KR102193258B1 - 태양 전지용 봉지재를 사용한 태양전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양 전지용 봉지재를 사용한 태양전지 모듈에 관한 것으로, 상기한 본 발명의 태양 전지용 봉지재는 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체에 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle) 물질이 함유된 것임을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 태양전지용 봉지재 내부에 하이퍼브렌치형 고분자 또는 가교화 나노입자 1종 또는 그 이상을 에틸렌 비닐 아세테이트 100 중량부 기준으로 0.1 내지 10 중량부 첨가해 제조하므로 태양전지 봉지재의 전기 절연성, 기계적인 강도, 내후성, 수분차단성 등을 증가하는 효과를 제공한다.

Description

태양 전지용 봉지재를 사용한 태양전지 모듈{The solarcell module using an encapsulation sheet for a solarcell}
본 발명은 태양 전지용 봉지재를 사용한 태양전지 모듈에 관한 것으로, 보다 자세하게는 태양광 발전을 위한 태양전지 모듈을 제작할 때 태양전지 셀의 보호 및 봉지를 위해 사용되는 봉지재를 하이퍼브렌치형 및 가교화된 고분자 및 각종 기능성 부여를 위한 첨가제와 에틸렌 비틸 아세테이트(EVA) 공중합체를 혼합하여 제조하므로 고효율 태양전지 셀 및 모듈의 안정적인 발전과 봉지재의 장기 안정성이 향상한 태양전지용 봉지재 시트, 그 제조 방법 및 이를 사용한 태양전지 모듈에 관한 것이다.
인류는 값싸고 사용하기 편리한 석유를 현재 주 에너지원으로 사용하고 있으나, 석유 매장량의 한계로 그 생산량이 지속적으로 감소하고 있고, 50년 이내 고갈의 위기에 있으며, 그 가격도 배럴당 100불 수준이 될 것으로 전망하고 있다. 이와 같이 유한한 화석연료와 이를 사용함으로 인하여 발생하는 환경문제로 인해 많은 문제가 발생하고 있다. 이러한 원인 때문에 환경오염에 대한 부담이 없으며 무한한 에너지 공급이 이루어질 수 있는 에너지원으로서 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다.
태양전지 중의 대표적인 예로서 실리콘 태양전지를 들 수 있다. 이러한 실리콘 태양전지는 실리콘의 p-n 접합부분에 태양 빛을 받게 되면 전자와 정공이 분리되면서 전기에너지가 생성되게 된다. 현재 태양전지의 특성상 항상 가혹한 자연환경에 노출되어 있으므로 태양전지 셀만으로는 자연환경의 비, 눈, 온도변화, 외부충격 등으로부터 보호될 수 없으며, 이를 보호하기 위해 모듈화 과정을 거치는 것이 필수적이다.
일반적으로 태양전지 모듈은 표면측 유리기판과 이면측 보호부재인 후면보호필름 사이에 봉지재 시트 2매가 태양전지 셀을 감싸고 있는 구성으로 이루어져 있다. 이러한 태양전지는 유리기판/봉지재/실리콘셀/봉지재/후면보호필름 순으로 적층하고, 가열ㆍ가압에 의해 봉지재 시트가 완전히 용융되어 고분자를 충분한 이동성이 확보된 상태에서 상하방향에서 가압 및 탈기공정을 거처 제조된다.
이러한 봉지재 시트는 상기한 바와 같이 통상적으로 요구되는 기능성을 개선하기 위해 꾸준하게 연구 개발되어 오고 있는데, 예를 들어 대한민국 등록특허 제0928441호는 앞에서 기술한 바와 같이 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체에 가교제, 가교조제, 자외선흡수제, 산화방지제와 함께 강화유리와의 접착성을 위해서 실란 커플링제를 첨가하여 제조되는 태양전지용 봉지재를 개시하고 있다.
그런데, 일반적으로 태양전지 셀은 열악한 환경, 특히 고온 다습한 지역에 위치되게 되는 것이 일반적인데, 이러한 환경에서 태양전지 모듈을 효과적으로 보호하여 출력 저하와 같은 문제의 발생을 방지할 수 있는 방법에 대해서는 지속적인 연구가 필요한 실정이다.
