KR19980032642A - 태양 전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

광기전력 소자가 적어도 실런트 수지 층과 표면 보호 필름으로 피복된 구조를 가지며, 상기 표면 보호 필름의 산소 투과도가 25 ℃/90%RH에서 1 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하로써 장기간의 실외 노광 시에 실런트 수지의 열화, 특히 황변이 없고, 신뢰성이 높은 태양 전지 모듈이 제작된다.

Description

태양 전지 모듈
본 발명은 태양 전지 모듈, 특히 투명한 유기 고분자 수지로 이루어진 실런트 수지층과 최외각의 투명한 표면 보호 필름을 포함하여 2층 이상을 포함하는 피복재로 광기전력 소자의 광입사쪽 표면을 밀봉시킨 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
최근, 환경 문제에 대한 의식이 높아져 세계적으로 확산되고 있다. 그 중에, CO2배출로 인한 지구 온난화 현상에 대한 관심이 깊어지고 있으며 크린 에너지에 대한 요구가 강해지고 있다. 태양 전지는 현재 안전성과 취급의 용이성으로 인해 크린 에너지원으로 기대되고 있다.
태양 전지에는 다양한 형태가 있다. 대표적인 것은 다음과 같다.
(1) 결정 실리콘 태양 전지.
(2) 다결정 실리콘 태양 전지.
(3) 비정질 실리콘 태양 전지.
(4) 구리 인듐 셀레나이드 태양 전지.
(5) 화합물 반도체 태양 전지.
이 중에, 박막 결정 실리콘 태양 전지, 화합물 반도체 태양 전지, 및 비정질 실리콘 태양 전지가 비교적 낮은 가격으로 큰 면적을 제작할 수 있기 때문에 최근 각 방면에서 활발히 연구가 진행되고 있다.
또한, 이 태양 전지 중에, 도체 금속 기판 상에 실리콘을 퇴적하고, 그 위에 투명한 전도층을 형성한 비정질 실리콘 태양 전지가 대표적인 박막 태양 전지는 경량이며, 내충격성이고 매우 가요성이기 때문에 미래의 모듈 형태로 유망하다고 생각된다. 그러나, 유리 기판 상에 실리콘을 퇴적하여 얻는 경우와는 달리, 광입사쪽 표면을 투명 피복재로 덮어 태양 전지를 보호해야 한다.
가장 일반적인 방법은 최외각 표면용으로 유리를 사용하여 유리를 실런트 수지로 태양 전지 소자에 접착시키는 방법이다. 유리는 내후성이 우수하고 수분에 불투과성이기 때문에 반도체 광기전력 소자 피복용으로는 가장 우수한 부재 중의 하나라고 말할 수 있다. 따라서, 대부분의 태양 전지는 최외각 표면 피복으로서 유리를 사용한다. 그러나, 유리 피복은 1) 무겁고, 2) 구부러지지 않고, 3) 충격에 약하고, 4) 값비싸다는 문제가 있다. 이러한 문제점으로 인해 박막 태양 전지의 경량, 내충격성 및 가요성인 이점을 가질 수 없다.
이리하여, 종래에는, 표면 피복재로는 최외각 표면으로 불소수지 필름과 같은 투명한 불화물 중합체 박막, 및 그의 내부에는 각종 열가소성 투명 유기 수지로부터 선택된 실런트를 이용하여 박막 태양 전지의 특징의 장점을 갖는 경량의 가요성 태양 전지 모듈이 제안되어 왔다. 이들 재료가 사용되는 이유는 1) 불화물 중합체가 높은 내후성 및 높은 발수성을 가져 수지의 열화로 인한 황변 또는 탁화 또는 표면의 오염으로 인한 광투과율의 감소로 인한 태양 전지 모듈의 변환 효율의 저하를 낮출 수 있고, 2) 이 열가소성의 투명한 수지가 값싸며 내부 광기전력 소자를 보호를 위한 실런트로서 대량으로 사용될 수 있기 때문이다. 보통, 태양 전지 소자 상에는 발전된 전력을 효율적으로 끌어들이기 위한 다양한 집전 전극 및 소자들 사이를 직렬로 또는 병렬로 서로 접속시키기 위한 금속 부재가 설치된다. 또한 열가소성 투명 유기 수지는 전극, 및 금속 부재를 비롯한 충전 부재를 밀봉하여 소자 표면의 요철 부분을 채움으로써 피복재의 표면을 매끄럽게 하는 효과도 갖는다.
그러나, 표면을 필름으로 피복시킨 이러한 모듈은 표면이 유리로 피복된 경우와는 달리 소자가 긁히기 쉽다. 즉, 표면이 예리한 모서리에 긁힐 경우 심지어 소자도 쉽게 손상될 수 있다.
이 문제를 조금이라도 해결하기 위하여, 실런트 수지 중에 보강재를 함유하도록 하며, 유리 섬의 부직포가 이 목적에 적절하게 사용된다. 또한, 유리 섬유 부직포는 모듈 적층 공정에서, 용융된 실런트 수지를 진공 가열 압착법으로 함침시킨 실런트 수지의 두께를 유지하는 유지 부재로서 기능하고, 진공 압착 시에 실런트 수지와 표면 부재 사이 및(또는) 실런트 수지와 태양 전지 소자 사이에 삽입될 때 공기가 빠져 나갈 길을 확보하여 실런트 수지 내에 잔류하고 있는 기포를 감소시키는 기능을 한다.
태양 전지 모듈은 20년 동안의 실외 사용을 견딜 수 있도록 설계되어야 한다. 특히, 직접 태양광에 노광되는 표면 실런트 수지층, 표면 보호 필름 등으로 이루어진 표면 피복재는 높은 내구성이 필요하다. 실외 사용 시에 열화를 야기하는 요인으로는 자외선, 열, 물 등이 있다. 이 중에, 자외선과 열로 인한 표면 실런트 수지층의 황변은 광기전력 소자에 도달하는 광의 량을 감소시켜 태양 전지 모듈의 출력을 저하시키기 때문에 심각한 문제이다.
종래에도, 표면 실런트 수지층의 황변에 관한 많은 보고가 있었다. 예를 들면, 스프링본 래버러토리즈 인크 (SPRINGBORN LABORATORIES INC.)는 보고서[SEMI-ANNUAL TECHNICAL PROGRESS REPORT ON PHOTOVOLTAIC MANUFACTURING TECHNOLOGY (PV Mat), 1993년 11월 5일]에서 사막, 예를 들면 미국 피닉스에 설치된 모듈 내의 표면 실런트 수지층으로서 사용된 EVA에서 황변이 발생한 것을 보고하고 있다. 사막에서의 사용 뿐만 아니라, 예를 들면 지붕재 일체형 태양 전지와 같이 태양 전지 모듈 자체를 지붕으로 사용하는 경우에도 모듈 온도가 70 ℃ 이상으로 증가하고 황변이 심각한 문제가 된다.
따라서, 통상의 태양 전지를 심각한 사용 환경 하에 사용할 경우에도 견딜 수 있도록 자외선 흡수제, 광 안정화제, 열 산화 억제제를 첨가하여 표면 실런트 수지층의 내구성을 향상시킨다; 그럼에도 불구하고, 수십 년에 걸쳐 견디기 어려운 자외선 및 열에 노광되기 때문에 열화를 피할 수 없다. 따라서, 신뢰성이 아직 충분하지 않고 황변에 대한 대응책이 훨씬 더 요구되고 있다.
