KR101648231B1 - 태양전지 모듈의 제조법 - Google Patents

태양전지 모듈의 제조법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 모듈의 제조, 특히 태양전지 모듈을 위한 집광체의 제조에 있어서의, (a) 하나 이상의 폴리알킬 (메트)아크릴레이트 및 (b) 하나 이상의 하기 화학식 I에 따른 화합물의 용도에 관한 것이다.
<화학식 I>
Figure 112011035177751-pct00010

(상기 식에서, 기 R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 20 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 시클로알킬 기임).

Description

태양전지 모듈의 제조법{PRODUCTION OF SOLAR CELL MODULES}
본 발명은 태양전지 모듈의 제조법, 및 상응하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양전지 또는 광기전 전지는 광, 특히 태양광 내의 복사 에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 전기적 모듈이다. 이러한 변환의 물리적 기반은 광기전 효과이고, 이것은 내부 광전 효과의 구체적인 예이다.
도 3은 태양전지 모듈의 근본적인 구조를 보여주는 횡단면도이다. 도 3에서 501은 광기전 소자를 나타내고, 502는 고정 수단을 나타내고, 503은 창유리를 나타내며, 504는 후방 벽을 나타낸다. 태양광으로부터의 복사선은 창유리(503) 및 고정 수단(502)을 통과함으로써 광기전 소자(501)의 감광 표면에 충돌하고, 전기에너지로 변환된다. 출력 단자(도시되지 않음)는 그 결과의 전기의 출력을 위해 작용한다.
광기전 소자는 극한의 옥외 조건을 견딜 수 없는데, 왜냐하면 이것은 부식되기 쉽고 매우 약하기 때문이다. 따라서 이것은 적합한 물질에 의해 덮여져서 보호되어야 한다. 대부분의 경우에는, 적합한 고정 수단을 사용하여 광기전 소자를 투명 내후성 창유리, 예를 들면 유리판과, 탁월한 내습성 및 높은 전기저항을 갖는 후방 벽 사이에 삽입하고 라미네이팅함으로써 이를 달성한다.
태양전지를 위한 고정 수단으로서 종종 사용되는 물질은 폴리비닐 부티랄 및 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체(EVA)이다. 특히, 여기서 가교성 EVA 조성물은 탁월한 성질을 나타내는데, 그 예는 우수한 내열성, 높은 내후성, 높은 투명도 및 우수한 비용-효율성이다.
태양전지 모듈은 높은 안정성을 갖도록 의도되는데, 왜냐하면 이것은 장기간 옥외에서 사용되도록 의도되기 때문이다. 따라서, 고정 수단은 특히 탁월한 내후성 및 높은 내열성을 가져야 한다. 그러나, 모듈이 장기간, 예를 들면 10년 동안 옥외에서 사용될 때 흔히 관찰되는 현상은, 고정 수단의 황변 및/또는 광기전 소자로부터의 박리를 초래하는 고정 수단의 광-유도 및/또는 열-유도된 열화이다. 고정 수단의 황변은 입사광의 가용 구성비율의 감소를 초래하며, 그 결과로 전력 수준이 감소된다. 둘째로, 광기전 소자로부터의 박리는 수분의 침투를 허용하고, 이로써 광기전 소자 자체의 부식 또는 태양전지 모듈 내의 금속성 부품의 부식이 초래될 수 있고, 마찬가지로 태양전지 모듈로부터 수득되는 전력이 감소된다.
통상적으로 사용되는 EVA가 그 자체로 우수한 고정 수단임에도 불구하고, 이것은 가수분해 및/또는 열분해에 의해 점진적으로 열화된다. 시간이 경과함에 따라, 열 또는 수분의 작용에 의해 아세트산이 유리된다. 이는 고정 수단의 황변, 기계적 강도의 감소 및 고정 수단의 접착의 감소를 초래한다. 또한, 유리된 아세트산은 촉매로서 작용하여 열화를 더욱 가속시킨다. 발생하는 추가의 문제는 아세트산이 광기전 소자 및/또는 태양전지 모듈 내의 기타 금속성 부품을 부식시킨다는 것이다.
상기 문제를 해결하기 위해서, 유럽특허출원 EP 1 065 731 A2에는, 에틸렌-아크릴레이트-아크릴산 삼원공중합체, 에틸렌-아크릴레이트-말레산 무수물 삼원공중합체, 에틸렌-메타크릴레이트-아크릴레이트 삼원공중합체, 에틸렌-아크릴레이트-메타크릴산 삼원공중합체, 에틸렌-메타크릴레이트-메타크릴산 삼원공중합체 및/또는 에틸렌-메타크릴레이트-말레산 무수물 삼원공중합체를 포함하도록 의도된 중합체성 고정 수단 및 광기전 소자를 포함하는 태양전지 모듈을 사용하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 이러한 유형의 태양전지 모듈은 제한된 내후성 및 역시 제한된 효과를 갖는다.
종래 기술에서는 또한 적합한 자외선 흡수제를 사용함으로써 아크릴 성형 조성물의 내후성을 개선하는 것이 개시되어 있다.
예를 들면, DE 103 11 641 A1에는, 0.005 내지 0.1 중량%의 하기 화학식 I에 따른 자외선 안정화제를 포함하는 폴리메틸 메타크릴레이트 성형물을 포함하는 태닝 보조제가 기술되어 있다:
<화학식 I>
Figure 112011035177751-pct00001
상기 식에서, 잔기 R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 20 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 시클로알킬 잔기이다.
그러나, 이러한 문헌에서는 이러한 성형물을 태양전지 모듈의 제조에서 사용하는 것에 대해서는 언급되지 않는다.
DE 38 38 480 A1에는
(a) 광에 의해 초래되는 손상으로부터 보호하기 위한 안정화제로서의 옥사닐리드 화합물 또는 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘 화합물, 및
(b) 난연성 유기인 화합물
을 각각 포함하는 메틸 메타크릴레이트 중합체 및 메틸 메타크릴레이트 공중합체가 개시되어 있다.
