KR101678984B1 - 태양전지용 봉지재 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈 - Google Patents

태양전지용 봉지재 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지용 봉지재 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 상기 태양전지용 봉지재 시트는 에틸렌 초산비닐 공중합체로 구성된 봉지재보다 전기절연성 및 내구성이 뛰어나다. 또한, 이를 포함하는 태양전지 모듈은 PID 현상 억제가 가능하고 내열성이 우수하여 고온 지역에서도 사용할 수 있다.

Description

태양전지용 봉지재 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈{ENCAPSULANT SHEET FOR SOLAR CELLS AND SOLAR CELL MODULE COMPRISING SAME}
본 발명은 우수한 내구성 및 전기절연성을 갖는 태양전지용 봉지재 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양전지용 봉지재로서 에틸렌 초산비닐 공중합체가 널리 이용되고 있으며, 에틸렌 초산비닐 공중합체는 경제성 측면에서 다른 소재보다 매우 적합한 소재이다. 하지만, 태양전지 모듈은 야외에 설치되어 장기간 운영됨에 따라 황변이 발생하거나 박리가 발생하는 등의 문제점이 지속적으로 발견되고 있다. 특히 최근에는 태양광용 인버터의 성능향상으로 인하여 태양광 모듈 시스템에 1,000 V의 고전압이 가해지고 있으며, 이로 인해 PID(Potential Induced Degradation) 현상이 발생하는 등 절연성 측면에서 문제점이 발견되고 있다. 이러한 문제들은 장시간 동안 에틸렌 초산비닐 공중합체로부터 생성되는 초산에 의해서 발생하는 현상으로 알려져 있다. 또한, 최근 프레임(frame)을 없앤 태양광 모듈이 출시되면서 에틸렌 초산비닐 공중합체 봉지재에 수분이 침투하는 문제가 대두되었다. 이로 인해, 에틸렌 초산비닐 공중합체보다 절연성이 우수하고, 내수성이 우수한 폴리에틸렌계 또는 폴리프로필렌계 수지를 이용한 태양전지용 봉지재에 대한 관심이 높아지고 있다.
초산비닐을 함유하지 않은 폴리에틸렌계 또는 폴리프로필렌계 수지는 전기절연성이 우수하고 내수성이 강하여 PID 현상을 발생시키지 않으며, 장기적으로 초산을 생성하지 않아 황변 등의 문제를 일으키지 않는다. 특히 실란변성 수지를 이용한 에틸렌 α-올레핀 공중합체를 적용할 경우 태양전지 모듈 제조 공정에서 별도의 열 가교가 필요하지 않아 공정 시간이 단축되는 등의 장점도 지니고 있다.
하지만, 열가교 공정 없이 봉지재와 유리를 접착시키기 위해서는 별도의 공정이 필요하다. 이에 따라, 실란변성 올레핀 수지를 마스터배치의 형태로 별도 제작하여 봉지재 시트 제조 시 첨가하거나, 시트 제조시 전리방사선을 이용하여 봉지재 일부를 가교시키는 방안이 제시되었다(일본 공개특허 2005-019975 및 일본 공개특허 2013-042101). 상기 방안들은 장시간의 열가교공정 없이도 유리와 봉지재의 접착력을 향상시키고, 실란변성 수지를 이용하여 열가교가 되지 않은 봉지재임에도 내열성을 향상시키는 등의 효과를 나타냈다.
하지만, 상기 방안들을 사용할 경우, 봉지재의 융점 이상의 온도(일반적으로 90℃)에서 장기간 운영시 봉지재가 흘러내리는 현상이 발생하고, 이에 따라 모듈에서 유리가 중력방향으로 움직이는 크립(creep)현상이 발생한다. 따라서, 상기 방법으로 제작된 봉지재는 그 우수한 성능에도 불구하고 사막 등의 고온지역에는 설치하기 어려웠다.
일본 공개특허 2005-019975 일본 공개특허 2013-042101
본 발명은 에틸렌 초산비닐 공중합체보다 전기절연성 및 내구성이 뛰어나며, PID 현상 억제가 가능하고 내열성이 우수하여 고온 지역에서도 사용할 수 있는 태양전지용 봉지재 시트, 및 이를 포함하는 태양전지 모듈을 제공하고자 한다.
