
    상기 인산염(Phosphate) 계열의 산화 방지제는 플라스틱 수지(3)의 0.2wt% 이상이며,
    상기 티오에테르(Thioether) 계열의 산화 방지제는 플라스틱 수지(3)의 0.1wt% 이상이고,
    상기 플라스틱 수지(3)에는 이온 흡착제가 추가되어 수분이나 산화에 의해 발생 되는 불순물을 흡착하고 이온의 부식으로 인해 플라스틱 수지(3)의 내구성 및 광투과율이 저하됨을 방지하며,
    상기 플라스틱 수지(3)에는 플라스틱 수지(3)로 입사된 빛의 확산 투과율(Haze)을 높이는 투과형 플라스틱 볼(9)이 첨가되고,
    상기 투과형 플라스틱 볼(9)의 직경은 2 마이크로미터 내지 50 마이크로미터로 이루어지고,
    상기 플라스틱 수지(3)에 첨가된 복수 개의 투과형 플라스틱 볼(9)은 서로 동일한 직경을 갖으며,
    상기 투과형 플라스틱 볼(9)은 플라스틱 수지(3)에 10wt% 내지 80wt%가 첨가되고,
    상기 플라스틱 수지(3)의 윗면에는 불소 수지로서 굴절률 매칭(Reflective Index Matching)을 통해 광 투과율을 상승시켜 태양광을 태양 전지에 보다 많이 투과시킴으로써 태양 전지의 발전 효율을 증대시키고 불소 수지를 이용함으로써 표면 오염 방지 기능을 향상시켜 발전 효율을 보다 증대시키는 전면 필름(5)이 적층되며,
    상기 전면 필름(5)에는 전면 필름(5)으로 입사된 빛의 확산 투과율(Haze)을 높이는 투과형 플라스틱 볼(9)이 첨가되고,
    상기 투과형 플라스틱 볼(9)의 직경은 2 마이크로미터 내지 50 마이크로미터로 이루어지고,
    상기 전면 필름(5)에 첨가된 복수 개의 투과형 플라스틱 볼(9)은 서로 동일한 직경을 갖으며,
    상기 투과형 플라스틱 볼(9)은 전면 필름(5)에 10wt% 내지 80wt%가 첨가되고,
    상기 투과형 플라스틱 볼(9)은 아크릴 수지로 제작되며,
    상기 태양 전지(1)의 밑면에는 태양광의 반사나 유출을 줄임과 동시에 라이트 트래핑(Light Trapping)을 위해 백 시트(Back Sheet)가 장착되고, 상기 백 시트(Back Sheet)의 윗면은 태양광이 반사되거나 유출됨을 방지하기 위해 표면 조직화(Texturing)된 TCO(Transparent Conductive Oxide)층이 갖추어져 거친 면을 통해 태양광이 굴절되고 그 경로가 연장되어 태양 전지(1)에 빛을 가두며,
    상기 플라스틱 수지(3)에는 UV 파장을 흡수하는 트리아진(Triazine)계의 UV 흡수제가 첨가되어 플라스틱 수지(3)의 내구성을 증대시키고,
    상기 트리아진계의 UV 흡수제는 플라스틱 수지(3)의 2wt% 이상이 첨가되는 것을 특징으로 하는 효율이 향상된 경량화 태양광 모듈.
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