그러나, 이러한 문헌에서는 이러한 조성물을 태양전지 모듈의 제조에서 사용하는 것에 대해서는 언급되지 않는다.
JP 2005-298748 A에는, 메타크릴 수지로 이루어진 성형물이 제공되는데, 이것은 바람직하게는 100 중량부의 메타크릴 수지를 포함하고, 60 내지 100 중량%의 메틸 메타크릴레이트 단위 및 0 내지 40 중량%의 기타 공중합성 비닐 단량체 단위, 및 0.005 내지 0.15 중량%의 2-(2-히드록시-4-n-옥틸옥시페닐)-4,6-비스(2,4-디메틸페닐)-1,3,5-트리아진 및/또는 2-히드록시-4-옥틸옥시벤조페논을 포함한다. 이러한 성형물은 자외선에 대해 상당한 차단성을 갖고, 0.5 내지 5 ㎜의 범위의 두께의 성형물에서 측정시, 340 ㎚에서 20 % 이하의 투명도 및 380 ㎚에서 70 % 이상의 투명도를 갖도록 의도된다.
이러한 성형물은 특히 조명 시스템을 위한 커버로서 사용되도록 의도된다. 그러나, 이러한 문헌에서는 이러한 성형물을 태양전지 모듈의 제조에서 사용하는 것에 대해서는 언급되지 않는다.
<발명의 간단한 설명>
따라서 본 발명의 목적은 태양전지의 장기간 옥외 사용, 특히 높은 온도 및/또는 높은 습도에서의 사용 동안에 태양전지로부터의 전력의 감소를 완화시키는 가능성을 제공하는 것이다. 이를 위해서, 특히 탁월한 내후성, 최대의 내열성 및 최대의 투광성, 및 최소의 수-흡수성을 달성하는 방법이 연구되었다. 기타 바람직한 양태는 부식을 촉진시키는 물질, 특히 산의 최소의 유리 및 태양전지 모듈의 다양한 기재 요소에 대한 최대의 접착이다.
본 발명의 특허청구범위의 제1항의 모든 양태를 갖는 성형 조성물을 사용하면 상기 목적을 달성하며, 구체적으로 언급되지는 않았지만 서두에서 논의된 상황으로부터 명백히 드러난 기타 목적을 달성한다. 제1항을 인용하는 종속항에는 본 발명의 특히 유리한 변형양태가 기술되어 있다. 상응하는 태양전지 모듈도 보호된다.
(a) 하나 이상의 폴리알킬 (메트)아크릴레이트 및
(b) 하나 이상의 하기 화학식 I에 따른 화합물
을, 태양전지 모듈의 제조, 특히 태양전지 모듈을 위한 집광체의 제조에 사용하는 것은, 성공적이지만 용이하게 예견되지는 않는, 태양전지의 장기간 옥외 사용, 특히 높은 온도 및/또는 높은 습도에서의 사용 동안에 태양전지로부터의 전력의 임의의 감소를 완화시키는 것을 최적화시키는 방법이다:
<화학식 I>
Figure 112011035177751-pct00002
상기 식에서, 잔기 R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 20 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 시클로알킬 잔기이다. 특히, 탁월한 내후성, 매우 높은 내열성 및 매우 높은 투광성, 및 매우 낮은 수-흡수성이 달성된다. 또한, 심지어는 장기간 옥외 사용의 경우에서도, 부식을 촉진시키는 물질이 유리되지 않고, 태양전지 모듈의 다양한 기재 요소에 대해 달성되는 접착이 매우 우수하다.
목적을 달성하는 이러한 방식은 가시광선 파장 범위 내의 "유용한" 광의 효율적인 활용을 허용한다. 이와 동시에, 특히 자외선 영역에서, 전기를 발생시키는데 활용될 수 없는 기타 파장 범위가 효과적으로 흡수된다. 상기 흡수는 태양전지 모듈의 내후성을 증가시킨다. 또한 이러한 흡수는, 집광체의 가열을 방지하기 위한 냉각 요소를 사용하지 않고서도, 집광체의 불리한 가열을 방지하고, 태양전지 모듈의 수명은 연장되고, 이것의 총 출력 및 효과가 증가한다.
본 발명에 따른 절차는 특히 하기 이점을 제공한다:
탁월한 내후성, 내열성 및 내습성을 갖는 태양전지 모듈로의 접근 방법이 제공된다. 심지어는 모듈이 장기간 동안 옥외 조건에 노출되는 경우에서 조차도, 박리가 일어나지 않는다. 심지어는 높은 온도 및 높은 습도에서 조차도 산이 유리되지 않기 때문에 내후성이 더욱 개선된다. 산에 의해 초래되는 광기전 소자의 부식이 없기 때문에, 오랫동안 지속되는 안정한 전력 수준이 장기간에 걸쳐 태양전지에 의해 유지된다.
또한, 내후성, 내열성 및 내습성이 탁월하고, 탁월한 투광성을 갖고, 매우 우수한 태양전지 모듈의 제조를 허용하는 물질이 사용된다.
도 1은 본 발명에 따른 바람직한 태양전지 모듈의 횡단면도이다.
도 2A 및 2B는, 각각, 도 1에 따른 태양전지 모듈에서 바람직하게 사용되는 광기전 소자의 근본적인 구조를 보여주는 횡단면도, 및 광기전 소자의 감광 영역의 평면도이다.
도 3은 통상적인 태양전지의 횡단면도이다.