특허문헌 1: 대한민국 등록특허 제0928441호
따라서, 본 발명의 주요 목적은 실리콘 태양전지의 고온ㆍ고습 환경에서의 출력저하 현상을 보다 효과적으로 해소하고 모듈의 출력을 장기적으로 유지하며, 보다 자세하게는 봉지재의 절연성 및 수분투과율이 향상된 봉지재 시트를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 특성을 갖는 태양전지용 봉지재 시트를 보다 용이하게 제조할 수 있는 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한 상기한 명확한 목적 이외에 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양 전지용 봉지재는;
에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체에 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle) 물질이 함유된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구성에 있어서, 상기 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle) 물질은 에틸렌 비닐 아세테이트 100 중량부에 대해 0.01 중량부 내지 3 중량부의 비율로 함유되는 것임을 특징으로 한다.
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본 발명의 또 다른 구성에 있어서, 상기 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체는 비닐 아세테이트 함유량이 26 내지 33%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 있어서, 상기 봉지재는 추가적으로 가교제 0.01 내지 1.0 중량부, 가교조제 0.01 내지 1.5중량부, 실란커플링제 0.01 내지 1.0 중량부, 자외선흡수제 0.01 내지 1.0 중량부, 산화방지제 0.01 내지 1.0 중량부가 첨가된 것을 특징으로 한다.
상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양 전지용 봉지재의 제조방법은;
에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 100 중량부에 상기 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle) 물질을 0.03 내지 3 중량부, 추가적으로 가교제 0.01 내지 1.0 중량부, 가교조제 0.01 내지 1.5 중량부, 실란커플링제 0.01 내지 1.0 중량부, 자외선흡수제 0.01 내지 1.0 중량부, 산화방지제 0.01 내지 1.0 중량부를 첨가하여 T-다이 또는 칼렌더 공법을 통해서 제조함을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 태양전지용 봉지재 내부에 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle) 1종 또는 그 이상을 에틸렌 비닐 아세테이트 100 중량부 기준으로 0.1 내지 10 중량부 첨가해 제조하므로 태양전지 봉지재의 전기 절연성, 기계적인 강도, 내후성, 수분차단성 등을 증가하는 효과를 제공한다. 태양전지 봉지재에서는 여러 종류의 첨가제가 사용되고 있다. 일반적인 태양전지 봉지재는 에틸렌 비닐 아세테이트 수지에 퍼옥사이드 계열의 가교제, 가교조제, 자외선 흡수제, 산화방지제 등을 첨가하게 되는데, 상기한 바와 같이 본 발명에서는 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle) 물질을 첨가함으로 에틸렌 비닐 아세테이트 내부의 공극을 효율적으로 메워주어 수분차단성을 향상시키며, 하이퍼브렌치형 고분자 또는 가교화 나노입자 내부의 작용기의 반응에 의해 태양전지 봉지재의 가교 밀도가 상승해 전기 절연성이 향상하는 것에 의해 상기한 본 발명의 목적을 달성하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 태양전지 모듈의 개략적인 단면을 나타내는 단면도이다.
본 발명을 첨부 도면을 참고로 하여 바람직한 실시형태에 의해 보다 자세하게 설명하지만, 본 발명이 이하의 실시형태에 한정되는 것이 아니며 그 요지의 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 태양전지 모듈의 개략적인 단면을 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 태양전지 모듈은 표면유리(1), 봉지재(2), 셀(3) 및 백시트(4)로 구성된다. 여기서 상기 봉지재(2)는 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle) 물질(11)이 순차적으로 결합한 형태로 구성될 수 있다. 통상 태양전지 봉지재(2)는 태양전지 모듈의 표면유리(1)와 백시트(4) 사이에 위치한다. 표면 유리(1)를 통해 입사한 태양광에 의해서 실리콘 태양전지 셀의 p-n 접합 부위에서 전자가 생성하게 된다. 이때 고온다습의 환경에서 고압에 발생하는 태양전지 셀에서 누설전류가 발생해 모듈의 기능을 할 수 없는 현상이 발생하게 된다. 이 현상을 예방하기 위해서, 본 발명에서는 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle)를 첨가함으로 봉지재의 절연특성이 향상된 봉지재 조성물을 제공할 수 있게 되었다.