또한, 상기 기재된 바의 표면 실런트 층에 흔히 유리 섬유 부직포를 함유하도록 하지만, 본 발명자는 연구를 통해 이것이 황변을 야기하는 커다란 요인임을 밝혀내었다. 그 이유는 유리 섬유를 서로 결합시키기 위한 결합제 수지에 있다고 생각된다. 표면 실런트 수지층의 내후성에 비하여, 유리 섬유 부직포 중의 결합제 수지 자체의 내후성은 그리 높지 않고, 결합제 수지는 내후성을 향상시키기 위한 첨가제를 함유하지 않는다. 따라서, 이 결합제 수지가 표면 실런트 수지층 보다 더 열화되기 쉽다. 결합제 수지가 표면 실런트 수지층과 상이한 종류이기 때문에, 결합제 수지는 표면 실런트 수지층과 잘 혼합되지 않고, 따라서 그 사이의 계면에 물이 들어가 열화를 더욱 촉진시킨다.
예를 들면, EVA를 표면 실런트 수지층으로 사용하고 폴리비닐 알콜 수지를 유리 섬유 부직포 내의 결합제 수지로 사용한 경우에, EMMAQUA 시험, 선샤인 웨더로메터 시험, 및 강한 자외선 조사 시험과 같은 촉진 풍화 시험 및 150 ℃에서의 열 분해 시험에서 결합제 수지로부터 주 열화 요인인 황변이 발생했다. 그 이유는 열 탈수로 인해 폴리비닐 알콜 중합체의 주쇄 내에 공액 이중 결합이 발생하기 때문이다.
한편, 표면 피복재의 긁힘 내성을 향상시키고 습도 차단 성질을 갖는 광기전력 소자를 제공하기 위하여, 때때로 주성분으로 아크릴 수지를 함유하는 경질 수지 박막층을 광기전력 소자와 표면 실런트 수지 사이에 설치한다. 그러나, 이 경우, 본 발명의 실험 결과를 통해 표면 실런트 수지층 내에 잔류하고 있는 가교제 (유기 과산화물)가 아크릴 수지와 상호작용하여 표면 실런트 수지의 황변을 가속화한다는 것이 입증되었다.
상기의 단점을 극복하기 위하여, 본 발명의 목적은 장기간 실외 노광 사용 시에 실런트 수지의 열화가 없는, 특히 황변이 없는 높은 신뢰성을 갖는 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 태양 전지예의 도식적 횡단면도.
도 2a 및 도 2b는 광기전력 소자의 기본 구조의 일례를 도시한 도식도.
도 3은 실시예 1의 태양 전지 모듈의 도식적 다이아그램.
도 4는 산소 투과도와 황변 회복율 사이의 관계를 나타낸 그래프.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 본 발명의 건축재의 일례를 각각 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 공기 순환 시스템을 도시한 도면.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101: 광기전력 소자
102: 표면 실런트 수지층
103: 표면 보호 필름
104: 표면 실런트 수지층
105: 표면 피복 필름
106: 유리 섬유 부직포
107: 모듈 보강판
108: 투명 경질 유기 수지 박막층
201: 전도성 기판
202: 이면 반사층
203: 반도체 광활성층
204: 투명 전도층
205: 집전 전극
206a, 206b: 출력 단자
207: 전도성 접착제
208: 스폿
301: 광기전력 소자
302: 실런트 수지층
303: 표면 보호 필름
304: 투명 경질 유기 수지 박막층
305: 이면 피복 필름
306: 보강판
307a, 307b: 출력 단자
308a, 308b: 단자를 끌어내는 입구
309: 유리 섬유 부직포
310: 태양 전지 모듈 적층체
500: 광기전력 소자
501: 마루쪽 연결부
502: 처마쪽 연결부
503: 외장 지붕 보드
504: 고정 부재
505: 결합부
506: 연결부
507: 캡
601: 처마부
602: 지붕재
603: 지붕 하층
604: 지붕재와 지붕 하층 사이의 공간
606: 배기구
본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위한 예의 연구와 개발을 수행하여 다음의 방법이 최상임을 밝혀내었다. 구체적으로, 본 발명의 태양 전지 모듈은 광기전력 소자가 적어도 실런트 수지 및 표면 보호 필름으로 피복되고 표면 보호 필름의 산소 투과도가 25 ℃/90%RH에서 1 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하인 태양 전지 모듈이다.
도 1은 본 발명에 따른 태양 전지 모듈의 도식적 구조를 나타내는 도면이다. 부호 (101)은 광기전력 소자를 나타내며, 이 광기전력 소자의 광입사쪽은 적어도 투명한 표면 실런트 수지층 (102) 및 최외각 표면 쪽에 위치된 투명한 표면 보호 필름 (103)을 포함하는 표면 피복재로 피복되어 있다. 부호 (104)는 이면 실런트 수지층을 나타내고, (105)는 이면 피복 필름을 나타내고, (106)은 유리 섬유 부직포를 나타낸다. 외부로부터의 광이 최외각 표면 보호 필름 (103)에 입사되어 광기전력 소자 (101)에 도달하고, 이로써 발생된 기전력을 출력 단자(도시되지 않음)를 통해 취하게 된다. 도 1b는 도 1a의 태양 전지 모듈의 이면 상에 모듈 보강판 (107)이 있는 일례를 나타낸다. 도 1a 및 도 1b에서 부호 (108)은 광기전력 소자 (101)의 광입사쪽에 설치된 투명 경질 유기 수지 박막층을 나타낸다.
표면 보호 필름 (103
본 발명에서 사용된 표면 보호 필름 (103)이 태양 전지 모듈의 최외각층으로 위치하기 때문에, 내후성, 내오염성 및 기계 강도를 비롯한, 태양 전지 모듈의 실외 노광 시에 장기간 신뢰성을 확보할 수 있는 성능이 필요하다.
표면 보호 필름 (103)의 산소 투과도는 25 ℃/90%RH에서 1 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하, 바람직하게는 10 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하가 될 필요가 있다.
도 4는 표면 보호 필름의 25 ℃/90%RH에서 산소 투과도와 표면 피복재의 황변 회복율의 상관 관계를 나타낸 그래프이다. 황변 회복율과 산소 투과도 사이의 관계를 다음과 같이 얻었다. 슬라이드 글라스 상에, 최외각 표면이 표면 보호 필름으로 유기 수지 필름이고 유리 섬유 부직포를 함유하는 EVA 수지가 슬라이드 글라스와 유기 수지 필름 사이에 밀봉되는 그러한 구조로 적층체를 형성했다. 유리 섬유를 함유하는 EVA 수지는 본 발명의 태양 전지 모듈 내의 표면 실런트 수지층에 상응한다. 이러한 적층체를 150 ℃에서 15 시간 동안 열 분해시켰다. 이 열 분해 시험 결과, 실런트 수지층의 황변이 일어나 광 투과성이 크게 감소하였고, 이러한 감소는 태양 전지 출력의 거의 10% 저하와 동등했다. 그 다음, 금속 할라이드 램프를 사용하여 300 내지 400 nm의 파장 범위에서 100 mW/cm2의 출력 하에 자외선에 노광시켰다. 황변 회복율은 열 분해 시험 직후의 광 투과성 (파장 400 nm)이 0으로 측정된 경우와 적층체의 가공 직후의 광 투과성 (파장 400 nm)이 100%로 측정된 경우의 상대값으로 정의된다.
도 4로부터 표면 보호 필름의 산소 투과도가 1 cc/m2·24hr·atm 이상이면, 상당한 황변 회복이 관찰되고, 산소 투과도가 10 cc/m2·24hr·atm 이상이면 회복율이 거의 완전히 초기 투과율 까지 회복된다는 것이 명확하다.
즉, 보다 많은 산소를 실런트 수지에 공급하면, 자외선 노광 중에 황변으로부터의 회복을 촉진시킨다. 이러한 회복 메카니즘은 황변의 주 요인인 고분자 주쇄 내의 공액 이중 결합이, 실런트 수지층 내로 확산되어 있는 산소 분자에 자외선을 조사함으로써 발생된 산소 라디칼에 의해 환원되기 때문이라고 추정된다.