요점
도 1
101 광기전 소자
102 고정 수단
103 창유리
104 고정 수단
105 후방 벽
도 2A
201 전도성 기재
202 반사층
203 광활성 반도체 층
204 투명 전도성 층
205 수집기 전극
206a 악어 집게
206b 악어 집게
207 전도성 접착성 페이스트
208 전도성 페이스트 또는 주석 납땜
도 2B
201 전도성 기재
202 반사층
203 광활성 반도체 층
204 투명 전도성 층
205 수집기 전극
206a 악어 집게
206b 악어 집게
207 전도성 접착성 페이스트
도 3
501 광기전 소자
502 고정 수단
503 창유리
504 후방 벽
<발명의 상세한 설명>
본 발명의 목적을 위해서,
(a) 하나 이상의 폴리알킬 (메트)아크릴레이트 및
(b) 하나 이상의 하기 화학식 I에 따른 화합물
이 태양전지 모듈의 제조에 사용된다:
<화학식 I>
Figure 112011035177751-pct00003
상기 식에서, 잔기 R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 20 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 시클로알킬 잔기이다. 이러한 맥락에서, 이러한 성분들을 함께 하나의 조성물에서, 예를 들면 성형 조성물에서 혼합물로서, 사용할 수 있어서, 태양전지 모듈의 하나의 공통 요소, 예를 들면 성형물의 제조에서 하나 초과의 성분들을 함께 사용할 수 있다. 그러나, 태양전지 모듈의 상이한 개별 요소들의 제조를 위해, 이것들 각각을 개별적으로 사용할 수도 있다.
폴리알킬 (메트)아크릴레이트는 단독으로 또는 다수의 상이한 폴리알킬 (메트)아크릴레이트들의 혼합물로서 사용될 수 있다. 또한 폴리알킬 (메트)아크릴레이트는 공중합체의 형태를 가질 수도 있다.
본 발명의 목적을 위해서, C1-C18-알킬 (메트)아크릴레이트, 유리하게는 C1-C10-알킬 (메트)아크릴레이트의 단독중합체 및 공중합체, 특히 C1-C4-알킬 (메트)아크릴레이트 중합체가 특히 바람직하고, 이것들은 경우에 따라서는 이것들과 상이한 단량체 단위를 포함할 수 있다.
(메트)아크릴레이트라는 용어는 여기서는 메타크릴레이트, 예를 들면 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트 등 뿐만 아니라, 아크릴레이트, 예를 들면 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트 등, 및 이러한 두 단량체들로 이루어진 혼합물도 의미한다.
70 내지 99 중량%, 특히 70 내지 90 중량%의 C1-C10-알킬 (메트)아크릴레이트를 함유하는 공중합체를 사용하는 것이 특히 성공적인 것으로 밝혀졌다. 바람직한 C1-C10-알킬 메타크릴레이트는 메틸 메타크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 프로필 메타크릴레이트, 이소프로필 메타크릴레이트, n-부틸 메타크릴레이트, 이소부틸 메타크릴레이트, tert-부틸 메타크릴레이트, 펜틸 메타크릴레이트, 헥실 메타크릴레이트, 헵틸 메타크릴레이트, 옥틸 메타크릴레이트, 이소옥틸 메타크릴레이트, 에틸헥실 메타크릴레이트, 노닐 메타크릴레이트, 데실 메타크릴레이트, 시클로알킬 메타크릴레이트, 예를 들면 시클로헥실 메타크릴레이트, 이소보르닐 메타크릴레이트 또는 에틸시클로헥실 메타크릴레이트를 포함한다. 바람직한 C1-C10-알킬아크릴레이트는 메틸 아크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 프로필 아크릴레이트, 이소프로필 아크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, 이소부틸 아크릴레이트, tert-부틸 아크릴레이트, 펜틸 아크릴레이트, 헥실 아크릴레이트, 헵틸 아크릴레이트, 옥틸 아크릴레이트, 이소옥틸 아크릴레이트, 노닐 아크릴레이트, 데실 아크릴레이트, 에틸헥실 아크릴레이트, 시클로알킬 아크릴레이트, 예를 들면 시클로헥실 아크릴레이트, 이소보르닐 아크릴레이트 또는 에틸시클로헥실 아크릴레이트를 포함한다.
매우 특히 바람직한 공중합체는 80 내지 99 중량%의 메틸 메타크릴레이트(MMA) 단위 및 1 내지 20 중량%, 바람직하게는 1 내지 5 중량%의 C1-C10-알킬 아크릴레이트 단위, 특히 메틸 아크릴레이트 단위, 에틸 아크릴레이트 단위 및/또는 부틸 아크릴레이트 단위를 포함한다. 이러한 맥락에서, 룀 게엠베하(Roehm GmbH)에서 수득될 수 있는 플렉시글라스(PLEXIGLAS)® 7N 폴리메틸 메타크릴레이트를 사용하는 것이 특히 성공적인 것으로 밝혀졌다.
폴리알킬 (메트)아크릴레이트를 그 자체로 공지된 중합 공정을 통해 제조할 수 있고, 여기서는 자유-라디칼 중합 공정, 특히 괴상 중합, 용액 중합, 현탁액 중합 및 유화액 중합 공정이 특히 바람직하다. 이러한 목적에 특히 적합한 개시제는 특히 아조 화합물, 예를 들면 2,2'-아조비스(이소부티로니트릴) 또는 2,2'-아조비스(2,4-디메틸발레로니트릴), 산화환원 시스템, 예를 들면 3차 아민과 과산화물 또는 중아황산나트륨의 조합, 및 칼륨, 나트륨 또는 암모늄의 과황산염 또는 바람직하게는 과산화물을 포함한다(이와 관련해서, 예를 들면 문헌[H. Rauch-Puntigam, Th. Voelker, "Acryl- und Methacrylverbindungen(Acrylic and methacrylic compounds), Springer, Heidelberg, 1967], 또는 문헌[Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, Vol.1, pages 386ff, J. Wiley, New York, 1978]을 참고). 특히 적합한 과산화물 중합 개시제의 예는 디라우로일 퍼옥시드, tert-부틸 퍼옥토에이트, tert-부틸 퍼이소노나노에이트, 디시클로헥실 퍼옥소디카르보네이트, 디벤조일 퍼옥시드 및 2,2-비스(tert-부틸퍼옥시)부탄이다. 중합 반응의 과정 동안에 및 다양한 중합 온도에서 자유 라디칼의 일정한 스트림을 유지하기 위해서, 상이한 반감기를 갖는 다양한 중합 개시제들의 혼합물, 예를 들면 디라우로일 퍼옥시드 및 2,2-비스(tert-부틸퍼옥시)부탄을 사용하여 중합 반응을 수행하는 것도 가능하고 바람직하다. 중합 개시제의 사용량은 단량체 혼합물을 기준으로 일반적으로 0.01 내지 2 중량%이다.
