KR102285925B1 - 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강화유리, 제1 밀봉재, 불량 태양전지를 포함해 복수의 태양전지로 구성되는 태양전지층, 제2 밀봉재 및 백시트의 순서로 적층된 결정질 태양광 모듈의 수리방법에 있어서, (a) 백시트를 제거하는 단계; (b) 레이저 광을 조사해, 제2 밀봉재 중 불량 태양전지 상에 형성된 제2 밀봉재를 제거하는 단계; (c) 레이저 광을 조사해 불량 태양전지를 제거하는 단계; (d) 레이저 광을 조사해, 제1 밀봉재 중 제거된 불량 태양전지 아래에 형성되어 있던 제1 밀봉재를 제거해 강화유리를 노출시키는 단계; 및 (e) 상기 노출된 강화유리 상에 교체용 제1 밀봉재, 교체용 정상 태양전지, 교체용 제2 밀봉재 및 교체용 백시트를 순서대로 적층한 후 열 접합하는 단계;를 포함하는 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법에 대한 것이다.
Description
본 발명은 태양전지 모듈의 수리방법에 대한 것이다.
전 세계적으로 기후변화 협약 발효에 따라 화석 연료 사용으로 인한 온실가스 배출량 감소와 국제적으로 탄소배출권의 제한등 환경오염원의 감소 및 고유가 시대를 대비한 친환경 대체 에너지원으로서 신재생에너지 분야, 그중에서도 태양광 발전산업에 대한 효용성, 경제성, 중요성으로 인해 연구개발 및 산업화가 국내외적으로 활발히 진행되고 있다. 태양광 발전의 장점은 에너지원이 청정하며, 자원이 무제한이며, 일사량만 충족된다면 필요한 어느 장소에서나 발전이 가능한 장점이 있다. 이렇듯 다양한 장점을 지니고 있는 태양광 산업에서 핵심이 되는 것은 태양전지이다.
이러한 태양전지는 그 재료에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지, 유기 태양전지 등으로 나눌 수 있는데, 기판의 종류, 실리콘 웨이퍼와 유리 등의 종류에 따라 벌크형과 박막형으로 분류되며, 그 중 상기 벌크형 실리콘 태양전지는 다시 실리콘의 종류에 따라 다결정과 단결정의 결정질 태양전지로 나뉜다.
최근 급성장하고 있는 전세계 태양광 시장의 90% 이상을 차지하면서 가장 널리 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법을 살펴보면, 석영, 모래 등의 원재료를 정제하여 금속규소(순도 99%)를 만드는 단계와, 이를 다시 정련하여 태양전지용 폴리실리콘(순도 6N 이상)을 만드는 단계와, 이후 생산되어진 폴리실리콘을 정제하여 단결정 혹은 다결정 잉곳을 만드는 단계와, 이를 절단하여 실리콘 웨이퍼를 만든 후 PN접합과 전극을 형성하여 최종적으로 태양전지를 제조하는 단계로 이루어진다.
상기와 같이 제조된 복수의 태양전지를 가로, 세로로 배치하고 이들을 전도성 리본(interconnect ribbon)과 버스바(bus ribbon)들을 통하여 연결한 구조를 가지는 결정질 태양광 모듈은 반영구적으로 사용되어지기 위해 강화유리(전면 커버유리) / 밀봉재 / 태양전지 / 밀봉재 / 백시트 구조 접합을 통해 수분, 자외선, 열적 안정성을 확보하게 되는데, 이러한 다층 구조의 접합으로 인해 일부 접합구조 소재의 고장 시 그 수리 기법이 난해하다.
또한, 단위 태양광 모듈의 낮은 전압 범위에 의해 직렬 어레이 구성이 필수 요소로 고장발생 시 동일 전기적 특성 보유 태양광 모듈 확보에 어려움을 보이고 있다.