실제 실외 사용 환경 하에서는, 열에 의한 황변 및 자외선광과 산소의 황변 해소 작용은 동시에 일어나는 소위 경쟁 작용이다. 이러한 환경 하에서도, 산소의 공급에 의해 황변을 억제할 수 있다.
한편, 유기 과산화물의 열분해에 의해 생성된 라디칼에 의해 실런트 수지층이 가교되는 것이 보통이다. 통상, 유기 과산화물 소량이 완전히 분해되지 않고 실런트 수지층 내에 잔류한다. 이 유기 과산화물이 실런트 수지층의 황변을 촉진하는 작용을 하므로, 실런트 수지의 가교 후의 잔류량이 가능한 한 적게 제어하는 것이 바람직하다. 표면 보호 필름의 산소 투과도가 증가하면 표면 보호 필름을 통한 잔류 유기 과산화물의 휘발이 가능하게 되고 따라서 황변 억제 효과를 더 향상시킨다.
그러나, 수증기의 투과성도 산소 투과성의 증가에 따라 증가한다. 수증기가 실런트 수지층 중에 침입한 실런트 수지층은 다른 재료에로의 접착력이 저하되어 표면 피복재의 박리 형상이 일어난다. 표면 피복재의 전기 절연성 저하, 광기전력 소자의 수분으로 인한 성능 저하를 초래한다. 따라서 표면 보호 필름의 산소 투과도는 50 cc/m2·24hr·atm 이하로 되는 것이 필요하다. 구체적으로 표면 보호 필름의 수증기 투과도는 40 ℃/90%RH에 있어 20 g/m2·24hr 이하가 더욱 바람직하다. 표면 보호 필름의 수증기 투과도의 하한선은 40 ℃/90%RH에 있어 1.0 g/m2·24hr 이하가 더욱 바람직하다.
표면 보호 필름 (103) 용으로 적절히 사용되는 재료로는 예를 들면, 불화물 중합체 및 아크릴 수지가 있다. 이 중에, 불화물 중합체가 바람직하게 사용되는 데, 그 이유는 내후성 및 내오염성이 우수하기 때문이다. 구체예로는 폴리불화비닐리덴 수지, 폴리불화비닐 수지 및 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체가 있다. 폴리불화비닐리덴 수지가 내후성의 면에서 우수하며, 한편으로 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체는 내후성 및 기계 성질과 투명성의 조화라는 면에서 우수하다.
표면 보호 필름 (103)은 기계 강도를 확보하기 위해 약간 두께가 있어야 하나, 두께가 지나치게 크면 비용의 면에서 바람직하지 않다. 구체적으로 두께는 20 내지 200 ㎛가 바람직하고, 30 내지 100 ㎛가 더욱 바람직하다.
표면 실런트 수지층 (102)와의 접착성을 향상시키기 위해, 표면 보호 필름 (103)의 한 표면을 코로나 처리, 플라즈마 처리, 오존 처리, UV 조사, 전자빔 조사, 또는 화염 처리와 같은 표면 처리에 의해 처리하는 것이 바람직하다. 이 중에, 코로나 방전 처리가 처리 속도가 크고 비교적 간단한 장치로 접착력을 크게 증가시킬 수 있기 때문에 이를 사용하는 것이 바람직하다.
표면 실런트 수지층 (102)
표면 실런트 수지층 (102)는 광기전력 소자 (101)의 요철을 수지로 피복하고, 광기전력 소자 (101)을 온도 변화, 습도, 충격과 같은 심각한 외부 환경으로부터 보호하고, 표면 보호 필름 (103)과 광기전력 소자 (101)과의 접착을 확보하기 위해 필요하다. 따라서, 내후성, 접착성, 충전성, 내열성, 내한성, 내충격성이 요구된다.
이러한 요구를 만족시키는 수지로서는, 예를 들면 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 (EVA), 에틸렌-메타크릴레이트 공중합체 (EMA), 에틸렌-에틸아크릴레이트 공중합체 (EEA) 및 폴리비닐 부티랄 수지와 같은 폴리올레핀계 수지, 우레탄 수지, 실리콘 수지, 및 불소수지가 있다. 이 중에, EVA가 태양 전지용으로 균형잡힌 물성을 갖기 때문에 바람직하게 이용된다.
내열성을 향상시키기 위하여 표면 실런트 수지층을 가교시키는 것이 바람직하며, 겔 분율이 70 중량% 이상이 되도록 가교를 제어하는 것이 더욱 바람직하다. 특히, EVA의 경우에는 유기 과산화물로 가교시키면, 고온 사용 하에 변형 또는 크리프(creep)를 효과적으로 방지하여 바람직하다.
유기 과산화물에 의한 가교는 유기 과산화물로부터 생성된 유리 라디칼이 수지 내의 수소와 할로겐 원자를 끌어당겨 C-C 결합을 형성하는 방식으로 만들어진다. 유기 과산화물의 활성화 방법으로는 열분해, 산화 환원 분해, 및 이온 분해 등이 있다. 일반적으로, 열 분해 방법을 채택하는 것이 바람직하다. 유기 과산화물의 구체예로는 과산화수소, 디알킬 (알릴) 퍼옥사이드, 디아실 퍼옥사이드, 퍼옥시 케탈, 퍼옥시 에스테르, 퍼옥시 카보네이트, 케톤 퍼옥사이드 등이 있다. 유기 과산화물 첨가량은 표면 실런트 수지 100 중량부에 대해 0.5 내지 5 중량부가 바람직하다.
표면 실런트 수지층 (102)로 사용된 수지는 내후성이 우수한 수지이나, 내후성을 더 개선시키기 위해 또는 표면 실런트 수지층 아래에 위치한 층을 보호하기 위하여 자외선 흡수제를 첨가할 수도 있다. 이 자외선 흡수제는 공지 화합물로부터 선택할 수 있고, 태양 전지 모듈의 사용 환경을 고려하여 저휘발성 자외선 흡수제로부터 선택하는 것이 바람직하다. 이러한 제제의 구체예로는 살리실산계 화합물, 벤조페논계 화합물, 벤조트리아졸계 화합물 및 시아노아크릴레이트계 화합물을 비롯한 각종 유기 화합물이 있다.
자외선 흡수제와 함께 광안정화제도 첨가한다면, 표면 실런트 수지층 (102)가 광에 대해 더욱 안정하게 될 것이다. 이 광 안정화제의 구체예로는 힌더드 아민계 광 안정화제가 있다. 힌더드 아민계 광 안정화제는 자외선 흡수제와는 달리 자외선광을 흡수하지 않으나, 자외선 흡수제와 함께 사용되는 경우에 큰 상승 효과를 나타낸다. 물론, 힌더드 아민계 안정화제 보다 광 안정화제로서 기능한 다른 화합물들도 있지만, 착색된 안정화제는 본 발명의 표면 실런트 수지층 (102)용으로 바람직하지 않다. 상기 자외선 흡수제 및 광 안정화제의 첨가량은 표면 실런트 수지에 대해 각각 0.1 내지 1.0 중량% 및 0.05 내지 1.0 중량%가 바람직하다.
또한, 내열성 및 열 가공성 개선을 위하여 열 산화 방지제를 첨가하는 것도 가능하다. 열 산화 방지제로서는 예를 들면, 모노페놀계 화합물, 비스페놀계 화합물, 고분자형 페놀계 화합물, 황계 화합물 및 인산계 화합물이 있다. 열 산화 방지제의 첨가량은 표면 실런트 수지에 대해 0.05 내지 1.0 중량%가 바람직하다.
후술하는 유리 섬유 (106)과 표면 실런트 수지의 접착성을 더 개선시키기 위하여 실란 커플링제와 유기 티타네이트 화합물을 표면 실런트 수지에 첨가하는 것이 가능하다. 또한, 그와 동시에 표면 실런트 수지층(102)과 광기전력 소자 (101) 또는 표면 보호 필름 (103) 사이의 접착력을 향상시키는 효과가 있다. 첨가량은 표면 실런트 수지 100 중량부에 대하여 0.1 내지 3 중량부가 바람직하고, 0.25 내지 1 중량부가 더욱 바람직하다.