중합 반응을 연속적으로 또는 회분식으로 수행할 수 있다. 중합 반응 후에, 중합체를 통상적인 단리 및 분리 단계, 예를 들면 여과, 응결 및 분무 건조를 통해 수득한다.
분자량 조절제, 특히 예를 들면 이러한 목적을 갖는 것으로 공지된 메르캅탄, 예를 들면 n-부틸 메르캅탄, n-도데실 메르캅탄, 2-메르캅토에탄올 또는 2-에틸헥실 티오글리콜레이트, 펜타에리트리톨 테트라티오글리콜레이트의 존재 하에서, 단량체 또는 단량체 혼합물을 중합시킴으로써, 중합체 또는 공중합체의 쇄 길이를 조절할 수 있고; 분자량 조절제의 사용량은 단량체 또는 단량체 혼합물을 기준으로 일반적으로 0.05 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 2 중량%, 특히 바람직하게는 0.2 내지 1 중량%이다(예를 들면 문헌[H. Rauch-Puntigam, Th. Voelker, "Acryl- und Methacrylverbindungen"(Acrylic and methacrylic compounds), Springer, Heidelberg, 1967]; 문헌[Houben-Weyl, Methoden der organischen Chemie(Methods of organic chemistry), Vol. XIV/1, page 66, Georg Thieme, Heidelberg, 1961] 또는 문헌[Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, Vol.1, pages 296ff, J. Wiley, New York, 1978]을 참고). n-도데실 메르캅탄이 분자량 조절제로서 특히 바람직하게 사용된다.
본 발명의 목적을 위해, 하나 이상의 하기 화학식 I에 따른 화합물이 태양전지 모듈의 제조에 사용된다:
<화학식 I>
Figure 112011035177751-pct00004
상기 식에서, 잔기 R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 20 개의 탄소 원자, 특히 바람직하게는 1 내지 8 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 시클로알킬 잔기이다. 지방족 잔기는 바람직하게는 선형 또는 분지형이고, 치환기, 예를 들면 할로겐 원자를 가질 수 있다.
바람직한 알킬기는 메틸, 에틸, 프로필, 이소프로필, 1-부틸, 2-부틸, 2-메틸프로필, tert-부틸, 펜틸, 2-메틸부틸, 1,1-디메틸프로필, 헥실, 헵틸, 옥틸, 1,1,3,3-테트라메틸부틸, 노닐, 1-데실, 2-데실, 운데실, 도데실, 펜타데실 및 에이코실 기이다.
바람직한 시클로알킬기는, 임의로 분지형 또는 비-분지형 알킬기를 치환기로서 갖는, 시클로프로필, 시클로부틸, 시클로펜틸, 시클로헥실, 시클로헵틸 및 시클로옥틸 기이다.
하기 화학식 II의 화합물을 사용하는 것이 바람직하다:
<화학식 II>
Figure 112011035177751-pct00005
이러한 화합물은 클라리안트(Clariant)에서 산두버(Sanduvor)® VSU 및 시바 가이기(Ciba Geigy)에서 티누빈(Tinuvin)® 312로서 상업적으로 입수가능하다.
본 발명의 목적을 위해, 해당 분야의 숙련자에게 잘 공지된 보조제를 첨가하는 것이 때때로 유리할 수 있다. 외부 윤활제, 산화방지제, 난연제, 추가의 자외선 안정화제, 유동 보조제, 전자기 방사선을 차단하는 금속 첨가제, 대전방지제, 이형제, 염료, 안료, 접착 촉진제, 풍화 안정화제, 가소제, 충전제 등이 바람직하다.
본 발명의 특히 바람직한 실시양태의 목적을 위해, 하나 이상의 입체장애 아민을 사용하여, 내후성을 더욱 개선한다. 물질이 장기간 동안 옥외 조건에 노출될 때 물질의 황변 또는 열화의 추가의 감소를 달성할 수 있다.
특히 바람직한 입체장애 아민은 디메틸 숙시네이트-1-(2-히드록시에틸)-4-히드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페라진 중축합물, 폴리[{6-(1,1,3,3-테트라메틸부틸)아미노-1,3,5-트리아진-2,4-디일}{(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)이미노}헥사메틸렌{(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)이미노}], N,N'-비스(3-아미노프로필)에틸렌디아민-2,4-비스[N-부틸-N-(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리딜)아미노]-6-클로로-1,3,5-트리아진 축합물, 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트 및 비스(1,2,2,6,6-펜타메틸-4-피페리딜)-2-(3,5-디-tert-4-히드록시벤질)-2-n-부틸말로네이트를 포함한다.
실란 접착 촉진제 또는 유기 티타늄 화합물을 사용하는 것도, 무기 물질에 대한 접착을 추가로 개선하므로, 특히 성공적이라고 밝혀졌다.
적합한 실란 접착 촉진제는 비닐트리클로로실란, 비닐트리스(β-메톡시에톡시)실란, 비닐트리에톡시실란, 비닐트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, β-(3,4-에폭시시클로헥실)에틸트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필트리메톡시실란, N-β-(아미노에틸)-γ-아미노프로필메틸디메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, N-페닐-γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-메르캅토프로필트리메톡시실란 및 γ-클로로프로필트리메톡시실란을 포함한다.
폴리알킬 (메트)아크릴레이트 및 화학식 I에 따른 화합물의 상대적 구성비율은 원칙적으로 자유롭게 선택될 수 있다.