본 발명에 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기한 조성물에 가교제, 가교조제, 실란커플링제, 자외선 흡수제, 광안정제가 더 배합되어 이루어지는 에틸렌 비닐 아세테이트 봉지재 조성물이 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 에틸렌 비닐 아세테이트는 비닐 아세테이트 함량이 25 내지 35%인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 봉지재에는 필요에 의해 가교제, 가교조제, 자외선흡수제, 산화방지제 등의 첨가제를 배합할 수 있는데, 상기 가교제 또는 가교제와 가교조제의 배합은 태양전지 봉지재가 태양전지 소자에 적합하게 하고 태양전지 모듈에 편입되는 상태에 있어서 에틸렌 비닐 아세테이트 봉지재 시트를 가교하는데 유용하고, 이것에 의해 봉지재 시트 중의 투명성을 유지하면서, 고온으로의 사용에 있어서 용융 방지 등의 내열성을 부여할 수 있다.
상기 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle) 물질은 바람직하게는 0.1 내지 1중량부로 사용할 수 있다. 또한 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle)의 양이 증가함에 따라서 헤이즈가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체의 겔분율을 향상시키고, 내구성을 향상시키기 위하여 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체에 가교조제를 첨가할 수 있다. 이 목적으로 제공되는 가교조제로서는, 트리-알릴 이소시아누레이트 및 트리-알릴 이소시아네이트 등의 3관능기를 가지는 가교조제를 예로 들 수 있다. 이러한 가교조제의 배합량은 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체 수지 100중량부에 대하여 5중량부 이하로 사용하고, 바람직하게는 0.01 내지 1.5 중량부로 사용할 수 있다.
본 발명의 봉지재는 상기한 바와 같이 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체와 각종 첨가제를 배합하여 T-다이 압출 방식 혹은 칼렌더 방식을 이용하여 200 내지 800㎛ 두께로 가공한 후 태양전지 모듈 제작시의 공정성을 위한 엠보싱 가공을 통해 시트 형태로 제조할 수 있다.
본 발명의 태양광 발전 모듈용 봉지재를 이용한 태양전지 모듈은 표면 유리, 봉지재, 태양전지 셀, 봉지재, 후면 보호 필름의 순으로 적층 후, 일정한 규칙에 따라 진공 라미네이터로 140 내지 160℃의 온도, 탈기 시간 4 내지 20분, 가압 0.5 내지 1기압, 가압시간 5 내지 60분으로 가열ㆍ가압하여 제조할 수 있다. 또한, 라미네이터 내부에서 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle)의 각종 작용기와 태양전지 봉지재의 수지 및 첨가제와 반응을 통해서 가교밀도가 증가하며, 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle)가 에틸렌 비닐 아세테이트 내부의 공극을 잘 메워 주는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위를 이들 실시예에 한정하기 위한 것이 아님은 물론이다.
실시예 1
에틸렌 비닐 아세테이트(초기 비닐아세테이트 함량 28중량%, 멜트플로우레이트 15g/10min) 100 중량부에 대해, 가교제로 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산(알케마사제, 루페록스 101) 1.0 중량부, 가교조제로 트리-알릴 아이소시아누레이트(일본화성제, TAIC) 0.8 중량부, 자외선흡수제 2-하이드록시-4-n-옥톡시벤조페논 (BASF사제, Chimassorb 81) 0.1 중량부, 광안정제로비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트(BASF사제, Tinuvin770DF) 0.1 중량부, 산화방지제로 3,5-비스(1,1-다이메틸에틸)-4-하이드록시, 옥타데실에스터(BASF사제, Irganox-1076), 0.03 중량부, 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer, Nissan chemical, Hypertech HPS-200) 0.1 중량부를 직경 104mm 트윈 압출기로 110℃ 미만의 온도로 압출하여 두께 500㎛의 시트를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, 다만 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer, Nissan chemical, Hypertech HPS-200) 0.5중량부를 배합하는 것으로 하여 시트를 제조하였다.