한편, 광기전력 소자 (101)에 도달하는 광량의 감소를 가능한 한 낮게 억제하기 위하여 표면 실런트 수지층 (102)를 투명하게 만드는 것이 필요하다. 구체적으로, 광 투과율이 400 nm 이상, 800 nm 이하의 가시광 파장 영역에서는 80 % 이상인 것이 바람직하고, 90 % 이상이 더욱 바람직하다. 또한, 대기로부터의 광의 입사를 용이하게 하기 위하여, 25 ℃에서의 표면 실런트 수지층 (102)의 굴절율 지수가 1.1 내지 2.0인 것이 바람직하고, 1.1 내지 1.6인 것이 더욱 바람직하다.
상기 첨가제를 배합한 EVA를 시트상으로 성형한 태양전지용 EVA 시트는 시판되고 있다. 예를 들면, 히스시트 공업(주)제의 솔라 EVA, (주) 브리지스톤사제의 EVASAFE WG시리즈, SPRINGBORN LABORATORIES INC.제의 PHOTOCAP이 있다. 이 중에서 선택된 하나를 광기전력 소자 (101)과 표면 보호 필름 (103) 등의 표면 부재 사이에 삽입하여 가열 압착시켜 용이하게 태양전지 모듈을 제작할 수 있다.
(유리 섬유 부직포 (106))
표면 실런트 수지층 (102) 중에 유리 섬유 부직포 (106)을 함유하는 것이 바람직하다. 유리 섬유 부직포 (106)은 진공 라미네이션법으로 진공화 단계에서 태양 전지 모듈 적층체 간의 공간의 탈기를 돕는 기능을 가지며, 가열 공정에서 용융된 EVA 등의 표면 실런트 수지에 함침되는 표면 실런트 수지층 (102)가 모듈 단에 흘러나와 표면 실런트 수지층 (102)가 얇게 되는 것을 방지하는 기능을 한다. 또한, 유리 섬유 부직포 (106)이 표면 실런트 수지 중에 함침되기 때문에, 표면 실런트 수지층 (102)의 보강판으로서 기능을 하여 표면의 흠이 광기전력 소자 (101)에로 전파되는 것이 어렵게 만드는 효과가 있다.
유리 섬유 부직포 (106)은 유리 섬유를 결합제 수지와 결합시켜 얻는다. 결합제 수지로는 예를 들면 아크릴 수지, 우레탄 수지, 폴리비닐 알콜 수지, 폴리에스테르 수지 및 EVA 수지가 있고, 내열성의 면에서 아크릴 수지를 선택하는 것이 바람직하다.
유리 섬유 부직포 (106)의 표면 실런트 수지에 대한 비율은 표면 실런트 수지 100 중량부에 대하여 1 내지 30 중량부가 바람직하고, 5 내지 20 중량부가 더욱 바람직하다. 1중량부 이하의 표면 피복재는 충분한 긁힘 내성을 제공하기 어려운 경향이 있다. 30 중량부 이상이면, 유리 섬유량이 표면 실런트 수지에 대해 과도하게 되어 모듈 적층 공정 시에 유리 섬유 부직포에 표면 실런트 수지가 표면 실런트 수지에 충분히 함침하지 않아 외관 불량을 야기하거나, 장기 실외 노광 시에 표면 실런트 수지층 (102)로부터 유리 섬유가 박리되는 문제를 일으키기 쉽다.
표면 피복재의 표면에는 반사광의 저감, 적층 시의 링클 발생 억제, 의장성 등을 고려하여 요철을 설치하여 수행하는 것이 일반적이다. 요철의 인접한 오목부와 볼록부의 최대의 고저차가 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 5 ㎛ 미만인 요철부를 설치한 경우에 효과를 충분히 발휘하지 못하는 경향이 있다. 또한 최대 고저차가 100 ㎛를 넘으면, 오목부에서는 국부적으로 표면 실런트 수지층 (102)의 두께가 얇아져 유리 섬유량이 표면 실런트 수지량에 대해 과도하게 되는 경향이 있다. 따라서, 지나치게 깊은 요철을 가져, 오목부에서 유리 섬유가 표면 실런트 수지층 (102)로부터 박리되기 쉬운 경향이 있어 표면 피복재의 내후성에 영향을 미친다. 이러한 요철부는 피복 형성 단계 중에 형성되거나 피복 형성 후 압착 등의 방법에 의해 형성된다.
(이면 실런트 수지층 (104))
이면 실런트 수지층 (104)는 광기전력 소자 (101)과 이면 피복 필름 (105) 간의 접착을 위해 제공된다. 이면 실런트 수지층 (104) 용의 재료로는 전도성 기판과 충분한 접착성을 확보하고, 장기간 내구성이 우수하고, 열 팽창 및 열 수축에 내성이 있으며 가소성인 재료가 바람직하다. 바람직하게 사용되는 재료로는, 예를 들면 EVA, EEA 또는 폴리비닐 부티랄과 같은 열 용융 재료, 및 가요성을 갖는 에폭시 접착제 및 양면 접착 테이프가 있다. 물론, 이면 실런트 수지층 (104)로 표면 실런트 수지층 (102)와 동일한 재료를 사용하는 것도 가능하며, 통상 이런 경우가 많다.
(이면 피복 필름 (105))
이면 피복 필름 (105)는 광기전력 소자 (101)의 기판과 외부와의 전기 절연을 유지하기 위해 필요하다. 바람직한 재료로는 기판에 대한 충분한 전기 절연성을 보장할 수 있고, 장기간 내구성이 우수하며, 열 팽창 및 열 수축에 내성이고 가요성이 있는 재료이다. 적당한 해당 필름으로는, 예를 들면 나일론 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름이 있다. 또한, 상기 기재된 이면 실런트 수지 (104) 및 이면 피복 필름 (105)를 미리 함께 적층시킨 적층 필름을 사용하는 것도 가능하다.
(모듈 보강 판(107))
이면 피복 필름 (105)의 외측에는 태양 전지 모듈의 기계적 강도를 증가시키기 위해, 또는 온도 변화로 인한 변형 또는 워프(warpage)를 방지하기 위하여 보강판을 접착하는 것이 좋다. 예를 들면 강판, 플라스틱판, FRP (유리섬유 강화 플라스틱) 판 또는 가요성 수지가 좋다.
모듈 보강판 (107)로서 강판을 사용하는 경우, 강판을 접어서 태양 전지를 삽입한 벽재 또는 지붕재와 같은 건축재를 제작할 수 있다. 도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 지붕재의 예를 나타낸다. 도 5a는 마루쪽 연결부 (501) 및 처마쪽 연결부 (502)가 서로 반결합된 유형의 지붕재를 도시한다. 도 5b는 결합부 (505)가 외장 지붕 보드 (503) 상에 고정된 고정 부재 (504)로 고정되는 유형의 지붕재를 도시한다. 도 5c는 인접한 지붕재를 연결부 (506)에서 고정 부재에 의해 연결시킨 후에 캡 (507)로 피복한 지붕재 연결부를 도시한다. 도시된 예에서는 각각의 지붕재의 광 수용 표면에 광기전력 소자 (500)이 설치된다.
