KR20110076123A - 박막 강화 유리를 사용한 경량 태양광 모듈의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 모듈에 사용되는 강화유리의 두께를 박막화하여 경량 태양광 모듈을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 모듈용 강화유리에 두께 0.5~2mm, 광투과도 85% 이상의 박막 강화유리를 사용함으로써, 기존의 효율은 유지하면서도 태양광 모듈의 중량을 낮추고, 이를 태양광 발전소나 주택용 및 건물일체형 태양광 모듈에 적용함으로써 설치 작업의 용이와 설치비용을 절감할 수 있는 경량 태양광 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
강화유리 태양광 모듈, 강화유리 박막형 모듈, 강화유리 건물일체형 태양광 모듈, 경량 태양광 모듈, 광전변환 효율
Description
본 발명은 태양광 모듈에 사용되는 강화유리의 두께를 박막화하여 경량 태양광 모듈을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양광 모듈용 강화유리에 두께 0.5~2mm, 광투과도 85% 이상의 박막 강화유리를 사용함으로써, 기존의 효율은 유지하면서도 태양광 모듈의 중량을 낮추고, 이를 태양광 발전소나 주택용 및 건물일체형 태양광 모듈에 적용함으로써 설치 작업의 용이와 설치비용을 절감할 수 있는 경량 태양광 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
최근 고유가 및 환경문제의 영향으로 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중 태양광전지(solar cell)는 가장 관심을 많이 가지는 분야이다. 태양전지는 태양빛을 전기 에너지로 변환시키는 기술로 반도체에 사용되는 웨이퍼(wafer)를 이용한 결정질 태양전지와 글라스와 같은 기판에 증착기술을 이용하여 반도체 박막을 형성하는 박막형 태양전지로 나눌 수 있다.
결정질 태양전지는 같은 반도체 물질 자체를 기판으로 이용하여 태양전지를 제조한 것으로 효율이 높은 장점이 있으나 너무 고가이기 때문에 대량생산에는 적합하지 않은 단점이 있다. 현재는 결정질 태양전지가 높은 시장점유율을 가지고 있지만 향후 고효율화 및 저가격으로 박막형 태양전지의 시장점유율이 높아질 것으로 예상되고 있다.
도 1은 통상적인 결정질 태양광 모듈의 단면을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 통상적인 태양광 모듈은 태양광이 입사하며 태양전지를 보호하는 역할을 하는 전면 기판(10), 태양전지(30)로 수분, 먼지 등이 침투하는 것을 방지하기 위하여 태양전지(30) 상하로 라미네이트되는 충진재 시트(20) 및 봉지용 백 시트(back sheet, 40)와 알루미늄 프레임을 포함하여 이루어진다.
통상적으로 태양광 모듈에서 상기 전면 기판(10)은 태양전지 및 모듈의 파손을 방지하기 위하여 강화 또는 반강화 유리가 사용되고 있으며, 특히 많은 양의 태양광이 태양전지로 전달되도록 투과율이 높은 저철분 반강화유리를 사용하고 있다. 결정질 태양광 모듈과 박막형 태양광 모듈에는 이와 같은 저철분 반강화유리가 모듈 전면에 사용되고 있으며, 건물일체형 박막 태양광 모듈의 경우에는 전면과 배면 등에 처철분 반강화 유리를 사용하여 제조하고 있다. 그러나 현재와 같이 저철분 반강화 반유리를 사용하여 태양광 모듈을 제조하는 경우에는 유리 두께가 보통 3 ~ 4 mm 정도 되는데, 저철분 강화 유리의 무게만 7~8 kg에 육박하게 된다.
따라서, 결정질 태양광 모듈의 경우 모듈의 총 중량은 15~ 20kg 정도이고, 유리 무게가 전체 중량의 31 ~ 42 % 비중을 차지하게 된다. 또한 모듈에 사용되는 알루미늄 프레임까지 부착되어야 하므로 유리와 알루미늄 프레임 부착 무게는 전체 중량의 40 ~ 51 %를 차지하게 되어 유리 두께 및 중량이 태양광 모듈의 중량에 많은 미치게 된다. 특히, 건물일체형이나 창호형 태양광 모듈은 전면과 더불어 배면까지 유리를 사용하여 제조하는데, 이렇게 제조하는 경우 1100 X 1300(~1400) mm 모듈의 중량은 30 kg 이상의 중량을 갖게 된다.