본 발명은 에틸렌과 알파-올레핀이 공중합되어 제조된 공중합 수지, 및 가교제를 포함하고,
열가교 이전의 하기 수학식 1로 표시되는 탄성변화률이 120 내지 130 ℃에서 최대값을 가지며, 상기 최대값이 2.0 내지 2.5이고, 이후 150 내지 200 ℃에서 0.1 내지 1.0이며,
50 kV/mm 이상의 절연 내구력을 갖는, 태양전지용 봉지재 시트를 제공한다.
[수학식 1]
탄성변화률 = 손실탄성률/저장탄성률
또한, 본 발명은 투명 보호 기재, 제1 봉지재 시트, 전극이 연결된 하나 이상의 태양전지 셀, 제2 봉지재 시트, 및 백시트가 순서대로 적층된 태양전지 모듈로서,
상기 제1 봉지재 시트 및 제2 봉지재 시트 중 적어도 하나가 에틸렌과 알파-올레핀이 공중합되어 제조된 공중합 수지, 및 가교제를 포함하고, 열가교 이전의 하기 수학식 1로 표시되는 탄성변화률이 120 내지 130 ℃에서 최대값을 가지며, 상기 최대값이 2.0 내지 2.5이고, 이후 150 내지 200 ℃에서 0.1 내지 1.0이며, 50 kV/mm 이상의 절연 내구력을 갖는, 태양전지 모듈을 제공한다.
[수학식 1]
탄성변화률 = 손실탄성률/저장탄성률
본 발명의 태양전지용 봉지재 시트는 에틸렌 초산비닐 공중합체로 구성된 봉지재보다 전기절연성 및 내구성이 뛰어나다. 따라서, 이를 포함하는 태양전지 모듈은 PID 현상 억제가 가능하고 내열성이 우수하여 고온 지역에서도 사용할 수 있다.
도 1 및 2는 태양전지 셀 및 봉지재 시트를 포함하는 일 실시예에 따른 태양전지 모듈의 구성(각각 분해도 및 결합도)을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 3은 봉지재 시트의 열적 안정성을 평가하기 위한 크립 테스트(시험예)의 일례를 나타낸 것이다.
본 발명의 태양전지용 봉지재 시트는 에틸렌과 알파-올레핀이 공중합되어 제조된 공중합 수지, 및 가교제를 포함한다.
상기 봉지재 시트는 열가교 이전의 하기 수학식 1로 표시되는 탄성변화률이 120 내지 130 ℃에서 최대값을 가지며, 상기 최대값이 2.0 내지 2.5이고, 이후 150 내지 200 ℃에서 0.1 내지 1.0이다. 구체적으로, 상기 봉지재 시트는 하기 수학식 1로 표시되는 탄성변화률이 150 내지 200 ℃에서 0.1 내지 0.5일 수 있다.
[수학식 1]
탄성변화률 = 손실탄성률/저장탄성률
상기 탄성변화률은 tan-delta값이라고도 명명하며, 본원에서는 주파수 1 ㎐, 승온속도 5 ℃/분으로 측정하였다. 탄성변화률은 통상적으로 측정 기기로부터 자동적으로 계산되는 값으로, 탄성변화률이 클수록 유동성이 크다는 의미이며, 탄성변화률이 작을수록 유동성이 작다는 의미이다. 따라서, 탄성변화률이 최대값을 가지는 온도까지는 봉지재가 녹는 과정이며, 최대값을 가지는 온도 이후에서 가교가 시작되는 것이라 해석할 수 있다. 태양전지용 봉지재 시트는 태양전지 셀을 감싸서 보호하는 역할을 하기 때문에 가교가 시작되기 전의 녹아있는 상태에서 충분한 유동성을 가져야 한다.
탄성변화률의 최대값이 2.0 이상일 경우, 태양전지 모듈 제조 과정에서 태양전지 셀에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 탄성변화률의 최대값이 2.5 이하일 경우, 봉지재의 유동성이 적절히 조절되어, 라미네이션 공정 중 봉지재가 유리와 백시트 사이로 흘러나와 장비를 오염시키거나, 태양전지 모듈 단부에 봉지재의 양이 적어져 박리를 일으키는 문제를 방지할 수 있다.
상기 봉지재 시트가 열가교 완료 시점인 150 내지 200 ℃에서 0.1 이상의 탄성변화률을 가질 경우, 봉지재가 지나치게 단단하게 되어 태양전지 모듈로 제작된 후 외부의 충격에 의해 태양전지 셀이 파손되는 문제가 방지될 수 있다. 또한, 150 내지 200 ℃에서 1.0 이하의 탄성변화률을 가질 경우, 봉지재 시트의 가교가 충분히 일어나, 고온에서 봉지재가 흘러내리는 등의 내열성 문제가 발생하지 않는다.