이것들은 유리하게는 성형 조성물 내에 함께 존재한다. 특히 바람직한 성형 조성물은, 각각의 경우에 이것의 총 중량을 기준으로, (a) 90 내지 99.999 중량%의 폴리알킬 (메트)아크릴레이트 및 (b) 0.001 내지 0.03 중량%의 화학식 I에 따른 화합물을 포함한다. 문헌으로부터 공지된 공정을 사용하여 화합물을 혼입시켜 이것들이 하나의 성형 조성물 내에 함께 존재하도록 할 수 있는데, 예를 들면 비교적 높은 온도에서 추가로 가공하기 전에 중합체와 혼합하거나, 중합체의 용융물에 첨가하거나, 가공 동안에 현탁 또는 용해된 중합체에 첨가하는 것이다. 이것들을 경우에 따라서는 중합체를 제조하기 위한 출발 물질에 첨가할 수도 있고, 이것은 심지어는 기타 통상적인 광안정화제 및 열안정화제, 산화제 및 환원제 등의 존재 하에서 조차도 흡수 능력을 잃지 않는다.
본 발명의 목적을 위해 특히 바람직한 성형 조성물의 연화점은 80 ℃ 이상이다(비캣(Vicat) 연화점 VST(ISO 306-B50)). 따라서 이것은, 심지어는 모듈이 사용 동안에 높은 온도에 노출되는 경우에서 조차도, 임의의 크리프(creep)의 개시를 나타내지 않기 때문에, 태양전지 모듈을 위한 고정 수단으로서 특히 적합하다.
기타 특히 유리한 성형 조성물은, 비교적 높은 총 투광률을 가져서, 특히 성형 조성물이 태양전지 모듈에서 고정 수단으로서 사용되는 경우에, 고정 수단에서의 광학적 손실에 의해 초래될 수 있는 태양전지의 전력 수준의 임의의 감소를 완화시키는 조성물이다. 총 투광률은 400 ㎚ 내지 500 ㎚ 미만의 파장 범위에 걸쳐 바람직하게는 90 % 이상이다. 총 투광률은 (퍼킨 엘머(Perkin Elmer)의 람다(Lambda) 19 분광광도계의 도움을 받아 측정시) 500 ㎚ 내지 1000 ㎚ 미만의 파장 범위에 걸쳐 바람직하게는 80 % 이상이다.
유리한 추가의 성형 조성물은 소산 저항(dissipation resistance)이 1 내지 500 ㏀×㎠인 성형 조성물이다. 이것은 단락에 의해 초래된 태양전지로부터의 전력 수준의 임의의 감소를 회피하는 것을 최적화한다.
언급된 구성성분들을 포함하는 성형 조성물은 태양전지 모듈을 위한 조임 수단으로서 특히 적합하다. 이것은 또한 바람직하게는 집광체로서 공지된 것의 제조에 사용된다. 이것들은 최소 크기의 영역에서 매우 효율적인 방식으로 광을 모아서 높은 발광을 달성하는 성분이다. 여기서는 광원의 이미지를 생성시킬 필요가 없다.
본 발명의 목적을 위해 특히 유리한 집광체는 입사광을 모으고 이것을 초점면에 집중시키는 수렴 렌즈이다. 특히 여기서, 광축에 대해 평행하게 입사되는 광은 초점에 집중된다.
수렴 렌즈는 양면볼록렌즈(양면이 볼록함), 평볼록렌즈(한 면은 평면이고 한 면은 볼록함) 또는 오목-볼록 렌즈(한 면은 오목하고 한 면은 볼록하며, 볼록한 면은 바람직하게는 오목한 면보다 더 큰 곡률을 가짐)일 수 있다. 본 발명에 따라 특히 바람직한 수렴 렌즈는 하나 이상의 볼록 영역을 포함하며, 여기서 평볼록 구조가 매우 특히 유리한 것으로 밝혀졌다.
본 발명의 특히 바람직한 실시양태의 목적을 위해, 집광체는 프레넬(Fresnel) 렌즈의 구조를 갖는다. 이것은 사용된 구조 원리로 인해 일반적으로 중량 및 부피가 감소된 광학 렌즈이고, 이것은 짧은 초점 거리를 갖는 큰 렌즈의 경우에 특히 효과적이다.
프레넬 렌즈의 경우에 부피의 감소는 환형 영역으로의 분할을 통해 달성된다. 두께는 상기 각각의 영역에서 감소되고, 따라서 이러한 렌즈는 일련의 환형 대역을 포함한다. 광은 렌즈의 표면에서만 굴절되기 때문에, 굴절각은 두께 뿐만 아니라 렌즈의 두 개의 표면들 사이의 각에 따라서도 달라진다. 따라서 대역을 갖는 구조가 이미지 품질을 손상시킴에도 불구하고, 렌즈는 이것의 초점 거리를 유지한다. 본 발명의 첫번째의 특히 바람직한 실시양태에서는 광축에 대해 프레넬 구조를 사용하는 회전 대칭 렌즈가 사용된다. 이것은 단일 방향으로 하나의 점으로 광을 집중시킨다.
본 발명의 또 다른 특히 바람직한 실시양태의 목적을 위해, 프레넬 구조를 갖는 선형 렌즈가 사용되며, 이것은 광을 단일 평면 내에 집중시킨다.
태양전지 모듈의 구조는 또 다른 측면에서는 그 자체로 공지된 구조일 수 있다. 이것은 바람직하게는, 유리하게는 창유리와 후방 벽 사이에 삽입되고 라미네이팅된 하나 이상의 광기전 소자를 포함하며, 여기서 창유리 및 후방 벽은 유리하게 각각 광기전 소자 상에 고정 장치에 의해 고정된다. 여기서 태양전지 모듈, 및 특히 창유리, 후방 벽 및/또는 고정 장치는, 유리하게는 본 발명에 따라 사용되는 성분들, 즉 폴리알킬 (메트)아크릴레이트 및 화학식 I에 따른 화합물을 포함한다.
본 발명의 또 다른 매우 특히 바람직한 실시양태의 목적을 위해, 태양전지 모듈은 (a) 하나 이상의 광기전 소자, (b) 하나 이상의 폴리알킬 (메트)아크릴레이트를 포함하는 하나 이상의 집광체, 및 (c) 하나 이상의 화학식 I에 따른 화합물을 포함하는 하나 이상의 투명 창유리를 포함한다.
