KR101720427B1 - 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법 - Google Patents

태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법 Download PDF

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Abstract

투명성, 가교도 및 접착성과 같은 기본 물성이 우수하면서도 체적저항이 우수하여 태양전지의 변환 효율 저하를 방지하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물의 제조방법이 개시된다. 본 발명은 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법에 있어서, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100중량부에 대하여 알루미노실리케이트계 무기입자 1~40중량부를 혼합 및 용융 혼련하여 마스터배치를 제조하는 단계; 및 상기 수지 조성물 중 상기 알루미노실리케이트계 무기입자 함량이 0.01~5중량%가 되도록 상기 마스터배치를 별도의 에틸렌비닐아세테이트 공중합체와 혼합 및 용융 혼련하는 단계;를 포함하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법을 제공한다.

Description

태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법{PREPARING METHOD OF RESIN COMPOSITIONS FOR ENCAPSULANT OF PHOTOVOLTAIC MODULES}
본 발명은 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모듈의 변환 효율이 저하되는 현상을 방지하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물의 제조방법에 관한 것이다.
최근 전세계적으로 자연친화적이고 환경오염을 일으키지 않는 친환경 녹색성장에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 지구온난화 문제의 주요 원인 중의 하나인 이산화탄소 배출을 예방하기 위하여 화석연료를 대체하고자 다양한 신재생 에너지에 관한 연구가 이루어지고 있는데 그 중에서도 공해와 소음이 없고 에너지 공급에 제한이 없는 태양광 발전이 각광을 받고 있다.
태양광 발전은 태양전지(Solar Cell)를 이용하여 빛 에너지를 전기에너지로 변환 및 발전시켜 주게 되는데, 전면유리, 봉지재 시트, 후면시트와 함께 가열 가압 공정을 거쳐 접착 일체화되어 태양광 모듈로 만들어지고 사용된다. 특히 이때 태양광 모듈에서 접착층 역할을 할 뿐 아니라, 외부로부터 수분, 이물질, 충격 등과 같은 위험성으로부터 태양전지를 보호하기 위해 봉지재를 사용하게 되는데, 탄성이 좋고 접착성이 우수한 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 공중합체가 많이 사용되고 있다.
일반적으로 태양전지 봉지재 용도로 사용되는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체는 이와 같은 접착성, 탄성, 투명성 등 기계적 물성을 부여하기 위하여 비닐아세테이트 함량이 20~40중량%인 것이 사용된다. 하지만 비닐아세테이트 함량비가 높아질수록 극성기가 많아지게 되어 태양전지 모듈의 에너지 변환 시 생성되는 전기에너지가 누수되고 변환 효율이 떨어지는 현상이 발생할 수 있다. 또한, 고온 고습한 조건에 지속적으로 노출될 경우, 외부 환경에 의한 에틸렌비닐아세테이트 공중합체의 변성이 일어나게 되고 이때 발생한 이온들의 흐름에 따라 모듈의 변환 효율 저하 현상(Potential Induced Degradation; PID)이 가속화될 가능성이 있다. 최근 이러한 PID 현상을 개선하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 특히 전류의 흐름을 방해하여 생성된 전류가 봉지재를 통해 누수되지 않도록 봉지재의 체적저항을 높여주는 연구 진행이 활발하다.
한국공개공보 제2015-0060692호는 내구성 향상을 위하여 EVA와 올레핀 계열의 수지로 이원화하여 성형된 다층 필름을 개시하고 있으나, 올레핀 계열의 수지는 EVA 수지보다 탄성이 부족하여 모듈 라미네이션(Lamination) 과정에서 셀(Cell)의 파손이 발생할 수 있으며, 레이업(Lay-Up) 과정에서 층을 구별하지 않고 사용할 경우 접착강도가 부족하여 모듈의 내구성이 저하될 수 있다.
한국공개공보 제2015-0077305호는 EVA 수지에 무기물을 분산시켜 모듈 내에 존재하는 도전성 물질을 포집하여 내구성을 향상시키고자 하였으나, 분산된 무기물의 입자 크기가 크고 함량이 높아지면 광선투과율이 저하되어 태양광 모듈의 에너지 전환율이 떨어지는 문제점이 있다.
한국공개공보 제2015-0083158호는 가교조제의 종류를 변경하여 태양전지 시트(Sheet)의 내구성을 향상시키고자 하였으나, 첨가제의 경우 라미네이션(Lamination) 고온 공정 시 휘발에 대한 가능성을 배제할 수 없고, 휘발할 경우 모듈 기포 발생 및 원하는 성능 구현이 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 투명성, 가교도 및 접착성과 같은 기본 물성이 우수하면서도 체적저항이 우수하여 태양전지의 변환 효율 저하를 방지하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 방법에 따라 제조된 수지 조성물을 포함하는 태양전지 봉지재 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 모듈을 제공하고자 한다.