상기 열가교 이전의 탄성변화률의 최대값은 공중합 수지의 기본 물성으로 결정되는 수치이며, 열가교 완료 시점의 탄성변화률은 공중합 수지에 첨가되는 가교제의 조성에 의해 결정되는 수치이다.
상기 봉지재 시트는 50 kV/mm 이상의 절연 내구력을 갖는다. 구체적으로, 상기 봉지재 시트는 55 kV/mm 이상의 절연 내구력을 가질 수 있다. 에틸렌 초산비닐 공중합 수지는 일반적으로 40 내지 45 kV/mm의 절연 내구성을 가진다. 종래 에틸렌 초산비닐 공중합 수지를 포함하는 봉지재 시트의 경우, 절연 내구성이 40 내지 45 kV/mm로, PID 현상을 억제하기 위해서는 체적저항을 1 × 1015 Ω·cm 이상으로 향상시켜야 했다. 그러나, 본 발명의 봉지재 시트는 50 kV/mm 이상의 향상된 절연 내구력으로 인해 체적저항이 1 × 1014 Ω·cm 이상이면 종래 에틸렌 초산비닐 공중합 수지 봉지재 시트보다 PID 현상 방지 효과가 뛰어났다.
따라서, 상기 봉지재 시트는 1 × 1014 Ω·cm 이상의 체적저항을 가질 수 있다. 봉지재 시트의 체적저항이 상기 범위 내일 경우, 봉지재 시트의 절연내구성이 우수하며, 이를 포함하는 태양전지 모듈의 습윤 누설 저항이 저하되지 않는 효과가 있다. 본 발명에서, 절연 내구력은 ASTM D149 법에 기준한 절연파괴시험방법으로 측정하였으며, 봉지재 시트에 초당 0.1 kV의 전압을 가하여 봉지재 시트의 절연성이 파괴되는 순간의 전압값을 봉지재 시트의 두께로 나눈 값이다.
상기 알파-올레핀은 C4 -8의 알켄일 수 있으며, 구체적으로, C4 또는 C8의 알켄일 수 있다.
상기 공중합 수지는 190 ℃, 2.16 kg에서 5 내지 30 g/10분의 용융흐름지수(MFR, Melting Folw Rate)를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 공중합 수지는 190 ℃에서 5 내지 20 g/10분의 용융흐름지수(MFR)를 가질 수 있다. 공중합 수지의 용융흐름지수가 상기 범위 내일 경우, 흐름성이 낮아 공중합 수지의 압출이 용이하지 못한 문제 및 지나치게 흐름성이 높아 라미네이션 공정에서 공중합 수지가 흘러나와 설비를 오염시키는 문제가 발생하지 않고, 안정적으로 시트를 성형할 수 있다.
상기 공중합 수지는 10,000 내지 100,000의 중량평균 분자량을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 공중합 수지는 20,000 내지 60,000의 중량평균 분자량을 가질 수 있다.
상기 봉지재 시트는 가교제로서 유기 과산화물을 포함할 수 있다.
상기 유기 과산화물은 90 내지 120 ℃에서 10 시간의 반감기를 가질 수 있다. 상기 10 시간 반감기 온도는 해당온도에서 유기 과산화물이 분해되어 50 %가 남는데 10 시간 걸린다는 의미이다. 상기 반감기 온도가 낮을수록 반응성이 빠르다는 의미이며, 반감기 온도가 높을수록 반응성이 느리다는 의미이다. 따라서, 10 시간 반감기 온도가 90 ℃ 미만인 경우, 반응성이 너무 빨라 봉지재의 급격한 가교반응으로 인해 열가교 이전의 상기 수학식 1로 표시되는 탄성변화률이 120 ℃미만에서 최대값을 가질 수 있다. 또한, 10 시간 반감기 온도가 120 ℃를 초과하는 경우, 봉지재가 라미네이션 공정에서 충분한 가교반응을 일으키지 못해 열가교 이전의 상기 수학식 1로 표시되는 탄성변화률이 130 ℃를 초과하는 온도에서 최대값을 가지며, 150 ℃ 이상의 온도에서도 탄성변화률이 1을 초과하게 된다.