실시예 3
실시예 1의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, 다만 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer, Nissan chemical, Hypertech HPS-200) 1중량부를 배합하는 것으로 하여 시트를 제조하였다.
실시예 4
실시예 1의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, 다만 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer, Nissan chemical, Hypertech HPS-200) 3중량부를 배합하는 것으로 하여 시트를 제조하였다.
실시예 5
에틸렌 비닐 아세테이트(초기 비닐아세테이트 함량 28중량%, 멜트플로우레이트 15g/10min) 100 중량부에 대해, 가교제로 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산(알케마사제, 루페록스 101) 1.0 중량부, 가교조제로 트리-알릴 아이소시아누레이트(일본화성제, TAIC) 0.8 중량부, 자외선흡수제 2-하이드록시-4-n-옥톡시벤조페논 (BASF사제, Chimassorb 81) 0.1 중량부, 광안정제로비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트(BASF사제, Tinuvin770DF) 0.1 중량부, 산화방지제로 3,5-비스(1,1-다이메틸에틸)-4-하이드록시, 옥타데실에스터(BASF사제, Irganox-1076), 가교화나노입자(crosslinked nano particle, Nissan chemical, Hypertech HA-DVB-500) 0.1 중량부를 직경 104mm 트윈 압출기로 110℃ 미만의 온도로 압출하여 두께 500㎛의 시트를 제조하였다.
실시예 6
실시예 5의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, 다만 가교화 나노입자(crosslinked nano particle, Nissan chemical, Hypertech HA-DVB-500) 0.5중량부를 배합하는 것으로 하여 시트를 제조하였다.
실시예 7
실시예 5의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, 다만 가교화 나노입자(crosslinked nano particle, Nissan chemical, Hypertech HA-DVB-500) 1중량부를 배합하는 것으로 하여 시트를 제조하였다.
실시예 8
실시예 5의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, 다만 가교화 나노입자(crosslinked nano particle, Nissan chemical, Hypertech HA-DVB-500) 3중량부를 배합하는 것으로 하여 시트를 제조하였다.
실시예 9
에틸렌 비닐 아세테이트(초기 비닐아세테이트 함량 28중량%, 멜트플로우레이트 15g/10min) 100 중량부에 대해, 가교제로 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산(알케마사제, 루페록스 101) 1.0 중량부, 가교조제로 트리-알릴 아이소시아누레이트(일본화성제, TAIC) 0.8 중량부, 자외선흡수제 2-하이드록시-4-n-옥톡시벤조페논 (BASF사제, Chimassorb 81) 0.1 중량부, 광안정제로비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트(BASF사제, Tinuvin770DF) 0.1 중량부, 산화방지제로 3,5-비스(1,1-다이메틸에틸)-4-하이드록시, 옥타데실에스터(BASF사제, Irganox-1076), 가교화 나노입자(crosslinked nano particle, Nissan chemical, Hypertech HA-DMA-200) 0.1 중량부를 직경 104mm 트윈 압출기로 110℃ 미만의 온도로 압출하여 두께 500㎛의 시트를 제조하였다.
실시예 10
실시예 9의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, 다만 가교화 나노입자(crosslinked nano particle, Nissan chemical, Hypertech HA-DMA-200) 0.5중량부를 배합하는 것으로 하여 시트를 제조하였다.
실시예 11
실시예 9의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, 다만 가교화 나노입자(crosslinked nano particle, Nissan chemical, Hypertech HA-DMA-200) 1중량부를 배합하는 것으로 하여 시트를 제조하였다.
실시예 12
실시예 9의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, 다만 가교화 나노입자(crosslinked nano particle, Nissan chemical, Hypertech HA-DMA-200) 3중량부를 배합하는 것으로 하여 시트를 제조하였다.