상기 과제 해결을 위하여 본 발명은, 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법에 있어서, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100중량부에 대하여 알루미노실리케이트계 무기입자 1~40중량부를 혼합 및 용융 혼련하여 마스터배치를 제조하는 단계; 및 상기 수지 조성물 중 상기 알루미노실리케이트계 무기입자 함량이 0.01~5중량%가 되도록 상기 마스터배치를 별도의 에틸렌비닐아세테이트 공중합체와 혼합 및 용융 혼련하는 단계;를 포함하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법을 제공한다.
또한 상기 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체는 용융지수(ASTM D1238, 125℃, 2.16㎏)가 1~40g/10분, 비닐아세테이트 함량이 20~40중량%인 것을 특징으로 하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법을 제공한다.
또한 상기 알루미노실리케이트계 무기입자는 평균 입자 지름이 0.01~50㎛인 것을 특징으로 하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법을 제공한다.
상기 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, 상기 방법으로 제조된 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 사용하여 제조된 태양전지 봉지재를 제공한다.
상기 또 다른 과제 해결을 위하여 본 발명은, 상기 태양전지 봉지재를 사용하여 제조된 태양전지 모듈을 제공한다.
본 발명에 따르면, 최적 조성의 무기물질을 에틸렌비닐아세테이트 공중합체에 분산시킴으로써 봉지재의 체적저항을 향상시키고 누수 전력이 발생하지 않도록 하여 주며, 또한 전면유리나 봉지재의 변성에서 발생하는 이온들을 흐름을 방해할 수 있도록 하여 모듈의 변환 효율이 저하되는 현상(Potential Induced Degradation)을 방지하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 용이하고도 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 상기 방법에 따라 제조된 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 사용하여 제조된 태양전지 봉지재 및 태양전지 모듈을 제공할 수 있다.
이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명자들은 에틸렌-비닐아세테이트를 포함하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조에 있어, 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체와 특정 조성 및 형태의 무기입자의 마스터배치 제조 후 무기입자 함량을 최적 수준으로 하여 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체와 혼합 및 용융 혼련하여 수지 조성물을 제조할 경우 모듈의 변환 효율이 저하되는 현상(Potential Induced Degradation; PID)을 극적으로 저감할 수 있는 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 효과적으로 제조할 수 있음을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
따라서, 본 발명은 한 양태로서, 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법에 있어서, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100중량부에 대하여 알루미노실리케이트계 무기입자 1~40중량부를 혼합 및 용융 혼련하여 마스터배치를 제조하는 단계; 및 상기 수지 조성물 중 상기 알루미노실리케이트계 무기입자 함량이 0.01~5중량%가 되도록 상기 마스터배치를 별도의 에틸렌비닐아세테이트 공중합체와 혼합 및 용융 혼련하는 단계;를 포함하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법을 개시한다.
본 발명에 사용되는 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체(ethylene-vinyl acetate; EVA)는 에틸렌(ethylene)과 비닐아세테이트(vinyl acetate; VA)의 공중합 반응에 의해 생산되는 고분자로 상기 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체 총 중량에 대하여 에틸렌 함량이 60~80중량% 및 비닐아세테이트 함량이 20~40중량%인 것이 바람직하고, 에틸렌 함량이 65~75중량% 및 비닐아세테이트 함량이 25~35중량%인 것이 더욱 바람직하다. 상기 비닐아세테이트 함량이 20중량% 미만일 경우 수지 조성물의 접착강도가 저하되고 투명성이 낮아져 태양전지의 효율이 떨어질 수 있고, 40중량%를 초과할 경우 수지 조성물의 녹는점이 낮아지고, 봉지재의 강성(Stiffness)이 떨어져 작업성이 저하될 수 있고, 기체의 투과성이 좋아져 태양전지 셀을 보호하기 어려워 태양전지 봉지재용 제품에 적합하지 않을 수 있다.
또한, 상기 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체의 용융지수(ASTM D1238, 125℃, 2.16㎏)는 1~40g/10분인 것이 바람직하고, 20~30g/10분인 것이 더욱 바람직하다. 상기 용융지수가 1g/10분 미만일 경우 가공성이 떨어져 생산성이 저하될 수 있고, 40g/10분을 초과할 경우 가교 특성 및 수지의 강도가 떨어져 태양전지 봉지재용 수지로 적합하지 않을 수 있다.