이러한 지붕재를 사용하여 도 6에 도시된 바와 같은 공기 순환 시스템을 제작할 수 있다. 도 6은 이후 언급되는 지붕재 일체형 태양 전지의 집 공기 순환 시스템 적용예를 도시한다. 도면에서의 화살표는 공기의 흐름을 나타내며, 처마부 (601)을 통하여 취해진 외부 공기가 지붕재 (602)와 지붕 하층 (603) 사이의 공간에서 집에로 인도됨을 나타내고 있다. 공기를 순환시키기 위해 공기 흐름의 중간에 팬 F를 설치한다. 추운 계절에는, 공간 (604) 내의 따뜻한 공기가 방으로 들어가고 더운 계절에는 따뜻한 공기가 배기구 (606)을 통하여 외부로 배출되어 지붕의 열 절연 효과를 향상시킨다. 바닥 아래에 축열 장치를 설치할 수도 있다.
지붕재 일체형 태양전지 (602)에서 발생된 전력은 마루를 통해 집으로, 이어서 인버터 I에 이르러, 태양 전력 발생 시스템을 구성하게 된다. 태양 전력 발생 시스템으로부터의 출력은 램프와 같은 부하 L에서 소비되거나 통상의 전력 시스템 E로 보낼 수 있다.
(광기전력 소자 (101))
본 발명에 사용되는 공기전력 소자 (101)는 단결정, 다결정, 미세결정, 또는 비정질 반도체로 제조할 수 있다. 이 재료는 실리콘계 또는 실리콘 화합물계 반도체 재료로부터 선택된다. 본 발명에 따른 광기전력 소자 (101)의 전형적인 예로는 비단결정 반도체 광활성층 및 투명 전도층을 기판 상에 형성함으로써 얻을 수 있는 것이다.
도 2a 및 도 2b는 이 예의 도식적 구조를 나타내는 도면이다. 도 2a는 횡단면도이고 도 2b는 광 수용 표면쪽의 정면도이다. 도 2a 및 2b에서, 부호 (201)은 기판을 나타내고, (202)는 이면 반사층을 나타내고, (203)은 반도체 광활성층을 나타내고, (204)는 투명 전도층을 나타내고 (205)는 집전 전극 패턴을 나타내고, (206)은 출력 단자를 나타낸다.
기판 (201)은 광기전력 소자의 기판인 동시에, 하부 전극의 역할을 한다. 기판은 예를 들면 실리콘, 탄탈, 몰리부덴, 텅스텐, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 구리, 티타늄, 카본 시트, 아연 도금 강판, 또는 금속 또는 금속 산화물 전도층이 형성되는 수지 필름 또는 세라믹으로부터 선택된 재료로 제조할 수 있다.
전도성 기판 (201) 위에는 이면 반사층 (202)로서 금속층, 또는 금속 산화물층, 또는 금속층과 금속산화물층의 조합층을 형성하는 것도 좋다. 금속층에는 예를 들면 Ti, Cr, Mo, W, Al, Ag, 또는 Ni가 있고, 금속 산화물층에는 예를 들면 ZnO, TiO2, 또는 SnO2가 있다. 이면 반사층 (202)는 저항 가열 증착법, 전자 빔 증착법, 스퍼터링법 등으로부터 선택된 방법으로 제조할 수 있다.
반도체 광활성층 (203)은 광전변환을 수행하는 부분으로서, 구체적인 재료로는 pn 접합형 다결정 실리콘, pin 접합형 비정질 실리콘 등의 비단결정 반도체, 및 CuInSe2, CuInS2, GaAs, CdS/Cu2S, CdS/CdTe, CdS/InP, 및 CdTe/Cu2Te를 비롯한 화합물 반도체가 있다. 이 중에, 비단결정 반도체를 사용하는 것이 바람직하고 비정질 실리콘이 더욱 바람직하다.
반도체 광활성층 (203)의 형성 방법으로는 다결정 실리콘의 경우는 용융 실리콘의 시트화 또는 비결정질 실리콘의 열처리, 비결정 실리콘의 경우는 실란 가스 등을 원료로서 사용하는 플라즈마 CVD 방법, 또는 화합물 반도체의 경우는 이온 플레이팅, 이온 빔 증착, 진공 증착법, 스퍼터링, 또는 전착법 등이 있다.
투명 전도층 (204)는 광기전력 소자의 상부 전극으로서 역할한다. 투명 전도층 (204)는 예를 들면, In2O3, SnO2, In2O3-SnO2(ITO), ZnO, TiO2, Cd2SnO4, 고농도 불순물로 도핑된 결정질 반도체로부터 선택된 재료로 제조할 수 있다. 투명 전도층 (204)의 형성 방법으로는 저항 가열 증착법, 스퍼터링, 스프레잉, CVD, 및 불순물 확산법이 있다.
투명 전도층 (204)의 위에 전류를 효율 좋게 집전하기 위하여, 격자상의 집전 전극 (205) (그리드)를 설치할 수 있다. 집전 전극 (205)의 구체적인 재료로는 예를 들면, Ti, Cr, Mo, W, Al, Ag, Ni, Cu, Sn 또는 은 페이스트를 비롯한 전도성 페이스트가 있다. 보통 사용되는 전도성 페이스트로는 미분말상의 은, 금, 구리, 니켈 또는 탄소가 결합제 중합체 중에 분산되어 있는 것이 있다. 이 결합제 중합체는 예를 들면 폴리에스테르, 에폭시, 아크릴, 알키드, 폴리비닐 아세테이트, 고무, 우레탄 및 페놀 수지로부터 선택된다.
집전 전극 (205)의 제조 방법은 마스크 패턴을 이용한 스퍼터링, 저항 가열, CVD법, 먼저 전면에 금속박을 증착시킨 후 불필요한 부분을 에칭하여 제거하는 방법, 광 CVD로 그리드 전극 패턴을 직접 형성하는 방법, 먼저 그리드 전극 패턴의 네가티브 패턴의 마스크를 형성한 후, 그 위에 도금을 수행하는 방법, 전도성 페이스트를 인쇄하는 방법, 및 전도성 페이스트로 금속 와이어들을 결합시키는 방법이 있다.
마지막으로, 기전력을 얻기 위하여 출력 단자 (206)을 기판 (201) 및 집전 전극 (205)에 부착한다. 기판 (201)에 벨트상, 예를 들면 구리 벨트상 금속체 (206b)를 땜납 (208)에 의해 기판 (201)과 연결하거나 레이저와 스폿 용접에 의해 전기적으로 접속시킨다. 벨트상, 예를 들면 구리 벨트상 금속체 (206a)를 전도성 페이스트 (207) 또는 땜납에 의해 집전 전극 (205)와 전기적으로 접속시킬 수 있다.
이 기술에 의해 제조된 광기전력 소자를 원하는 전압 또는 전류에 따라 병렬로 또는 직렬로 접속시킬 수 있다. 또한, 광기전력 소자를 절연 기판 상에 집적하여 원하는 전압 또는 전류를 달성하는 또다른 배열법도 있을 것이다.
(투명 경질 유기 수지 박막층 (108))
또한, 광기전력 소자의 광입사쪽에는 내습성 또는 긁힘 내성을 제공하기 위하여 투명 경질 유기 수지 박막층을 구비할 수 있다. 이 층 (107)용의 재료예로는 아크릴 수지, 실리콘 수지, 아크릴 실리콘 수지, 폴리알콕시 실란 수지, 불소수지, 폴리에스테르 수지, 우레탄 수지, 에폭시 수지, 알키드 수지, 폴리실라잔 수지 등이 있다. 내후성의 면에서 바람직한 재료로는 아크릴 수지, 실리콘 수지, 아크릴 실리콘 수지, 및 불소수지가 있다. 보다 바람직한 재료는 주로 아크릴 수지 또는 아크릴 실리콘 수지를 함유하는 수지들이다. 고온에서의 태양 전지 모듈 사용을 고려하여 내열성을 향상시키기 위해 이들 수지를 가교시키는 것이 바람직하다. 가교 방법은 유기 과산화물 또는 이소시아네이트를 이용한 통상의 방법으로부터 선택된다.