이상에서와 같이, 현재의 태양광 모듈에서는 전면 기판으로 사용하는 유리의 중량이 너무 무거워, 설치 작업이 용이하지 않으며 태양광 모듈 설치를 위한 지반 공사 및 주택 공사의 공사비 상승 요인이 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 태양광 모듈용 강화유리에 두께 0.5~2mm, 광투과도 85% 이상의 박막 강화유리를 사용함으로써, 기존의 효율은 유지하면서도 태양광 모듈의 중량을 낮추고, 이를 태양광 발전소나 주택용 및 건물일체형 태양광 모듈에 적용함으로써 설치 작업의 용이와 설치비용을 절감할 수 있는 경량 태양광 모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 두께 0.5~2.0mm, 광투과도 85% 이상, 영 모듈러스(Young's Modulus) 71.7 GPa, 전단 모듈러스(Shear Modulus) 29.7 GPa 이상의 박막 강화유리를 제공하는 단계, 상기 박막 강화유리 위에 충진재 시트를 펼쳐놓은 다음 그 위에 태양전지 레이아웃을 형성하고, 각각의 태양전지를 전극리본으로 연결하는 단계, 상기 태양전지 레이아웃 위에 충진재 시트와 백시트를 덮은 후 라미네이션을 실시하는 단계 및 상기 태양광 모듈에 알루미늄 프레임을 부착하는 단계를 포함하는 결정질 태양광 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은, 두께 0.5~2.0mm, 광투과도 85% 이상, 영 모듈러스 71.7 GPa, 전단 모듈러스 29.7 GPa 이상의 박막 강화유리에 투명전극을 형성하는 단계, 상기 투명전극 위에 광흡수층을 형성하고 그 위에 후면전극을 형성하는 단계, 상기 후면전극이 형성된 광흡수층 위에 충진재 시트 및 백 시트를 덮은 후 라미네이션을 실시하는 단계 및 상기 태양광 모듈에 알루미늄 프레임을 부착하는 단계를 포함하는 박막형 태양광 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상은, 두께 0.5~2.0mm, 광투과도 85% 이상, 영 모듈러스 71.7 GPa, 전단 모듈러스 29.7 GPa 이상의 박막 강화유리에 투명전극을 형성하는 단계, 상기 투명전극 위에 광흡수층을 형성하고 그 위에 후면전극을 형성하는 단계, 상기 후면전극이 형성된 광흡수층 위에 충진재 시트를 덮은 후 그 위에 다시 상기 박막 강화유리를 배열하고 라미네이션을 실시하는 단계 및 상기 태양광 모듈에 알루미늄 프레임을 부착하는 단계를 포함하는 건물일체형 박막 태양광 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 태양광 모듈의 제조방법은, 태양광 모듈용 강화유리에 두께 0.5~2mm, 광투과도 85% 이상의 박막 강화유리를 사용함으로써, 기존의 효율은 유지하면서도 태양광 모듈의 중량을 낮추고, 이를 태양광 발전소나 주택용 및 건물일체형 태양광 모듈에 적용함으로써 설치 작업의 용이와 설치비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하에서 도면 및 실시예 등을 참고하여 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 다만 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 목적일 뿐, 본 발명이 여기에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 하나의 양상은, 두께 0.5~2.0mm, 광투과도 85% 이상, 영 모듈러스 71.7 GPa, 전단 모듈러스 29.7 GPa 이상의 박막 강화유리를 제공하는 단계, 상기 박막 강화유리 위에 충진재 시트를 펼쳐놓은 다음 그 위에 태양전지 레이아웃을 형성하고, 각각의 태양전지를 전극리본으로 연결하는 단계, 상기 태양전지 레이아웃 위에 충진재 시트와 백시트를 덮은 후 라미네이션을 실시하는 단계 및 상기 태양광 모듈에 알루미늄 프레임을 부착하는 단계를 포함하는 결정질 태양광 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 제조방법에 있어서, 상기 강화 유리란 판유리를 고온상태에서 표면부를 급랭시켜, 표면부는 압축변형시키고 내부는 인장변형시킨 유리를 말한다. 이러한 강화유리는 보통유리에 비해 휨강도는 3~5배, 내충격은 5~8배 강하며, 내열강도(열충격저항)도 일반유리(약 80℃)보다 2배 이상(약 180℃) 강하며, 광투과도도 우수하다.
본 발명에 따른 제조방법에서 사용되는 상기 강화유리의 두께는 약 0.5~2mm 정도가 바람직한데, 강화유리의 두께가 0.5 mm 미만이면 작은 충격으로도 파손될 염려가 있으며, 2 mm를 초과하게 되면 태양광 모듈 중량감소의 효과가 미미하게 된 다. 또한, 강화유리의 광투과도는 높을수록 바람직하나, 약 85% 이상만 되면 태양전지용으로 사용하는데 무리가 없다.
본 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에서 사용되는 상기 태양전지는 통상적인 기판형 실리콘 태양전지를 제한없이 사용할 수 있으며, 단결정실리콘 웨이퍼를 이용하여 제조하거나, 다결정실리콘 웨이퍼를 이용하여 제조할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 제조방법에 있어서, 태양전지를 보호하고 수분이나 먼지 등의 침투를 방지하기 위하여 봉지용(encapsulation)으로 충진제 시트 및 백 시트(back sheet)를 사용한다. 상기 충진재 시트로는 투명하여 빛 투과율이 우수하고 접착력이 좋은 에틸렌비닐아세테이트(EVA) 시트를 사용하는 것이 바람직하다. 상기 백 시트로는 PVF(Poly-Vinyl Floride)필름, PET(Poly-Ethylene Terephthalate)필름, PVF 필름이 순서대로 적층되어 샌드위치 구조로 형성된 TPT가 일반적으로 사용된다. 또한 TPT 구조의 PVF를 PVDF(Poly-VinyliDene Floride)로 대체할 수도 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 결정질 태양광 모듈의 제조방법을 설명하면, 먼저 상기 0.5~2 mm 두께의 박막 강화유리를 세정한 후 그 위에 상기 충진재 시트를 펼쳐 놓는다. 이어서, 태양전지(실리콘 웨이퍼)를 소정의 레이아웃에 따라 배치시킨 후 각각의 태양전지를 전극 리본으로 연결한다. 이어서, 그 위에 충진재 시트와 배면 백 시트를 덮고 라미네이션을 실시한다. 공정온도는 라미네이션 필름에 따라 다르나 일반적으로 약 120~150℃에서 약 1.5~2시간 정도 열경화시켜 제조한다.