본 발명에서 상기 알루미노실리케이트계 무기입자는 최종 제조되는 수지 조성물에 대하여 0.01~5중량% 함량으로 포함되어 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체에 고르게 분산되어 있다. 이때 상기 알루미노실리케이트계 무기입자는 0.02~1중량% 함량으로 포함되는 것이 바람직하고, 0.03~0.5중량% 함량으로 포함되는 것이 더욱 바람직하고, 0.05~0.15중량% 함량으로 포함되는 것이 가장 바람직하다. 상기 알루미노실리케이트계 무기입자 함량이 0.01중량% 미만일 경우 PID 현상 개선 효과가 미비할 수 있고, 5중량%를 초과할 경우 투명성이 저하되고 광선투과율이 떨어져 모듈 효율이 저하되어 태양전지 봉지재용 제품으로 적합하지 않을 수 있다.
상기 알루미노실리케이트계 무기입자로 평균 입자 지름 0.01~50㎛인 것을 사용하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.1~20㎛, 더욱 더 바람직하게는 0.5~10㎛, 가장 바람직하게는 3~7㎛인 것을 사용할 수 있다. 상기 알루미노실리케이트계 무기입자의 평균 입자 지름이 0.01㎛ 미만일 경우 전류의 흐름을 방해하여 체적저항을 향상시키는 효과가 미비할 수 있고, 50㎛를 초과할 경우 빛의 산란이 심해지고 광선투과율이 떨어져 태양전지 봉지재용 제품으로 적합하지 않을 수 있다.
이러한 알루미노실리케이트계 무기입자는 흔히 제올라이트로 불리는 것으로 산화알루미늄(Al2O3)과 산화규소(SiO2)가 3차원적인 기본골격을 이루는 형태로서 산화알루미늄 10~60중량% 및 산화규소 10~60중량%를 함유할 수 있으며, 당 업계에 알려진 것이 제한 없이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조에는, 본 발명의 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 다양한 태양전지 모듈 봉지재에 적용하기 위해, 상기 구성 요소 외에도 착색제, 산화방지제, 변색방지제, 가교제, 가교조제, UV안정제, UV흡수제 등이 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 추가적으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조에 있어서는 마스터배치 제조 단계를 거치게 되는데, 마스터배치 제조 없이 상기 알루미노실리케이트계 무기입자의 최적 함량을 상기 에틸렌비닐아세테이트 공중합체에 혼합 및 용융 혼련할 경우에는 알루미노실리케이트계 무기입자의 뭉침 현상 등으로 고르게 분산되지 않아 목적하는 바의 체적저항 향상을 구현하기 어렵다.
상기 마스터배치 제조 시에는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100중량부에 대하여 알루미노실리케이트계 무기입자를 1~40중량부 함량으로 혼합 후 용융 혼련하게 되고, 이때 최종 수지 조성물에서의 알루미노실리케이트계 무기입자의 분산성 극대화를 위해 바람직하게는 2~20중량부 함량, 더욱 바람직하게는 3~7중량부 함량으로 혼합 후 용융 혼련할 수 있다. 이후 제조된 마스터배치와 에틸렌비닐아세테이트 공중합체를 더욱 혼합하되, 최종 수지 조성물에서 알루미노실리케이트계 무기입자 함량이 상기한 범위로 혼합 후 용융 혼련하여 최종 수지 조성물을 제조하게 된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 상기 방법에 따라 제조된 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 사용하여 제조된 태양전지 봉지재 및 이를 사용하여 제조된 태양전지 모듈을 개시한다.
상기 태양전지 모듈은 전면 유리, 후면 시트, 태양전지, 봉지재 및 연결 단자로 구성되는데, 상기 태양전지 봉지재는 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 이용하여 시트상으로 성형되어 전면 유리와 전지 사이에 위치되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 태양전지 모듈 제조는 상기 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 사용하여 당해 기술 분야에 알려진 일반적인 방법에 의해 제조될 수 있으며, 사용되는 태양전지 셀은 비정질 실리콘형, 결정질 실리콘형, 화합물계, 염료 감응형, 유기물계 등 모든 형태의 태양전지가 가능하나, 바람직하게는 결정질 실리콘형 태양전지를 사용하는 것이 좋다.
이하에서는 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
실시예 1
에틸렌-비닐아세테이트 공중합체(비닐아세테이트 함유율 28중량%) 100중량부와 알루미노실리케이트계 무기입자(평균 입자 지름 3㎛) 5중량부를 믹서에서 혼합한 후 단축 압출기에 공급하였다. 단축 압출기로 100℃에서 혼합물을 용융 혼련하고, 용융 상태의 수지 조성물을 제립하여 마스터배치를 제조하였다.
이어서, 상기 제조된 마스터배치 2중량부와 동일한 에틸렌비닐아세테이트 공중합체를 최종 수지 조성물에서 알루미노실리케이트계 무기입자 함량이 0.1중량%가 되도록 혼합 후 상기와 동일한 방법으로 단축 압출기 공급하여 최종 샘플을 제작하였다.