상기 봉지재 시트는 공중합 수지 100 중량부에 대하여 0.5 내지 1.5 중량부의 가교제를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 봉지재 시트는 공중합 수지 100 중량부에 대하여 0.6 내지 1.3 중량부의 가교제를 포함할 수 있다.
상기 유기 과산화물은 2,5-디메틸헥산, 2,5-디하이드로 퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 3-디-t-부틸 퍼옥사이드, α,α'-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, n-부틸-4,4-비스(t-부틸퍼옥시)부탄, 2,2-비스(t-부틸퍼옥시)부탄, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)사이클로헥산, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산, t-부틸퍼옥시벤조에톤, 벤조일 퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, t-부틸 (2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트, t-부틸 이소프로필 모노퍼옥시카보네이트, t-아밀(2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트, 1,1-디(t-부틸퍼옥시)사이클로헥산, 1,1-디(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산 및 1,1-디(t-아밀퍼옥시)사이클로헥산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 유기 과산화물은 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산 및 t-부틸 (2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 봉지재 시트는 가교 보조제 및 안정제로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 가교 보조제는 가교성능을 향상시키는 역할을 하며, 에틸렌 초산비닐 수지를 이용한 봉지재 제조 시 사용하는 종래의 가교제라면 어느 것이든 사용할 수 있다. 구체적으로, 트라이알릴 이소시아누레이트, 트라이알릴 이소시아네이트 등의 3개의 작용기를 가진 가교 보조제; 또는 에스테르 등의 1개의 작용기를 가진 가교 보조제를 사용할 수 있다.
상기 가교 보조제는 공중합 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2.0 중량부의 양으로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 가교 보조제는 공중합 수지 100 중량부를 기준으로 0.5 내지 1.5 중량부의 양으로 사용될 수 있다. 가교 보조제의 함량이 상기 범위 내일 경우, 봉지재 시트 제조공정 중 가교반응이 발생하지 않아 시트 성형이 용이하며, 라미네이션 공정 중 봉지재 시트의 가교성능이 향상되는 효과가 나타난다.
상기 안정제는 공중합 수지의 안정성을 향상시키는 역할을 하며, 예를 들어, 하이드로퀴논, 하이드로퀴논메틸에틸, p-벤조퀴논 및 메틸 하이드로퀴논 등을 사용할 수 있다. 상기 안정제는 공중합 수지 100 중량부를 기준으로 5 중량부 이하의 양으로 포함될 수 있다. 구체적으로, 상기 안정제는 공중합 수지 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 2 중량부의 양으로 사용할 수 있다.
또한, 필요에 따라, 봉지재 시트는 착색제, 자외선 흡수제, 노화 방지제, 변색 방지제 등을 추가로 포함할 수 있다.
상기 착색제의 예로는 금속 산화물, 금속분 등의 무기 안료; 및 아조계, 프탈로사이아닌계, 산성 또는 염기성 염료계 레이크 등의 유기 안료를 들 수 있다. 상기 자외선 흡수제의 예로는, 2-하이드록시-4-옥톡시벤조페논, 2-하이드록시-4-메톡시-5-술폰벤조페논 등의 벤조페논계; 2-(2'-하이드록시-5-메틸 페닐)벤조트라이아졸 등의 벤조트라이아졸계; 및 페닐살릴레이트, p-t-부틸페닐살릴레이트 등의 살릴레이트계를 들 수 있다. 상기 노화 방지제의 예로는 아민계, 페놀계, 및 비스페닐계를 들 수 있고, 구체적으로, t-부틸-p-크세졸 및 비스-(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페라질)세바케이트 등이 있다.
상기 봉지재 시트는 30 내지 80 %의 가교도를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 봉지재 시트는 40 내지 75 %의 가교도를 가질 수 있다. 상기 가교도는 봉지재 시트 1 g을 자일렌 100 ㎖에 넣고 125 ℃에서 12 시간 동안 용해한 후 용해되지 않고 남은 봉지재 시트의 중량을 측정하여 초기 중량 대비 미용해 봉지재 시트의 중량비로 측정하였다.
상기 봉지재 시트는 열가교 이후 100 ℃에서 0.1 내지 1.0의 탄성변화률을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 봉지재 시트는 열가교 이후 100 ℃에서 0.3 내지 0.9의 탄성변화률을 가질 수 있다. 100 ℃에서 봉지재 시트의 탄성변화률이 0.1 이상일 경우, 봉지재가 지나치게 단단하게 되어 태양전지 모듈로 제작된 후 외부 충격에 의해 태양전지 셀이 파손되는 문제가 방지될 수 있다. 또한, 100 ℃에서 봉지재 시트의 탄성변화률이 1.0 이하일 경우, 봉지재 시트의 가교가 충분히 일어나, 고온에서 봉지재가 흘러내리는 등의 내열성 문제가 발생하지 않는다.