태양전지 모듈의 특히 유리한 구조는 하기에 기술되며, 때때로 도 1 내지 2B를 참고한다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은 바람직하게는 광기전 소자(101), 광기전 소자(101)의 전면을 덮는 창유리(103), 광기전 소자(101)와 창유리(103) 사이에 존재하는 제1 고정 수단(102), 광기전 소자(101)의 이면(104)을 덮는 후방 벽(105), 광기전 소자(101)와 후방 벽(105) 사이에 존재하는 제2 고정 수단(104)을 포함한다.
광기전 소자는 바람직하게는 전도성 기재 상에 광의 변환을 위한 제1 전극으로서의 광활성 반도체 층, 및 이로부터 형성된, 제2 전극으로서의 투명 전도성 층을 포함한다.
전도성 기재는 바람직하게는 이러한 맥락에서 스테인레스강을 포함하여, 기재에 대한 고정 수단의 접착을 추가로 개선한다.
광기전 소자의 감광 면 상에는, 바람직하게는 구리 및/또는 은을 구성성분으로서 포함하는 수집기 전극이 존재하고, 바람직하게는 하나 이상의 화학식 I에 따른 화합물을 포함하는 폴리알킬 (메트)아크릴레이트는 바람직하게는 수집기 전극과 접촉한다.
광기전 소자의 감광 표면은 유리하게는, 바람직하게는 하나 이상의 화학식 I에 따른 화합물을 포함하는 폴리알킬 (메트)아크릴레이트로써 덮이고, 이어서 그 위에 얇은 플루오라이드 중합체 필름이 최외부층으로서 배열되는 것이 바람직하다.
제1 고정 수단(102)은, 광기전 소자(101)의 감광 표면의 임의의 불균일성을 덮음으로써, 광기전 소자(101)를 외부 효과로부터 보호하도록 의도된다. 이것은 또한 창유리(103)를 요소(101)에 붙이는 역할도 한다. 따라서 높은 투명성 외에도, 높은 내후성, 높은 접착성 및 높은 내열성을 갖도록 의도된다. 또한 낮은 수-흡수성을 나타내고 산을 유리시키지 않도록 의도된다. 이러한 요건을 충족시키려면, 제1 고정 수단으로서, 바람직하게는 하나 이상의 화학식 I에 따른 화합물을 포함하는 폴리알킬 (메트)아크릴레이트를 사용하는 것이 바람직하다.
광기전 소자(101)에 도달하는 광의 양이 감소하는 것을 최소화시키기 위해서, (퍼킨 엘머의 람다 19 분광광도계의 도움을 받아 측정시) 400 내지 800 ㎚의 가시광선 파장 범위의 광에 대한 제1 고정 수단(102)의 투광률이 80 % 이상, 특히 바람직하게는 400 내지 500 ㎚ 미만의 파장 범위에서 90 % 이상인 것이 바람직하다. 이것은 또한 유리하게는, (ISO 489에 따라 측정시) 공기로부터 입사되는 광의 양을 최대화하기 위해서, 1.1 내지 2.0, 유리하게는 1.1 내지 1.6의 굴절률을 갖는다.
제2 고정 수단(104)이, 광기전 소자(101)의 이면 상의 임의의 불균일성을 덮음으로써, 광기전 소자(101)를 외부 효과로부터 보호하기 위해서 사용된다. 이것은 또한 후방 벽(105)을 요소(101)에 붙이는 역할도 한다. 따라서 제2 고정 수단은, 제1 고정 수단과 마찬가지로, 높은 내후성, 높은 접착성 및 높은 내열성을 갖도록 의도된다. 따라서 바람직하게는 하나 이상의 화학식 I에 따른 화합물을 포함하는 폴리알킬 (메트)아크릴레이트를 제2 고정 수단으로서 사용하는 것이 바람직하다. 제1 고정 수단으로서 사용되는 물질은 제2 고정 수단으로서 사용되는 물질과 동일한 것이 바람직하다. 그러나, 투명성은 임의적인 것이므로, 내후성 및 기계적 성질을 추가로 개선하기 위해, 경우에 따라서는 충전제, 예를 들면 유기 산화물을, 제2 고정 수단에 첨가할 수 있거나, 고정 수단을 착색시키기 위해서 안료를 첨가할 수 있다.
사용되는 광기전 소자(101)는 바람직하게는 공지된 요소, 특히 단결정질 규소 전지, 다결정질 규소 전지, 비결정질 규소 및 미세결정질 규소를 포함하며, 이것들은 박막 규소 전지에서도 사용된다. 또한 구리-인듐-셀레니드 화합물 및 반도체 화합물이 특히 적합하다.
도 2A 및 2B는 바람직한 광기전 소자의 블록선도를 보여준다. 도 2A는 광기전 소자의 횡단면도인 반면에, 도 2B는 광기전 소자의 평면도이다. 이러한 도면에서 숫자 201은 전도성 기재를 나타내고, 202는 이면 상의 반사층을 나타내고, 203은 광활성 반도체 층을 나타내고, 204는 투명 전도성 층을 나타내고, 205는 수집기 전극을 나타내고, 206a 및 206b는 악어 집게를 나타내고, 207 및 208은 전도성 접착성 페이스트 또는 전도성 페이스트를 나타낸다.
전도성 기재(201)는 단지 광기전 소자의 기재로서 뿐만 아니라 제2 전극으로서도 작용한다. 전도성 기재(201)의 물질은, 그 위의 전도성 층과 함께, 바람직하게는 규소, 탄탈, 몰리브덴, 텅스텐, 스테인레스강, 알루미늄, 구리, 티탄, 탄소 호일, 납-도금된 강철 시트, 수지 필름 및/또는 세라믹 물질을 포함한다.
전도성 기재(201) 상에는, 바람직하게는 금속층, 금속 산화물 층 또는 둘 다가, 반사층(202)으로서, 이면 상에 제공된다. 금속층은 바람직하게는 Ti, Cr, Mo, B, Al, Ag 및/또는 Ni를 포함하는 반면에, 금속 산화물 층은 바람직하게는 ZnO, TiO2 및 SnO2를 포함한다. 금속층 및 금속 산화물 층은 유리하게는 기상 증착, 가열, 전자빔 또는 스퍼터링에 의해 형성된다.