(태양 전지 모듈의 제조 방법)
표면 실런트 수지층 (102), 표면 보호 필름 (103), 유리 섬유 부직포 (106)으로 광기전력 소자 (101)의 광수용 표면을 피복하기 위한 통상의 방법으로는 표면 실런트 수지를 시트상으로 성형하고, 표면 보호 필름 (103), 유리 섬유 부직포 (106)과 함께 광기전력 소자 (101) 상에 표면 실런트 수지 시트를 가열 압착하는 방법이 있다. 즉, 태양 전지 모듈은 표면 실런트 수지 시트 및 유리 섬유 부직포 (106)이 광기전력 소자 (101)과 표면 보호 필름 (103) 사이에 삽입된 적층체를 가열 압착하여 제조할 수 있다. 이 때에, 요철 형상을 갖는 부재를 표면 부재 필름 (103)의 외측에 배치하고 압착시에 표면 보호 필름 (103)에 대해 죄어지도록 배열한다면, 표면 피복재의 표면에 용이하게 요철이 만들어질 것이다.
압착 시의 가열 온도 및 가열 시간은 적당히 결정할 수 있다. 표면 실런트 수지층이 가교 수지인 경우에는, 가교 반응의 충분한 진행을 허용하는 온도 및 시간에 의해, 유기 과산화물의 열 분해 온도 특성에 의해 결정할 수 있다. 일반적으로, 90%의 열분해 진행, 보다 바람직하게는 95% 이상의 열분해 진행을 허용하는 온도 및 시간까지 가열 가압을 완료하는 것이 좋다.
이면에 대해서는, 이면 피복 필름 (105) 및 이면 실런트 수지를 사용하여 동이한 방법으로 피복을 수행할 수 있다. 통상은 표면 실런트 수지와 이면 실런트 수지는 동일한 재료이고, 이면 피복 단계를 상기 단계와 동일한 시간 동안 수행한다. 예를 들면, 표면 보호 필름 (103)/표면 실런트 수지 시트/유리 섬유 부직포 (106)/광기전력 소자 (101)/이면 실런트 수지 시트/이면 피복 필름 (105)를 이 순서대로 적층하여 태양 전지 모듈 적층체를 형성하고 이를 가열 가압하여 태양 전지 모듈을 제조할 수 있다. 표면 수지층을 가열에 의해 용융시켜 유리 섬유 (106)이 이 시트의 내부로 들어가게 하여 표면 실런트 수지 (102)가 되게 한다. 이면 실런트 수지 시트도 또한 가열에 의해 용융되어 광기전력 소자 (101)의 이면을 피복하는 이면 실런트 수지 (104)가 된다. 가열 가압 방법은 진공 라미네이션 또는 롤 라미네이션과 같이 다양한 종래의 공지 방법으로부터 선택할 수 있다.
본 발명의 태양 전지 모듈은 최대 사용 온도가 70 ℃이상인 것이 바람직하다. 이는 특히 비정질 반도체의 광분해로부터의 회복 효과를 제공하며, 본 발명이 의도한 표면 실런트 수지층의 황변 억제 효과를 최대한 이용할 수 있게끔 한다.
(실시예)
하기에 본 발명을 실시예로 상세히 설명하지만, 본 발명이 이 실시예로 한정되는 것은 아니며 본 발명은 본 발명의 취지의 범위 내의 다양한 변형과 변화를 포괄한다.
모듈의 장기간 신뢰성을 확인하기 위하여 아래와 같이 촉진 열화 시험을 수행했다.
(1) 내광성
초에너지 조사시험기 (스가시험기사제)에 태양 전지 모듈을 투입하고, 메탈 할라이드 램프에 의해 5 시간의 자외선 조사 (조사 강도: 300 nm 내지 400 nm에서 100 mW/cm2, 분위기: 블랙 패널 온도 70 ℃/ 습도 70 %RH) 및 1 시간의 이슬점 응결 (온도 30 ℃/ 습도 96 %RH)을 반복하여 사용 주기 시험을 하고, 2000 시간 후의 외관 상의 변화를 관찰하였다. 관찰 결과는 변화가 없는 경우 ○로, 약간의 변화에 대해서는 상태에 대한 간단한 코멘트를 표시했다.
(2) 내후성
선샤인 웨더로메터 (스가시험기사제)에 태양 전지 모듈을 투입하고, 크세논 램프로 광 조사 (조사 강도: 3SUN, 분위기: 블랙 패널 온도 83 ℃/ 습도 50 %RH)를 매 2 시간에 8 분간 강우를 반복하여 촉진 내후성 시험을 수행하고, 5000 시간 후에 외관의 변화를 관찰했다. 관찰 결과는 변화가 없는 경우 ○으로 및 약간의 변화에 대해서는 상태에 따라 간략한 코멘트로 표시했다.
(3) 내습성
환경 시험기에 태양 전지 모듈을 투입하고, 온도 85 ℃/습도 85 %RH의 환경 하에 1000 시간 방치하고, 외관 상의 변화를 관찰하였다. 관찰 결과는 변화가 없는 경우는 ○로, 변화가 있는 경우는 상태에 따라 간략한 코멘트로 표시했다.
(실시예 1)
[광기전력 소자]
도 2a 및 도 2b에 도시된 구성의 비정질 실리콘 (a-Si) 광기전력 소자를 아래의 수순으로 제작했다.
세정된 스테인레스 스틸 기판 (201) 상에 스퍼터링으로 이면 반사층 (202)으로서 Al층 (막 두께 5000 Å) 및 ZnO층 (막 두께 5000 Å)를 연속적으로 형성했다.
이어서, 플라즈마 CVD법에 의해 SiH4, PH3, 및 H2의 혼합 가스로부터 n형 a-Si 층을, SiH4및 H2의 혼합 가스로부터 i형 a-Si층을, 및 SiH4, BF3, 및 H2의 혼합 가스로부터 미세결정 μc-Si층을 형성하여 n층 두께 150 Å/ i층 두께 4000 Å/ p층 두께 100 Å/ n층 두께 100 Å/ i층 두께 800 Å/ p층 두께 100 Å 구조로 탄뎀형 a-Si 반도체 광 활성층 (203)을 제조했다.
그 다음, 저항 가열법으로 O2분위기 하에 In을 증착시켜 투명 전도층 (204)로서 In2O3박막 (막 두께 700 Å)을 형성했다.
또한, 은 페이스트를 스크린 인쇄하여 집전 전극 (205)로서 그리드 전극선을 형성하고, 마이너스 출력 단자 (206b)로서의 구리 탭을 스테인레스 땜납 (208)로 기판 (201)에 부착하고, 플러스 출력 단자 (206a)로서 틴 호일 테이프를 전도성 접착제 (207)로 집전 전극 (205)에 부착시켜 광기전력 소자를 얻었다. 플라스쪽의 출력 단자 (206a)는 절연체를 통하여 이면에 이르고, 후술되는 이면 피복재의 구멍으로부터 출력되게 된다. 이러한 방식으로 다수의 광기전력 소자를 제작할 수 있다.
[모듈화]
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 기재된 바대로 얻어진 광기전력 소자를 투명 경질 유기 수지 박막 층 (304)로 피복했다. 이 투명 경질 유기 수지 박막층 (304)를 아래와 같이 제조했다. 유기 용제에 아크릴 수지, 무기 중합체, 및 ε-카프로락탐으로 차폐된 헥사메틸렌 디이소시아네이트가 균일하게 용해 또는 분산된 도료 (상표명: Fine Hard N36-21F, 수지 고형분 함량 30%, 쇼와 테크로코트사제) 100 중량부에 실란 커플링제로서 γ-메타크릴옥시 프로필트리메톡시 실란 (상표명: SH6040, 토레이 다우 코닝 실리콘사제) 2.8 중량부를 첨가하여 용액을 제조했다. 이 용액을 에어레스 스프레이에 의해 광기전력 소자 (301)의 광 수용면에 도포하고 이 표면을 200 ℃로 10 분 동안 가열하여 용제를 증발시키고 수지를 가교시켜 투명 경질 유기 수지 박막 층 (304)를 제조했다.