또한, 본 발명은 투명 보호 기재, 제1 봉지재 시트, 전극이 연결된 하나 이상의 태양전지 셀, 제2 봉지재 시트, 및 백시트가 순서대로 적층된 태양전지 모듈로서,
상기 제1 봉지재 시트 및 제2 봉지재 시트 중 적어도 하나가 에틸렌과 알파-올레핀이 공중합되어 제조된 공중합 수지, 및 가교제를 포함하고, 열가교 이전의 하기 수학식 1로 표시되는 탄성변화률이 120 내지 130 ℃에서 최대값을 가지며, 상기 최대값이 2.0 내지 2.5이고, 이후 150 내지 200 ℃에서 0.1 내지 1.0이며, 50 kV/mm 이상의 절연 내구력을 갖는, 태양전지 모듈을 제공한다.
[수학식 1]
탄성변화률 = 손실탄성률/저장탄성률
도 1 및 2에 일실시예에 따른 태양전지 모듈의 구성(각각 분해도 및 결합도)이 도시되어 있다. 상기 태양전지 모듈(10)은 투명 보호 기재(14), 제1 봉지재 시트(12), 전극이 연결된 하나 이상의 태양전지 셀(11), 제2 봉지재 시트(12') 및 백시트(13)가 순서대로 적층된 것이며, 상기 제1 봉지재 시트(12) 및 제2 봉지재 시트(12') 중 적어도 하나가 상술한 바와 같은 봉지재 시트를 포함한다.
이와 같은 태양전지 모듈(10)은 태양전지 셀(11) 및 봉지재 시트(12, 12')를 비롯한 구성층들을 순서대로 적층시킨 후 가공(가열 및 가압)하여 제조된 것일 수 있으며, 여기서 상기 제1 봉지재 시트(12) 및 제2 봉지재 시트(12')로서 상술한 바와 같은 봉지재 시트를 사용할 수 있다.
상기 태양전지 모듈(10)을 구성하는 태양전지 셀(11), 백시트(13) 및 투명 보호 기재(14)는 통상적으로 사용되는 것들을 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 특히, 투명 보호 기재 및 백시트는 둘 다 유리기판일 수 있다.
본 발명의 태양전지용 봉지재 시트는 에틸렌 초산비닐 공중합체로 구성된 봉지재보다 전기절연성 및 내구성이 뛰어나다. 따라서, 이를 포함하는 태양전지 모듈은 PID 현상 억제가 가능하고 내열성이 우수하여 고온 지역에서도 사용할 수 있다.
[ 실시예 ]
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1. 봉지재 시트의 제조
에틸렌 α-올레핀 공중합 수지로 에틸렌 1-부텐 공중합체(중량평균 분자량(Mw): 41,200, 190 ℃, 2.16 kg에서 용융흐름지수(MFR)(g/10분): 16, 융점(Tm): 68 ℃) 100 중량부에 대하여 가교제로 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산 0.1 중량부 및 t-부틸 (2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트 0.5 중량부, 및 가교보조제로 트라이알릴 이소시아누레이트 1.5 중량부를 배합하여 봉지재 시트 조성물을 제조하였다.
상기 봉지재 시트 조성물을 100 ℃의 T-다이 압출공정에 적용하여 450 ㎛ 두께의 봉지재 시트를 제조하였다.
비교예 1 내지 4
하기 표 1에 기재된 바와 같이, 에틸렌 α-올레핀 공중합 수지의 종류를 변화시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 봉지재 시트를 제조하였다.
실시예 2 내지 5 및 비교예 5 내지 9
하기 표 2에 기재된 바와 같이, 가교제 및 가교보조제인 트리아알릴 이소시아누레이트의 함량을 변화시킨 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 봉지재 시트를 제조하였다.
시험예
실시예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 9의 봉지재 시트의 탄성률, PID 현상, 내열성, 가교도, 절연 내구력 및 체적저항을 측정하였으며, 하기와 같은 방법으로 태양전지 모듈을 제조한 후 라미네이션 장비 오염 정도 및 셀 깨짐을 평가하였다.