광활성 반도체 층(203)은 광전 변환 공정을 수행하는 역할을 한다. 이러한 맥락에서, 바람직한 물질은 pn 천이형 다결정질 규소, 비결정질 규소로 이루어진 pin 접합형, 미세결정질 규소로 이루어진 pin 접합형 및 반도체 화합물, 특히 CuInSe2, CuInS2, GaAs, CdS/Cu2S, CdS/CdTe, CdS/InP 및 CdTe/Cu2Te이다. 여기서 비결정질 규소로 이루어진 pin 접합형을 사용하는 것이 특히 바람직하다.
광활성 반도체 층을 제조하는 바람직한 방법에서는 용융된 규소를 형성하여 호일을 제공하거나, 다결정질 규소의 경우에는 비결정질 규소를 열처리하거나, 비결정질 규소 및 미세결정질 규소의 경우에는 출발 물질로서 실란 기체를 사용하여 플라스마 기상 증착을 사용하거나, 반도체 화합물의 경우에는 이온 도금, 이온 빔 증착, 진공 증발, 스퍼터링 또는 전기도금을 사용한다.
투명 전도성 층(204)은 태양전지의 상부 전극으로서의 역할을 한다. 이것은 바람직하게는 높은 농도의 불순물로 도핑된 In2O3, SnO2, In2O3-SnO2(ITO), ZnO, TiO2, Cd2SnO4 또는 결정질 반도체 층을 포함한다. 이것은 저항-가열 증착, 스퍼터링, 분무, 기상 증착 또는 불순물 확산에 의해 형성될 수 있다.
투명 전도성 층(204)이 형성된 광기전 소자의 또 다른 양태는, 전도성 기재(201)의 표면의 불균일성 및/또는 광활성 반도체 층의 형성의 접합부에서의 불균일성으로 인해, 어느 정도의 단락이 전도성 기재와 투명 전도성 층 사이에서 일어날 수 있다는 것이다. 여기서 그 결과는 출력 전압에 비례한 큰 전류 손실이다. 이는 누설 저항(션트 저항)이 낮음을 의미한다. 따라서 투명 전도성 층의 형성 후에 단락을 제거하고 광기전 소자를 결함을 제거하기 위한 처리에 적용하는 것이 바람직하다. 미국 특허 4,729,970에는 이러한 유형의 처리에 대해서 상세하게 기술되어 있다. 상기 처리는 광기전 소자의 션트 저항을 1 내지 500 ㏀×㎠, 바람직하게는 10 내지 500 ㏀×㎠으로 조절한다.
수집기 전극(격자)이 투명 전도성 층(204) 상에 형성될 수 있다. 이것은, 바람직하게는 효과적인 전기적 수집기이기 위해서, 격자, 원뿔, 선 등의 형태를 갖는다. 수집기 전극(205)을 형성하는 물질의 바람직한 예는 Ti, Cr, Mo, W, Al, Ag, Ni, Cu, Sn 또는 은 페이스트라고 지칭되는 전도성 페이스트이다.
수집기 전극(205)은 바람직하게는 마스킹 패턴을 사용하는 스퍼터링, 저항 가열, 기상 증착, 기체 증착을 통해 전체 층 상에 금속 필름을 형성하는 단계 및 에칭을 사용하여 필름의 여분을 제거하는 단계를 포함하는 공정, 광화학적 기상 증착을 사용하여 격자-전극 패턴을 형성하는 공정, 네거티브 형의 격자 전극의 마킹된 패턴을 제조하는 단계 및 패턴화된 표면을 도금하는 단계를 포함하는 공정, 인쇄를 통해 전도성 페이스트를 도포하는 공정, 또는 금속 와이어를 인쇄된 전도성 페이스트 상에 납땜시키는 공정에 의해 형성된다. 사용된 전도성 페이스트는 바람직하게는 미세한 분말의 형태로 분산된 은, 금, 구리, 니켈, 탄소 등을 포함하는 결합제 중합체이다. 결합제 중합체는 바람직하게는 폴리에스테르 수지, 에톡시 수지, 아크릴 수지, 알키드 수지, 폴리비닐 아세테이트 수지, 고무, 우레탄 수지 및/또는 페놀 수지를 포함한다.
끝으로, 기전력을 이끌어내기 위해서, 악어 집게(206)를 바람직하게는 전도성 기재(201) 또는 수집기 전극(205) 상에 고정시킨다. 악어 집게(206)를 전도성 기재 상에 고정시키는 바람직한 방법에서는, 금속 본체, 예를 들면 구리 태그를, 점 용접 또는 납땜을 통해 전도성 기재 상에 고정시키는 반면에, 악어 집게를 바람직하게는 전도성 페이스트 또는 주석 납땜(207 및 208)을 사용하여 수집기 전극 상에 고정시켜, 금속 본체와 수집기 전극 사이에 전기적 연결을 형성한다.
광기전 소자를, 원하는 전압 또는 전류 수준에 따라, 직렬 또는 병렬로 연결할 수 있다. 광기전 소자를 절연 기재 내로 도입시킴으로써, 전압 또는 전류 수준을 조절할 수 있다.