실시예 2
실시예 1에서 평균 입자 지름이 5㎛인 알루미노실리케이트계 무기입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 샘플을 제작하였다.
실시예 3
실시예 1에서 평균 입자 지름이 7㎛인 알루미노실리케이트계 무기입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 샘플을 제작하였다.
비교예 1
실시예 1에서 알루미노실리케이트계 무기입자를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 샘플을 제작하였다.
비교예 2
실시예 1에서 알루미노실리케이트계 무기입자 대신 이산화규소를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 샘플을 제작하였다.
시험예
이상의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 샘플에 대해 하기 방법에 따라 시편을 제작한 후 광선투과율, 백색도(White Index) 및 체적저항(Volume Resistivity)을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[시편 제작]
상기에서 제작된 샘플을 두께 3mm, 가로 및 세로 8cm의 성형 몰드에 넣고, 프레스(Press) 성형기를 이용하여 125℃에서 7분간 압착 용융 시킨 후, 5분간 냉각시켜 시편을 제작하였다.
[광선투과율]
광선투과율 측정기(Nippon Denshouku社, NDH-5000)를 이용하여 ASTM D1003에 준하는 시험방법으로 측정하였다.
[백색도(White Index)]
Spectrophotometry 장비(Ecolorplus社, 7000A_IQPC)를 이용하여 ASTM E313에 준하는 시험방법으로 측정하였다.
[체적저항(Volume Resistivity)]
Ultra High Resistance Meter(Advantest社, R8340A), Resistivity Chamber(Advantest社, R12704A) 장비를 이용하여 ASTM D257에 준하는 시험방법으로 측정하였다.
Figure 112015087555662-pat00001
표 1을 참조하면, 본 발명에 따라 최적 크기 및 함량의 알루미노실리케이트계 무기입자가 처방된 봉지재의 체적저항이 1.8×1015Ω·㎝ 이상의 수준으로, 처방되지 않은 봉지재의 체적저항에 비하여 우수한 것을 확인할 수 있으며, 이는 무기물질이 금속이온의 흐름을 막아주어 누수 전력이 발생하는 것을 방지하였기 때문으로 판단된다. 특히, 평균 입자 지름이 작을수록 체적저항이 향상되는 것을 확인할 수 있는데, 이는 평균 입자 지름이 작을수록 광선투과율 및 백색도가 유지되어 많은 빛을 에너지 전환에 사용할 수 있었기 때문으로 판단된다. 또한, 다른 종류의 무기입자를 분산시켜 확인한 결과, 체적저항은 향상되는 것을 확인할 수 있었으나 광학 특성이 나빠져 태양전지 봉지재 용도로 적합하지 못한 것을 확인하였다. 이는 알루미노실리케이트계 무기입자 대비 분산성이 부족하여 입자 뭉침 현상에 따른 광학 특성 저하로 판단된다. 따라서 적정한 입자 크기 및 함량의 알루미노실리케이트계 무기입자를 분산시켜 줌으로써 태양전지 봉지재의 체적저항을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 기술적 과제를 해결하기 위해 개시된 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상 및 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법에 있어서,
    에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100중량부에 대하여 평균 입자 지름이 3~7㎛인 알루미노실리케이트계 무기입자 3~7중량부를 혼합 및 용융 혼련하여 마스터배치를 제조하는 단계; 및
    상기 수지 조성물 중 상기 알루미노실리케이트계 무기입자 함량이 0.05~0.15중량%가 되도록 상기 마스터배치를 별도의 에틸렌비닐아세테이트 공중합체와 혼합 및 용융 혼련하는 단계;
    를 포함하여, 하기 측정방법에 따른 광선투과율이 81.4% 이상이고, 백색도(White Index)가 11.8 이상이고, 체적저항이 1.95×1015Ω·㎝ 이상인 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 제조하는 방법.
    [광선투과율, 백색도 및 체적저항 측정방법]
    상기 수지 조성물의 압출물을 두께 3mm, 가로 및 세로 8cm의 성형 몰드에 넣고, 프레스(Press) 성형기를 이용하여 125℃에서 7분간 압착 용융 시킨 후, 5분간 냉각시켜 제작된 시편에 대하여, ASTM D1003에 따라 광선투과율을 측정하고, ASTM E313에 따라 백색도를 측정하고, ASTM D257에 따라 체적저항을 측정함.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체는 용융지수(ASTM D1238, 125℃, 2.16㎏)가 1~40g/10분, 비닐아세테이트 함량이 20~40중량%인 것을 특징으로 하는 태양전지 봉지재용 수지 조성물 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항의 방법으로 제조된 태양전지 봉지재용 수지 조성물을 사용하여 제조된 태양전지 봉지재.
  5. 제4항의 태양전지 봉지재를 사용하여 제조된 태양전지 모듈.
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