(1) 탄성변화률
레오미터를 사용하여 80 내지 200 ℃에서 주파수 1 Hz 및 5 ℃/분의 승온 속도 조건으로 봉지재 시트의 탄성변화률(손실탄성률/저장탄성률)을 측정하였다.
또한, 레오미터를 사용하여 150 내지 200 ℃에서 주파수 1 Hz 및 5 ℃/분의 승온 속도 조건으로 봉지재 시트의 탄성변화률을 측정하였으며, 탄성변화률 중 최대값을 표 2 내지 3에 나타내었다.
(2) 태양전지 모듈 제작 및 장비 오염 정도 평가
유리/봉지재 시트/태양전지 셀(제조사: JSPV 社, 제품명: JSCM3186)/봉지재 시트/유리의 순서로 적층한 후(G(유리) to G(유리) 구조) 라미네이션하여 태양전지 모듈을 제작하였다.
상기 태양전지 모듈의 크기는 200 mm × 200 mm(가로×세로)로 태양전지 셀 1개가 들어가는 형태이다. 라미네이션은 NPC 사의 50×50 라미네이터를 사용하였으며, 160 ℃ 온도조건에서, 진공에서 5 분 및 1 atm에서 20 분을 유지하여 태양전지 모듈을 제작하였다.
라미네이션 이후 유리와 유리 사이에서 흘러나온 봉지재에 의해 장비가 오염되는 정도를 파악하였다. 라미네이션 이전의 봉지재 시트의 무게(y)와 라이네이션 이후 유리 밖으로 흘러나온 부분의 무게(x)를 측정하여 x가 y의 10 % 초과일 경우는 ◎(오염 심함), x가 y의 5 내지 10 %일 경우는 ○(오염 적음), x가 y의 5 % 미만일 경우는 X(오염 없음)로 기재하였다.
(3) 크립 테스트
가교 이후의 내열성을 평가하기 위하여 크립(creep) 테스트를 실시하였다. 크립 테스트는 에틸렌 α-올레핀 공중합 수지의 융점보다 높은 온도인 100 ℃에서 열적 안정성을 지니고 있는지 여부를 평가하는 방법이다.
구체적으로, 도 3과 같이 샘플을 제작하고 100 ℃에서 중력방향(40)으로 가해지는 하중에 버티는 테스트를 수행하였다. 두 장의 유리판(20, 30)을 봉지재 시트(12)로 접착하고, 100 ℃의 오븐 내에서 24 시간 동안 방치한 후 유리판(30)이 이동한 거리를 측정하였다. 상기 유리판(20, 30)은 표면에 어떠한 처리도 하지 않은 두께 3.2 ㎛의 매끈한 유리를 사용하였으며, 접착면적은 5 ㎝ × 10 ㎝로 하였다.
100 ℃보다 높은 온도에서 테스트를 진행하지 않은 이유는 보다 높은 온도에서는 크립 테스트 중에 봉지재 시트가 추가로 경화반응이 미세하게 진행되어 100 ℃에서보다 크립 성능이 더 우수한 결과가 도출되는 착시현상이 있기 때문이다.
(4) PID 현상 평가
PID 현상 억제 효과를 확인하기 위해, 상기 (2)와 동일한 방법으로 태양전지 모듈을 제작하되 60 Cell 모듈을 사용하고 태양전지 셀로서 JSPV 사의 JSCM3186(모델명) 셀을 사용하였다. 이어, 알루미늄 호일(Al-foil)로 태양전지 모듈의 전면을 감싸고 85 ℃ 및 85 % 상대습도 환경에서 96 시간 동안 모듈에 1,000 V의 전압을 가하였다. 이후 태양전지 모듈의 출력을 측정하여 초기 출력으로부터 저하된 값을 %로 계산하여 PID 현상을 평가하였다.
(5) 가교도
봉지재 시트 1 g을 자일렌 100 ㎖에 넣은 후 125 ℃에서 12 시간 동안 용해시켰다. 이후 남아있는 봉지재 시트의 중량을 용해 이전의 봉지재 시트의 중량으로 나눈 값(%)을 가교도로 나타내었다.
(6) 절연 내구력
봉지재 시트의 절연 내구력을 ASTM D149 법으로 측정하였다. 구체적으로, 봉지재 시트에 초당 0.1 kV의 전압을 가하여 봉지재의 절연성이 파괴되는 순간의 전압값을 봉지재 시트의 두께로 나눈 값을 절연 내구력으로 나타내었다.