비교예 1
에틸렌비닐아세테이트(초기 비닐아세테이트 함량 28중량%, 멜트플로우레이트 15g/10min) 100 중량부에 대해, 가교제로 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산(알케마사제, 루페록스 101) 1.0 중량부, 가교조제로 트리-알릴 아이소시아누레이트(일본화성제, TAIC) 0.8 중량부, 자외선흡수제 2-하이드록시-4-n-옥톡시벤조페논 (BASF사제, Chimassorb 81) 0.1 중량부, 광안정제로비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트(BASF사제, Tinuvin770DF) 0.1 중량부, 산화방지제로 3,5-비스(1,1-다이메틸에틸)-4-하이드록시, 옥타데실에스터(BASF사제, Irganox-1076)을배합하여, 직경 104mm 트윈 압출기로 110℃ 미만의 온도로 압출하여 두께 500㎛의 시트를 제조하였다.
실험예
상기 각 실시예 및 비교예에 기술된 형태로 준비된 봉지재 시트를 이용하여 4cell 형태의 모듈을 제작한다. 먼저 표면유리, EVA 봉지재 시트, 셀, EVA 봉지재, PET계 백시트(LTW-07S, Toray Advanced Film)를 순서대로 적층한 후 진공라미네이터를 이용해 150℃의 온도에서 탈기 5분, 가압 15분을 통해서 미니모듈을 제작한다.
상기 각 실험예 및 비교예에서 제작된 태양전지 봉지재를 제작 후 체적저항 및 수분투과율(WVTR), 출력을 즉정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타냈다.
구분 WVTR (g/m 2 ) 체적저항(Ωㆍ cm ) DHT 2000h
출력변화(%)
실시예 1 1.25 9.82 X 1015 98
실시예 2 0.57 2.07 X 1016 99
실시예 3 0.11 4.71 X 1016 99
실시예 4 0.10 5.06 X 1016 99
실시예 5 2.09 7.12 X 1015 97
실시예 6 1.31 9.47 X 1016 98
실시예 7 0.98 1.19 X 1016 99
실시예 8 0.90 1.84 X 1016 99
실시예 9 1.52 8.27 X 1015 97
실시예 10 1.10 1.45 X 1016 97
실시예 11 0.83 3.07 X 1016 98
실시예 12 0.78 3.59 X 1016 99
비교예 9.31 1.23 X 1015 95
상기 실시예 및 실험예에서 확인할 수 있듯이 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle)의 함량이 증가함에 따라서 수분투과율 특성이 향상됨을 확인할 수 있다. 또한, 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle)가 첨가됨에 따라서 DHT 2000h 후 출력변화에서도 우수한 특성이 구현됨을 확인할 수 있다.
1 --- 표면 유리
2 --- 봉지재
3 --- 실리콘 태양전지 셀
4 --- 백시트
11 --- 하이퍼브렌치형 고분자 또는 가교화 나노입자

Claims (6)

  1. 표면유리와, 이면측 보호부재인 백시트 사이에 봉지재 시트 2매가 실리콘 태양전지 셀을 감싸도록 구성되어, 상기 표면유리, 봉지재, 실리콘 태양전지 셀, 봉지재, 백시트의 순으로 적층되어진 태양 전지용 봉지재를 사용한 태양전지 모듈에 있어서,
    상기 봉지재는 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체에 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle) 물질이 함유된 것을 사용하는데,
    상기 하이퍼브렌치형 고분자(hyperbranched polymer) 또는 가교화 나노입자(crosslinked nano particle) 물질은 에틸렌 비닐 아세테이트 100 중량부에 대해 0.01 중량부 내지 3 중량부의 비율로 함유되며,
    상기 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체는 비닐 아세테이트 함유량이 26 내지 33% 이어야하고,
    상기 봉지재는 추가적으로 가교제 0.01 내지 1.0 중량부, 가교조제 0.01 내지 1.5중량부, 실란커플링제 0.01 내지 1.0 중량부, 자외선흡수제 0.01 내지 1.0 중량부, 산화방지제 0.01 내지 1.0 중량부가 첨가된 것을 특징으로 하는 태양 전지용 봉지재를 사용한 태양전지 모듈.
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