이에, 종래 기술에서는 열, 레이져 스크라빙, 바이패스 배선 추가 등의 기술을 통해 문제점을 해결하고자 했으나, 이러한 기술들은 대부분 고가의 처리 비용 및 수리 안정성 확보가 어렵다는 문제점을 가진다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 종래 기술과 비교해 경제적이면서도 신뢰성 있게 고장난 태양전지 영역만을 수리할 수 있는 결정질 태양광 모듈 수리방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 강화유리, 제1 밀봉재, 불량 태양전지를 포함해 복수의 태양전지로 구성되는 태양전지층, 제2 밀봉재 및 백시트의 순서로 적층된 결정질 태양광 모듈의 수리방법에 있어서, (a) 백시트를 제거하는 단계; (b) 레이저 광을 조사해, 제2 밀봉재 중 불량 태양전지 상에 형성된 제2 밀봉재를 제거하는 단계; (c) 레이저 광을 조사해 불량 태양전지를 제거하는 단계; (d) 레이저 광을 조사해, 제1 밀봉재 중 제거된 불량 태양전지 아래에 형성되어 있던 제1 밀봉재를 제거해 강화유리를 노출시키는 단계; 및 (e) 상기 노출된 강화유리 상에 교체용 제1 밀봉재, 교체용 정상 태양전지, 교체용 제2 밀봉재 및 교체용 백시트를 순서대로 적층한 후 열 접합하는 단계;를 포함하는 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (a)에서 결정질 태양광 모듈을 핫 플레이트(hot plate) 상에서 가열해 제2 밀봉재를 용융시킨 후 백시트를 제거하는 것을 특징으로 하는 결정질 태양광 모듈의 수리방법을 제안한다.
또한, 상기 레이저 광은, 이트륨 알루미늄 가닛(YAG) 레이저 광원에 의해 발생된 것을 특징으로 하는 결정질 태양광 모듈의 수리방법을 제안한다.
또한, 상기 이트륨 알루미늄 가닛(YAG) 레이저는, 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가닛(Nd:YAG) 레이저 또는 이터븀 도핑 이트륨 알루미늄 가닛(Yb:YAG) 레이저인 것을 특징으로 하는 결정질 태양광 모듈의 수리방법을 제안한다.
또한, 상기 레이저 광은, Nd:YAG 레이저의 제2고조파 또는 Nd:YAG 레이저의 제3고조파인 것을 특징으로 하는 결정질 태양광 모듈의 수리방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (e)에서 결정질 태양광 모듈을 핫 플레이트 상에서 가열해 열 접합시키거나, 라미네이터기 내부에서 가압 및 가열하여 라미네이팅 처리해 열 접합시키는 것을 특징으로 하는 결정질 태양광 모듈의 수리방법을 제안한다.
본 발명에 따른 결정질 태양광 모듈의 수리방법에 의하면, 레이저로 고장난 태양전지 영역만을 조사해 고장 발생 영역의 EVA(ethylene-vinyl acetate)으로 이루어지는 밀봉재 및 고장난 태양전지를 제거함과 동시에 고장 영역 주변의 정상적으로 작동되는 태양전지를 보호할 수 있으며, 수리 완료 후 정상동작 영역의 밀봉재/백시트 간의 접합 강도 상승시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법이 적용 가능한 결정질 태양광 모듈의 일례에 대한 단면 모식도이다.
도 3 내지 도 7b는 본 발명에 따른 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법의 각 단계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법이 적용 가능한 결정질 태양광 모듈의 일례에 대한 단면 모식도이다.
도 3 내지 도 7b는 본 발명에 따른 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법의 각 단계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법의 공정 흐름도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법은, 강화유리/제1 밀봉재/태양전지층/제2 밀봉재/백시트의 순서로 적층된 결정질 태양광 모듈을 대상으로, (a) 백시트를 제거하는 단계; (b) 레이저 광을 조사해, 제2 밀봉재 중 불량 태양전지 상에 형성된 제2 밀봉재를 제거하는 단계; (c) 레이저 광을 조사해 불량 태양전지를 제거하는 단계; (d) 레이저 광을 조사해, 제1 밀봉재 중 제거된 불량 태양전지 아래에 형성되어 있던 제1 밀봉재를 제거해 강화유리를 노출시키는 단계; 및 (e) 상기 노출된 강화유리 상에 교체용 제1 밀봉재, 교체용 정상 태양전지, 교체용 제2 밀봉재 및 교체용 백시트를 순서대로 적층한 후 열 접합하는 단계를 포함해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 모듈 수리방법이 적용되는 결정질 태양광 모듈의 일례에 대한 적층 구조를 모식적으로 보여주는 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 결정질 태양광 모듈은 강화유리(전면 커버유리), 제1 밀봉재, 불량 태양전지를 포함해 복수의 태양전지로 구성되는 태양전지층, 제2 밀봉재 및 백시트 등으로 구성된다.
상기 강화유리는 모듈의 표면재로서 외부의 충격 등으로부터 태양전지를 을 보호하는 역할을 하며, 제1 밀봉재 및 제2 밀봉재는 주로 에틸렌과 비닐아세테이트의 공중합체인 EVA로 이루어지며 투명성, 완충성, 탄성, 인장강도가 매우 우수한 고분자 필름으로 구성된다. 또한, 상기 태양전지층은 복수의 태양전지가 전도성 리본에 의해 직렬 또는 병렬로 연결된 구조를 가진다. 그리고, 상기 백시트는 방수, 절연 및 자외선 차단 등의 역할을 하며, PVF, 폴리에스터, 아크릴 등으로 이루어질 수 있다.