(7) 체적저항
봉지재 시트의 체적저항은 ASTM D 257에 기재된 방법으로 측정하였다.
(8) 셀 깨짐
상기 (2)와 동일한 방법으로 태양전지 모듈을 제작하되 4 Cell 모듈을 사용하고, 태양전지 셀로서 JSPV 사의 JSCM3186(모델명) 셀을 사용하여 100 개의 태양전지 모듈을 제작하였다. 이후 제작된 태양전지 모듈 중 셀 깨짐이 1개 이상 발생하면 셀 깨짐 발생으로 평가하였다.
(9) 가교 후 100 ℃에서의 탄성변화률
가교 후 탄성변화률을 확인하기 위해, 이형지/봉지재 시트/이형지 형태로 상기 (2)와 동일한 방법으로 라미네이션한 후 양쪽의 이형지를 제거하였다. 이후 봉지재 시트를 Dynamic Mechanical Analysis를 사용하여 탄성변화률을 확인하였다.
비교예 1 비교예 2 비교예 3 비교예 4 실시예 1
에틸렌 1-부텐 공중합 수지 190 ℃, 2.16 kg에서 용융흐름지수(MFR)(g/10분) 3 31 35 45 16
융점(Tm)(℃) 62 58 65 65 68
중량평균 분자량(Mw) 30,000 30,000 28,000 25,000 41,200
탄성변화률의 최대값 1.8 2.9 3.5 4.0 2.2
탄성변화률이 최대값일 때 온도 123 ℃ 121 ℃ 124 ℃ 126 ℃ 125 ℃
가교제
(중량부)		 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산 0.1 0.1 0.1 0.1 0.1
t-부틸(2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5
트라이알릴 이소시아누레이트(중량부) 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
장비 오염 X ○ ◎ ◎ X
표 1에서 보는 바와 같이, 125 ℃에서 탄성변화률 최대값 2.2를 갖는 에틸렌 1-부텐 공중합 수지를 사용한 실시예 1의 봉지재 시트는 150 내지 200 ℃에서 0.1 내지 1.0 사이의 탄성변화률을 나타내었으며, 본 발명 범주에서 벗어나는 탄성변화률을 갖는 공중합 수지를 사용한 비교예 2 내지 4의 봉지재 시트와 비교할 때, 라미네이션에 의한 장비 오염도 현저히 적었다. 또한, 비교예 1의 봉지재 시트는 라미네이션에 의한 장비 오염은 없었으나 낮은 용융흐름지수로 인하여 시트 성형이 용이하지 않은 문제점이 있었다.
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
가교제
(중량부)		 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산 0.1 0.1 0.1 0.2 0.2
t-부틸(2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트 0.5 0.7 1.0 0.5 1.0
트라이알릴 이소시아누레이트
(중량부)		 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
최대 탄성변화률
(150 내지 200 ℃)		 0.8 0.7 0.7 0.8 0.3
가교 후 100 ℃에서의
탄성변화률		 0.6 0.6 0.5 0.6 0.3
가교도 (%) 51 58 61 58 68
체적저항 (Ω·cm) 4×1014 4.2×1014 3.2×1014 3.3×1014 6.2×1014
절연내구력 (kV/mm) 62 61 61 62 62
PID 평가 (%) -2 -1.9 -2.1 -1.9 -2.0
크립 테스트 (mm) 0 0 0 0 0
셀 깨짐 미발생 미발생 미발생 미발생 미발생
비교예 5 비교예 6 비교예 7 비교예 8 비교예 9
가교제(중량부) 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산 0.1 0.1 0.2 0.2 0.5
t-부틸(2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트 0.15 0.3 0.1 0.25 1.1
트라이알릴 이소시아누레이트
(중량부)		 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5
최대 탄성변화률
(150 내지 200 ℃)		 1.5 1.2 1.3 1.2 0.1
가교 후 100 ℃에서의
탄성변화율		 1.1 1.1 1.3 1.1 0.09
가교도 (%) 31 38 32 57 81
체적저항 (Ω·cm) 2.1×1014 2.2×1014 3.5×1014 3.1×1014 8.2×1014
절연내구력 (kV/mm) 62 61 61 62 62
PID 평가 (%) -2 -2.4 -2.1 -1.9 -2.1
크립 테스트 (mm) 5 4.5 3.0 2.1 0
셀 깨짐 미발생 미발생 미발생 미발생 발생
표 2 및 3에서 보는 바와 같이, 실시예 1 내지 5의 봉지재 시트는 150 내지 200 ℃에서 0.3 내지 1.0 사이의 최대 탄성변화률을 나타내었으며, 3.0 × 1014 Ω·cm 이상의 체적저항을 나타내었다. 또한, 비교예 5 내지 9의 봉지재 시트를 포함하는 태양전지 모듈과 비교할 때, 실시예 1 내지 5의 봉지재 시트를 포함하는 태양전지 모듈은 태양전지 셀 깨짐이 발생하지 않았으며, 100 ℃ 조건의 크립 테스트에서 유리판의 이동 거리가 없어 우수한 열적 안정성을 가짐을 확인할 수 있었다.