광기전력 소자 (301), 유리 섬유 부직포 (309) (상표명: Glassper, 기본 중량 80g/m2, 혼슈 세이시사제), 실런트 수지층 (302)로서 EVA 시트 (상표명: PHOTOCAP, 막 두께 460 ㎛, SPRINGBORN LABORATORIES INC.제), 표면 보호 필름 (303)으로서 코로나-방전 처리된 표면을 갖는 미연신 ETFE 필름 (상표명: TEFZEL 필름, 막 두께 50㎛, 듀퐁사제), 이면 피복 필름 (305)로서 나일론 필름 (상표명: Dertec, 막 두께 63.5 ㎛), 및 모듈 보강판 (306)으로서 아연 도금 강판 (상표명: Taima color GL, 막 두께 0.27 mm, 다이도 코한사제)를 ETFE/EVA/유리 섬유 부직포/소자/EVA/나일론/EVA/강판의 순서로 적층하여 태양 전지 모듈 적층체 (310)을 제조했다.
이어서, 표면 보호 필름 (303)의 외부에 이형용 불화탄소 필름 (상표명: Teflon PFA 필름, 막 두께 50 ㎛, 듀퐁사제)를 통해 스테인레스 메쉬 (40X40 메쉬, 선 직경 0.15 mm)를 배치하고, 적층체를 진공 라미네이트 장치를 이용하여 가압 탈기 시키면서 150 ℃에서 30 분 가열 압착하여 태양 전지 모듈을 얻었다. 이 태양 전지 모듈의 표면 피복재 중의 표면 실런트 수지 100 중량부에 대해 유리 섬유 부직포의 비율은 8.7 중량부였다. 한편, 표면 피복재 표면에는 메쉬에 의해 최대 30 ㎛의 고저차의 요철이 형성되었다.
실런트 수지층 (302)로서 사용된 EVA 시트는 태양 전지의 실런트재로서 널리 사용되는 것으로서, EVA 수지 (아세트산비닐: 33%) 100 중량부에 가교제로서의 유기 과산화물 1.5 중량부, 자외선 흡수제 0.3 중량부, 광안정화제 0.1 중량부, 열 산화방지제 0.2 중량부, 및 실란 커플링제 0.25 중량부를 블렌딩한 실런트이다. 유리 섬유 부직포 (309)의 결합제 수지는 아크릴 수지이다.
출력 단자 (307a)는 미리 광기전력 소자 (301)의 이면으로 보내지고, 이로써 적층 후에 모듈 보강판 (306)에 미리 천공된 단자 출구 (308a, 308b)를 통하여 출력 단자 (307a 및 307b)로부터 출력될 수 있다.
여기서 사용된 표면 보호 필름 (303)의 산소 투과도는 25 ℃/ 90 %RH에서 15cc/m2·24hr·atm이었고, 수증기 투과도는 40 ℃/ 90 %RH에서 11.5 g/m2·24hr 이었다.
평가 결과는 표 1에 제시되어 있다. 표 1로부터 이 실시예에서 얻어진 태양 전지 모듈이 모든 촉진 분해 시험에서 우수한 결과를 나타냄이 분명하다.
(비교예 1-1)
실시예 1에서의 ETFE 대신에 PCTFE (폴리클로로트리플루오로에틸렌) 필름 (상표명: Neofron CTFE, 막 두께 50 ㎛, 다이킨 고교사제)를 표면 보호 필름 (303)으로 사용했다. PCTFE 필름은 불소수지 필름 중에 작은 가스 투과도를 갖는 수지로 알려져 있다. 여기서 사용된 PCTFE 필름의 산소 투과도 및 수증기 투과도를 측정했다. 이의 산소 투과도는 25 ℃/ 90 %RH에서 0.5cc/m2·24hr·atm이었고, 수증기 투과도는 40 ℃/ 90 %RH에서 0.3 g/m2·24hr 이었다.
표 1에 평가 결과가 제시되어 있다. 표 1에 제시된 바와 같이, 내광성 및 내후성 시험에서 표면 실런트 수지층의 황변이 나타나고 이로 인한 입사광량의 감소로 인해 태양 전지 모듈의 출력이 저하되었다.
(비교예 1-2)
실시예 1에서의 ETFE 필름 대신에, 태양 전지용의 백판 강화 유리 (AFG사제, 상표명 Solatex, 막 두께 3.2 mm)를 표면 보호재로 사용하였다. 또한 이면에는 철판 대신에 알루미늄 라미네이트 테드라 필름 (도카이 알림 하꾸사제)를 사용하여 유리/EVA/유리 섬유 부직포/소자/EVA/알루미늄 라미네이트 테드라 필름의 적층 순서로 태양 전지 모듈 적층체를 제조하였다. 이어서, 이 적층체를 진공 라미네이터 장치 내에 유리를 아래에 두고 놓아, 가압 탈기 하면서 150 ℃에서 30 분 동안 가열 가압하여 태양 전지 모듈을 얻었다.
유리가 제로(0)의 산소 투과성 및 수증기 투과성을 가짐은 말할 필요도 없다. 따라서, 표면 실런트 수지 층으로부터의 잔류 유기 과산화물의 휘발이 없고 표면 실런트 수지층에로의 산소 공급이 없다고 간주된다.
평가 결과는 표 1에 제시되어 있다. 표 1에 제시된 바와 같이, 내광성 및 내후성 시험에서 표면 실런트 수지 층의 황변이 나타났고, 이로써 야기된 입사광량의 감소로 인해 태양 전지 모듈의 출력이 저하되었다. 감소 정도는 비교예 1-1에서 보다 컸다.
(실시예 2)
실시예 1에서의 유리 섬유 부직포 (309)를 폴리비닐 알콜의 결합제 수지를 함유하는 다른 것 (상표명: Craneglass, 기본 중량 80 g/m2, Crane and Co., Inc.사제)로 대체한 것을 제외하고 실시예 1에서와 동일한 방식으로 태양 전지 모듈을 제조했다.
평가 결과는 표 1에 제시되어 있다. 표 1에 제시된 바와 같이 모든 시험에서 외관의 변화가 관찰되지 않았고 우수한 결과가 얻어졌다.
(비교예 2)
비교예 1-2에서의 유리 섬유 부직포 (309)를 폴리비닐 알콜의 결합제 수지를 함유하는 것(상표명: Craneglass, 기본 중량 80 g/m2, Crane and Co., Inc.사제)으로 대체한 것을 제외하고 비교예 1-2에서와 동일한 방식으로 태양 전지 모듈을 제조했다.
평가 결과는 표 1에 제시되어 있다. 표 1에 제시된 바와 같이, 표면 실런트 수지층에 큰 황변이 나타났다. 아마도, 폴리비닐 알콜 수지의 열 산화의 영향 때문인 듯하다.
(실시예 3)
실시예 1에서의 실런트 수지층 (302)로 시트상 EEA 수지 (에틸아크릴레이트 함량: 25%)를 사용했다. 이 수지에 가교제로서 유기 과산화물 1.5 중량부, 자외선 흡수제 0.3 중량, 광안정화제 0.1 중량부, 열 산화 방지제 0.2 중량부, 실란 커플링제 0.25 중량부 및 가교제로서 트리알릴 이소시안우레이트 3.0 중량부를 블렌딩했다. 이것을 제외하고 실시예 1에서와 동일한 방식으로 태양 전지 모듈을 제작했다.
평가 결과는 표 1에 제시되어 있다. 모든 시험에서 외관 변화가 관찰되지 않았고 실시예 1에서 처럼 우수한 결과가 나왔다.