도 1에서 창유리(103)는 최대의 내후성, 최대의 방오성 및 최대의 기계적 강도를 갖도록 의도되는데, 왜냐하면 이것은 태양전지 모듈의 최외부 층이기 때문이다. 또한, 태양전지 모듈이 장기간의 옥외 사용 동안에도 신뢰성을 갖는 것을 보장하도록 의도된다. 본 발명의 목적을 위해 사용되기에 적합한 창유리는 (보강된) 유리 호일 및 플루오라이드 중합체 필름을 포함한다. 바람직하게 사용되는 유리 호일은 높은 투광률을 갖는 유리 호일이다. 적합한 플루오라이드 중합체 호일은 특히 에틸렌 테트라플루오라이드-에틸렌 공중합체(ETFE), 폴리비닐 플루오라이드 수지(PVF), 폴리비닐리덴 플루오라이드 수지(PVDF), 테트라플루오로에틸렌 수지(TFE), 에틸렌 테트라플루오라이드-프로필렌 헥사플루오라이드 공중합체(FEP) 및 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE)을 포함한다. 폴리비닐리덴 플루오라이드 수지는 내후성과 관련해서 특히 적합한 반면에, 에틸렌 테트라플루오라이드 에틸렌 공중합체는 내후성과 기계적 강도의 조합과 관련해서 특히 유리하다. 플루오라이드 중합체 호일과 고정 수단 사이의 접착을 개선하기 위해서, 호일을 코로나 처리 또는 플라스마 처리에 적용시키는 것이 바람직하다. 기계적 강도를 추가로 개선하기 위해서, 신장 호일을 사용하는 것도 바람직하다.
본 발명의 특히 바람직한 실시양태의 목적을 위해서, 창유리는 바람직하게는 하나 이상의 화학식 I에 따른 화합물을 추가로 포함하는 하나 이상의 폴리알킬 (메트)아크릴레이트를 포함한다.
창유리는 또한 바람직하게는 광기전 소자 상에서 높은 효율을 갖고서 광을 모으는, 즉 높은 발광을 달성하는 집광체이다. 평행한 입사광을 모으고 이것을 초점면 내에 집중시키는 수렴 렌즈가 특히 바람직하다. 특히 여기서, 광축에 대해 평행하게 입사되는 광은 초점에 집중된다.
수렴 렌즈는 양면볼록렌즈, 평볼록렌즈 또는 오목-볼록 렌즈일 수 있다. 그러나, 평볼록렌즈 구조가 특히 바람직하다. 창유리는 또한 바람직하게는 프레넬 렌즈의 구조를 갖는다.
후방 벽(105)은 광기전 소자(101)와 환경 사이의 전기적 절연을 달성하고 내후성을 개선하고 보강 물질로서 작용하는 역할을 한다. 이것은 바람직하게는 신뢰성있게 적당한 전기적 절연 성질을 제공하고 탁월한 장기간 안정성을 갖고 열팽창 및 열수축을 견딜 수 있고 가요성인 물질로 이루어진다. 이러한 목적에 특히 적합한 물질은 나일론 호일, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 호일 및 폴리비닐 플루오라이드 호일을 포함한다. 내습성이 요구되는 경우, 알루미늄-라미네이팅된 폴리비닐 플루오라이드 호일, 알루미늄-코팅된 PET 호일, 또는 산화규소-코팅된 PET 호일을 사용하는 것이 바람직하다. 후방 벽으로서, 호일-라미네이팅된 전기도금된 철 호일 또는 스테인레스강으로 이루어진 호일을 사용함으로써, 모듈의 내화성을 더욱 개선할 수 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시양태의 목적을 위해, 후방 벽은 바람직하게는 하나 이상의 화학식 I에 따른 화합물을 추가로 포함하는 하나 이상의 폴리알킬 (메트)아크릴레이트를 포함한다.
태양전지 모듈의 기계적 강도를 추가로 개선하거나 온도 변화에 의해 초래된 후방 벽의 구부러짐 및 휘어짐을 방지하기 위해서, 후방 벽의 외부 표면 상에 지지판을 고정시킬 수 있다. 특히 바람직한 후방 벽은 스테인레스강 시트, 플라스틱 시트 및 FRP(섬유-보강된 플라스틱) 시트이다. 후방 창유리 상에도 구조 물질이 고정될 수 있다.
이러한 유형의 태양전지 모듈을 그 자체로 공지된 방식으로 제조할 수 있다. 그러나, 특히 유리한 절차는 하기에 기술되어 있다.
광기전 소자를 고정 수단으로써 덮는 바람직한 절차에서는, 열을 사용하여 고정 수단을 용융시키고 이것을 홈을 통해 돌출시켜 호일을 형성하고, 이어서 이것을 요소 상에 열적으로 고정시킨다. 고정 수단 호일을 바람직하게는 요소와 창유리 사이 및 요소와 후방 벽 사이에 도입시키고, 이어서 압밀시킨다.
열적 압밀 공정을 공지된 공정, 예를 들면 진공 라미네이션 및 롤러 라미네이션을 사용하여 수행할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈의 작동 온도는 바람직하게는 80 ℃ 이하이거나 그 보다 높고, 이러한 온도는 특히 본 발명에 따른 물질의 내열성 효과를 효과적으로 활용하는 것을 허용하는 높은 온도이다.

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  9. (a) 하나 이상의 폴리알킬 (메트)아크릴레이트 및
    (b) 하나 이상의 하기 화학식 I에 따른 화합물
    을 포함하는 성형물을 포함하는 태양전지 모듈:
    <화학식 I>
    Figure 112011035177751-pct00008

    상기 식에서, 잔기 R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 20 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 시클로알킬 잔기이다.
  10. 제9항에 있어서, 성형물이 집광체임을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  11. 제10항에 있어서, 성형물이 수렴 렌즈임을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  12. 제11항에 있어서, 수렴 렌즈가 볼록한 영역을 포함함을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 수렴 렌즈가 평볼록렌즈 구조를 가짐을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  14. 제13항에 있어서, 수렴 렌즈가 프레넬(Fresnel) 렌즈임을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 또한 광기전 소자를 포함함을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  16. (a) 하나 이상의 광기전 소자,
    (b) 하나 이상의 폴리알킬 (메트)아크릴레이트 및 하나 이상의 하기 화학식 I에 따른 화합물을 포함하는 하나 이상의 수렴 렌즈, 및
    (c) 하나 이상의 폴리알킬 (메트)아크릴레이트 및 하나 이상의 하기 화학식 I에 따른 화합물을 포함하는 하나 이상의 투명 창유리
    를 포함하는 태양전지 모듈:
    <화학식 I>
    Figure 112016063020563-pct00009

    상기 식에서, 잔기 R1 및 R2는 독립적으로 1 내지 20 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 또는 시클로알킬 잔기이다.
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