10: 태양전지 모듈 11: 태양전지 셀
12: 제1 봉지재 시트 12': 제2 봉지재 시트
13: 백시트 14: 투명 보호 기재
20, 30: 유리판 40: 중력방향

Claims (11)

  1. 에틸렌과 알파-올레핀이 공중합되어 제조된 공중합 수지, 및 가교제를 포함하고,
    열가교 이전의 하기 수학식 1로 표시되는 탄성변화률이 120 내지 130 ℃에서 최대값을 가지며, 상기 최대값이 2.0 내지 2.5이고, 이후 150 내지 200 ℃에서 0.1 내지 1.0이며,
    50 kV/mm 이상의 절연 내구력을 가지고,
    상기 공중합 수지 100 중량부에 대하여 0.5 내지 1.5 중량부의 가교제를 포함하는, 태양전지용 봉지재 시트.
    [수학식 1]
    탄성변화률 = 손실탄성률/저장탄성률
  2. 제1항에 있어서,
    상기 봉지재 시트가 1 × 1014 Ω·cm 이상의 체적저항을 갖는, 태양전지용 봉지재 시트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알파-올레핀이 C4 -8의 알켄인, 태양전지용 봉지재 시트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 알파-올레핀이 C4 또는 C8의 알켄인, 태양전지용 봉지재 시트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 봉지재 시트가 가교제로서 유기 과산화물을 포함하는, 태양전지용 봉지재 시트.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 유기 과산화물이 90 내지 120 ℃에서 10 시간의 반감기를 갖는, 태양전지용 봉지재 시트.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유기 과산화물이 2,5-디메틸헥산, 2,5-디하이드로 퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, 3-디-t-부틸 퍼옥사이드, α,α'-비스(t-부틸퍼옥시이소프로필)벤젠, n-부틸-4,4-비스(t-부틸퍼옥시)부탄, 2,2-비스(t-부틸퍼옥시)부탄, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)사이클로헥산, 1,1-비스(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산, t-부틸퍼옥시벤조에톤, 벤조일 퍼옥사이드, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산, t-부틸 (2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트, t-부틸 이소프로필 모노퍼옥시카보네이트, t-아밀(2-에틸헥실)모노퍼옥시카보네이트, 1,1-디(t-부틸퍼옥시)사이클로헥산, 1,1-디(t-부틸퍼옥시)-3,3,5-트리메틸사이클로헥산 및 1,1-디(t-아밀퍼옥시)사이클로헥산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인, 태양전지용 봉지재 시트.
  9. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 봉지재 시트가 30 내지 80 %의 가교도를 갖는, 태양전지용 봉지재 시트.
  10. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 봉지재 시트가 열가교 이후 100 ℃에서 0.1 내지 1.0의 탄성변화률을 갖는, 태양전지용 봉지재 시트.
  11. 투명 보호 기재, 제1 봉지재 시트, 전극이 연결된 하나 이상의 태양전지 셀, 제2 봉지재 시트, 및 백시트가 순서대로 적층된 태양전지 모듈로서,
    상기 제1 봉지재 시트 및 제2 봉지재 시트 중 적어도 하나가 에틸렌과 알파-올레핀이 공중합되어 제조된 공중합 수지, 및 가교제를 포함하고, 열가교 이전의 하기 수학식 1로 표시되는 탄성변화률이 120 내지 130 ℃에서 최대값을 가지며, 상기 최대값이 2.0 내지 2.5이고, 이후 150 내지 200 ℃에서 0.1 내지 1.0이며, 50 kV/mm 이상의 절연 내구력을 가지고, 상기 공중합 수지 100 중량부에 대하여 0.5 내지 1.5 중량부의 가교제를 포함하는, 태양전지 모듈.
    [수학식 1]
    탄성변화률 = 손실탄성률/저장탄성률
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