(비교예 3)
비교예 1-2에서의 실런트 수지층 (302)로 시트상 EEA 수지 (에틸아크릴레이트 함량: 25%)를 사용했다. 이를 제외하고는 비교예 1-2와 동일한 방식으로 태양 전지 모듈을 제조했다.
평가 결과는 표 1에 제시되어 있다. 표면 실런트 수지 층으로서 EVA 수지를 사용한 경우 보다는 경미하지만, 표면 실런트 수지층의 황변이 관찰되었다.
(비교예 4)
실시예 1에 있어서의 ETFE 필름의 두께를 12 ㎛로 바꿨다. 이것을 제외하고 실시예 1에서와 동일한 방식으로 태양 전지 모듈을 제조했다.
여기서 표면 보호 필름으로 사용된 ETFE 필름의 산소 투과도 및 수증기 투과도를 측정한 결과, 산소 투과도는 25 ℃/ 90 %RH에서 60 cc/m2·24hr·atm이고 수증기 투과도는 40 ℃/90 %RH에서 43 g/m2·24hr이었다.
이 모듈을 실시예 1에서와 동일한 촉진 분해 시험에 적용했다. 표에 제시된 바와 같이, 내습성 시험에서 표면 필름이 실런트 수지로부터 박리되었다.
내광성 내후성 내습성
실시예 1 ○ ○ ○
실시예 2 ○ ○ ○
실시예 3 ○ ○ ○
비교예 1-1 표면 피복재의 약간의 황변 표면 피복재의 황변 ○
비교예 1-2 표면 피복재의 황변 표면 피복재의 황변 ○
비교예 2 표면 피복재의 현저한 황변 표면 피복재의 현저한 황변 ○
비교예 3 표면 피복재의 약간의 황변 표면 피복재의 약간의 황변 ○
비교예 4 ○ ○ 표면 필름의 박리
본 발명에서는, 광기전력 소자의 광입사쪽 표면이 투명한 표면 실런트 수지 층과 그에 접하게 그의 광입사쪽의 최외각 표면에 위치된 투명한 표면 보호 필름의 적어도 2층 이상을 함유하는 표면 피복재에 의해 피복시킨 태양 전지 모듈로서, 상기 표면 보호 필름의 산소 투과도가 25 ℃/90%RH에서 1 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하로써 장기간의 실외 노광과 촉진 내후성 시험에서 표면 피복재의 황변이 억제된다. 따라서, 표면 피복재의 황변에 의한 광량 손실에 의한 성능 저하가 없고, 신뢰성이 높은 태양 전지 모듈을 제공할 수 있다.

Claims (28)

  1. 적어도 실런트 수지 및 표면 보호 필름으로 피복된 광기전력 소자를 포함하며, 이 때 상기 표면 보호 필름의 산소 투과도가 25 ℃/90%RH에서 1 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하인 태양 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표면 보호 필름의 산소 투과도가 25 ℃/90%RH에서 10 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하인 태양 전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서, 상기 표면 보호 필름의 수증기 투과도가 40 ℃/90%RH에서 20 g/m2·24hr 이하인 태양 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서, 상기 표면 보호 필름이 불화물 중합체로 이루어지는 태양 전지 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 불화물 중합체가 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체 수지인 태양 전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 표면 실런트 수지가 가교 수지로 이루어지는 태양 전지 모듈.
  7. 제6항에 있어서, 상기 가교 수지가 유기 과산화물에 의해 가교된 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 (EVA) 수지인 태양 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 표면 실런트 수지가 유리 섬유 부직포를 함유하는 태양 전지 모듈.
  9. 제1항에 있어서, 상기 광기전력 소자가 기판, 비단결정 반도체 활성층, 및 투명 전도층으로 이루어지는 태양 전지 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 상기 비단결정 반도체 활성층이 비정질 실리콘 박막으로 이루어지는 태양 전지 모듈.
  11. 제1항에 있어서, 상기 표면 실런트 수지층과 상기 광기전력 소자 사이에 투명 경질 유기 수지 박막층을 추가로 포함하며, 이 투명 경질 유기 수지 박막층을 형성하는 수지의 주성분이 아크릴 수지 또는 아크릴 실리콘 수지인 태양 전지 모듈.
  12. 제1항에 있어서, 모듈의 사용 온도가 70 ℃ 이상인 태양 전지 모듈.
  13. 적어도 실런트 수지 및 표면 보호 필름으로 피복된 광기전력 소자를 포함하며, 이 때 산소가 상기 표면 보호 필름을 투과하여 상기 실런트 수지에 도달함으로써 실런트 수지의 황변을 해소한 태양 전지 모듈.
  14. 적어도 실런트 수지 및 표면 보호 필름으로 피복되고 모듈 보강판에 고정된 광기전력 소자를 포함하며, 이 때 상기 표면 보호 필름의 산소 투과도가 25 ℃/90%RH에서 1 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하인 건축재.
  15. 제14항에 있어서, 상기 표면 피복 필름의 산소 투과도가 25 ℃/90%RH에서 10 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하인 건축재.
  16. 제14항에 있어서, 상기 표면 보호 필름의 수증기 투과도가 40 ℃/90%RH에서 20 g/m2·24hr 이하인 건축재.
  17. 제14항에 있어서, 상기 표면 보호 필름이 불화물 중합체로 이루어지는 건축재.
  18. 제17항에 있어서, 상기 불화물 중합체가 테트라플루오로에틸렌-에틸렌 공중합체 수지인 건축재.
  19. 제14항에 있어서, 상기 표면 실런트 수지가 가교 수지로 이루어지는 건축재.
  20. 제19항에 있어서, 상기 가교 수지가 유기 과산화물에 의해 가교된 에틸렌-비닐 아세테이트 공중합체 (EVA) 수지인 건축재.
  21. 제14항에 있어서, 상기 표면 실런트 수지가 유리 섬유 부직포를 함유하는 건축재.
  22. 제14항에 있어서, 상기 광기전력 소자가 기판, 비단결정 반도체 활성층, 및 투명 전도층으로 이루어지는 건축재.
  23. 제22항에 있어서, 상기 비단결정 반도체 활성층이 비정질 실리콘 박막으로 이루어지는 건축재.
  24. 제14항에 있어서, 상기 표면 실런트 수지층과 상기 광기전력 소자 사이에 투명 경질 유기 수지 박막층을 추가로 포함하며, 이 투명 경질 유기 수지 박막층을 형성하는 수지의 주성분이 아크릴 수지 또는 아크릴 실리콘 수지인 건축재.
  25. 제14항에 있어서, 모듈의 사용 온도가 70 ℃ 이상인 건축재.
  26. 적어도 실런트 수지 및 표면 보호 필름으로 피복되고 모듈 보강판에 고정된 광기전력 소자를 포함하며, 이 때 산소가 상기 표면 보호 필름을 투과하여 상기 실런트 수지에 도달함으로써 실런트 수지의 황변을 해소한 건축재.
  27. 적어도 실런트 수지 및 표면 보호 필름으로 피복된 광기전력 소자를 포함하는 태양 전지 모듈, 및 태양 전지 모듈에 접속된 전력 변환 장치를 포함하며, 이 때 상기 표면 보호 필름의 산소 투과도가 25 ℃/90%RH에서 1 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하인 전력 발생 시스템.
  28. 적어도 실런트 수지 및 표면 보호 필름으로 피복되고 모듈 보강판에 고정된 광기전력 소자를 포함하는, 지붕 하층에 공간을 두고 고정되는 지붕재를 포함하며, 여기서 공기가 이 공간 내로 투입되고 이 공간을 통과하여 외부로 배출되거나 내부로 들어가도록 인도되고, 상기 표면 보호 필름의 산소 투과도가 25 ℃/90%RH에서 1 cc/m2·24hr·atm 이상, 50 cc/m2·24hr·atm 이하인 공기 순환 시스템.
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