이하, 도 2에 도시한 결정질 태양광 모듈 등에 적용 가능한 본 발명에 따른 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법의 각 단계를 도 3 내지 도 7b를 참조해 상세히 설명한다.
먼저, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 단계 (a)에서는 결정질 태양광 모듈의 백시트를 제거한다.
본 단계에서 이루어지는 백시트의 제거는 결정질 태양광 모듈을 가열 수단 상에서 가열해 제2 밀봉재를 용융시켜 제2 밀봉재와 백시트 간의 접착력을 약화시킨 후 물리적 응력을 인가해 이루어질 수 있다.
일례로, 도 3에 도시한 바와 같이 결정질 태양광 모듈을 핫 플레이트 상에 위치시킨 후 80~120 ℃의 온도로 15분 이상 가열한 후 백시트를 제거할 수 있다.
본 단계에서 제거된 백시트는 폐기하며, 후술하는 단계에서 고장난 태양전지를 수리한 후 모듈 재조립시에는 새로운 백시트로 교체해 모듈에 도입된다.
이어서, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 상기 단계 (b)에서는 레이저 광을 조사해, 제2 밀봉재 전체 영역 중에서 불량 태양전지 상에 형성된 제2 밀봉재를 제거하는 공정을 실시한다.
본 단계 (b)에서 불량 태양전지 위에 위치한 제2 밀봉재를 제거하기 위해 사용하는 레이저 광은, 이트륨 알루미늄 가닛(YAG) 레이저 광원으로부터 발생된 것이 바람직하다. 이때, 상기 YAG 레이저의 매질은 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가닛(Nd:YAG) 또는 이터븀 도핑 이트륨 알루미늄 가닛(Yb:YAG)일 수 있다.
더욱 바람직하게, 상기 레이저 광은 Nd:YAG 레이저의 제2고조파(파장: 532 nm) 및 Nd:YAG 레이저의 제3고조파(파장: 355 nm)로부터 선택되는 하나 또는 둘로 이루어질 수 있다.
한편, 본 단계에서 불량 태양전지 상에 형성된 제2 밀봉재를 제거하기 위해 사용되는 레이저 광의 조사 에너지 밀도(J/cm2)는 제2 밀봉재를 이루는 소재를 연소시켜 제거할 정도의 수치 이상이기만 하면 특별히 제한되지 않는다.
다음으로, 상기 단계 (c)에서는 레이저 광을 조사해 상부의 제2 밀봉재가 제거된 불량 태양전지를 제거한다.
보다 구체적으로, 도 5a 및 도 5b에 도시한 바와 같이, 레이저 광을 조사하기에 앞서 불량 태양전지와 이웃하는 정상 태양전지 간의 전기적 연결을 위해 설치된 전도성 리본(인터커넥터 리본, 버스바 리본) 중 상부 리본을 제거하고, 불량 태양전지 상으로 레이저 광을 조사해 불량 태양전지를 연소시켜 제거한다.
본 단계 (c)에서 불량 태양전지 제거를 위해 사용되는 레이저 광은 전술한 바와 같으며, 레이저 광의 조사 에너지 밀도(J/cm2)는 불량 태양전지를 이루는 소재를 연소시켜 제거할 정도의 수치 이상이기만 하면 특별히 제한되지 않는다.
다음으로, 상기 단계 (d)는 제거된 불량 태양전지 하부에 위치했던 제1 밀봉재를 제거하는 단계로서, 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이 제거된 불량 태양전지 바로 아래에 형성되어 있던 제1 밀봉재 영역에 레이저 광을 조사해 해당 영역의 제1 밀봉재를 연소시켜 제거하게 된다.
본 단계 (d)에서 불량 태양전지 제거를 위해 사용되는 레이저 광은 전술한 바와 같으며, 레이저 광의 조사 에너지 밀도(J/cm2)는 제1 밀봉재를 이루는 소재를 연소시켜 제거할 정도의 수치 이상이기만 하면 특별히 제한되지 않는다.
본 단계 (d)를 완료하면 제1 밀봉재가 제거되어 제1 밀봉재 바로 아래에 위치한 강화유리의 일면이 노출되고, 후속 단계에서 이렇게 노출된 강화유리 표면 상에 새로운 밀봉재, 새로운 교체용 정상 태양전지 및 새로운 백시트를 순차적으로 적층하는 공정을 실시하게 된다.
한편, 본 단계 (d)에서 불량 태양전지 하부에 위치했던 제1 밀봉재를 제거한 후에는 아세톤 등의 유기용매를 이용해 제1 밀봉재가 제거되어 노출된 강화유리 영역을 세척하고 후속 단계를 실시하는 것이 바람직하다.
마지막으로, 도 7a 및 도 7b에 도시한 바와 같이 상기 단계 (e)에서는 상기 노출된 강화유리 상에 교체용 제1 밀봉재, 교체용 정상 태양전지, 교체용 제2 밀봉재 및 교체용 백시트를 순서대로 적층한 후 열 접합하여 결정질 태양광 모듈의 수리를 마무리하게 된다.
참고로, 본 단계에서 제1 밀봉재 및 제2 밀봉재를 새로운 EVA 필름 이용해 형성시키는데, 이는 EVA가 열경화성 수지로서 재사용할 경우 열 접합에 의한 경화 시 접착 강도가 현저히 떨어지기 때문이다.
본 단계 (e)에 대해 좀더 상세히 설명하면, 노출된 강화유리 표면 상에 제1 밀봉재 형성을 위한 EVA 필름을 적재하고, 상기 EVA 필름 상에서 교체용 정상 태양전지를 이웃하는 정상 태양전지와 전도성 리본을 접합시켜 전기적으로 연결하고, 새로이 설치된 태양전지 상에 제2 밀봉재 형성을 위한 EVA 필름을 적재한 후 여기에 새로운 교체용 백시트까지 적재한 후(도 7a), 핫 플레이트로 가열해 열 접합을 실시함으로써(도 7b) 고장난 불량 태양전지가 정상 태양전지로 교체되고 재조립까지 완료된 결정질 태양광 모듈이 얻어진다.
앞서 상세히 설명한 본 발명에 따른 결정질 태양광 모듈의 수리방법에 의하면, 레이저로 고장난 태양전지 영역만을 조사해 고장 발생 영역의 EVA(ethylene-vinyl acetate)으로 이루어지는 밀봉재 및 고장난 태양전지를 제거함과 동시에 고장 영역 주변의 정상적으로 작동되는 태양전지를 보호할 수 있으며, 수리 완료 후 정상동작 영역의 밀봉재/백시트 간의 접합 강도 상승시킬 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (6)
- 강화유리, 제1 밀봉재, 불량 태양전지를 포함해 복수의 태양전지로 구성되는 태양전지층, 제2 밀봉재 및 백시트의 순서로 적층된 결정질 태양광 모듈의 수리방법에 있어서,
(a) 백시트를 제거하는 단계;
(b) 레이저 광을 조사해, 제2 밀봉재 중 불량 태양전지 상에 형성된 제2 밀봉재를 제거하는 단계;
(c) 레이저 광을 조사해 불량 태양전지를 제거하는 단계;
(d) 레이저 광을 조사해, 제1 밀봉재 중 제거된 불량 태양전지 아래에 형성되어 있던 제1 밀봉재를 제거해 강화유리를 노출시키는 단계; 및
(e) 상기 노출된 강화유리 상에 교체용 제1 밀봉재, 교체용 정상 태양전지, 교체용 제2 밀봉재 및 교체용 백시트를 순서대로 적층한 후 열 접합하는 단계;
를 포함하는 레이저 조사를 이용한 결정질 태양광 모듈의 수리방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 결정질 태양광 모듈을 핫 플레이트(hot plate) 상에서 가열해 제2 밀봉재를 용융시킨 후 백시트를 제거하는 것을 특징으로 하는 결정질 태양광 모듈의 수리방법. - 제1항에 있어서,
상기 레이저 광은, 이트륨 알루미늄 가닛(YAG) 레이저 광원에 의해 발생된 것을 특징으로 하는 결정질 태양광 모듈의 수리방법. - 제3항에 있어서,
상기 이트륨 알루미늄 가닛(YAG) 레이저는, 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가닛(Nd:YAG) 레이저 또는 이터븀 도핑 이트륨 알루미늄 가닛(Yb:YAG) 레이저인 것을 특징으로 하는 결정질 태양광 모듈의 수리방법. - 제4항에 있어서,
상기 레이저 광은, Nd:YAG 레이저의 제2고조파 또는 Nd:YAG 레이저의 제3고조파인 것을 특징으로 하는 결정질 태양광 모듈의 수리방법. - 제1항에 있어서,
상기 단계 (e)에서 결정질 태양광 모듈을 핫 플레이트 상에서 가열해 열 접합시키거나, 라미네이터기 내부에서 가압 및 가열하여 라미네이팅 처리해 열 접합시키는 것을 특징으로 하는 결정질 태양광 모듈의 수리방법.
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