그 후, 모듈 전체의 강도를 높이기 위하여 알루미늄 등으로 만든 프레임을 끼워서 모듈을 완성하게 된다.
본 발명의 또 하나의 양상은, 두께 0.5~2.0mm, 광투과도 85% 이상, 영 모듈러스 71.7 GPa, 전단 모듈러스 29.7 GPa 이상의 박막 강화유리에 투명전극을 형성하는 단계, 상기 투명전극 위에 광흡수층을 형성하고 그 위에 후면전극을 형성하는 단계, 상기 후면전극이 형성된 광흡수층 위에 충진재 시트 및 백 시트를 덮은 후 라미네이션을 실시하는 단계 및 상기 태양광 모듈에 알루미늄 프레임을 부착하는 단계를 포함하는 박막형 태양광 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
상기 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 박막형 태양광 모듈의 제조방법은 아래에서 설명하는 내용을 제외하고는 전술한 결정질 태양광 모듈의 제조방법과 동일하다.
상기 본 발명의 일 구현예에 따른 박막형 태양광 모듈의 제조방법은, 상기 박막 강화유리 위에 직접 전면 투명전극을 형성한 후 그 위에 광흡수층 및 후면전극을 차례로 형성한다. 상기 투명전극의 소재로는 현재 상업화된 불소 도핑된 이산화주석(SnO2:F)가 주로 사용되고 있으나, 불소 도핑된 이산화주석은 플라즈마에 쉽게 환원되는 성질이 있어 최근에는 알루미늄 도핑된 산화아연이나, 붕소 도핑된 산화아연이 많이 사용되고 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 양면 박막실리콘 태양전지 모듈에서, 상기 광흡수층의 증착은 주로 화학기상 증착법(chemical vapor deposition : CVD)을 사용하여 실시한다. CVD 방법은 다양하게 개발되어 있으며, 태양전지에는 주로 라디오 주파수를 이용한 RF PECVD가 주로 사용된다.
상기 광흡수층은 빛이 입사하는 측으로부터 P층, I층, N층이 차례로 적층되며, 상기 광흡수층의 물질로는 비정질 실리콘, 마이크로 실리콘, 탄뎀형 실리콘, 실리콘게르마늄 등을 사용할 수 있다. P층은 모노실란(SiH4), 수소(H2)가스 및 밴드갭을 높이기 위한 메탄(CH4)이 주로 사용되며 도핑물질로는 디보란(B2H6)이 주로 사용된다. I층은 진성층으로 도핑을 하지 않고 모노실란과 수소가스만 사용되며, N층은 모노실란(SiH4), 수소(H2)가스 및 포스핀(PH3)가스를 사용하여 제조된다.
이어서, 레이저 스크라이빙 장치로 패터닝한 후 후면전극을 알루미늄(Al)이나 은(Ag)을 스퍼터(Sputter)나 이베퍼레이터(Evaporator)를 이용하여 증착하여 형성한다. 또한, 상기 후면전극은 스퍼터나 이베퍼레이터를 사용하지 않고, 실버페이스트나 알루미늄페이스트를 사용해서도 적용 가능하다.
특히, 박막형 태양전지의 경우에는 후면전극으로 사용하는 산화아연이나 은 등이 표면이나 입자 경계에서 수분을 흡수하기 쉽다. 이 경우 저항이 늘어나, 곡선인자가 감소하여 효율이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 박막 태양전지의 봉지를 잘해서 수분 침투를 막는 것이 장기 신뢰성 확보를 위해서 매우 중요하다. 따라서, 본 발명의 일 구현예에 따른 상기 박막형 태양광 모듈의 제조방법에서는 내습성의 향상을 위해서 통상적인 TPT 구조의 백 시트 대신 특별히 알루미늄 포일(Al foil)이 삽입되어 있는 백 시트를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 양상은, 두께 0.5~2.0mm, 광투과도 85% 이상, 영 모듈러스 71.7 GPa, 전단 모듈러스 29.7 GPa 이상의 박막 강화유리에 투명전극을 형성하 는 단계, 상기 투명전극 위에 광흡수층을 형성하고 그 위에 후면전극을 형성하는 단계, 상기 후면전극이 형성된 광흡수층 위에 충진재 시트를 덮은 후 그 위에 다시 상기 박막 강화유리를 배열하고 라미네이션을 실시하는 단계 및 상기 태양광 모듈에 알루미늄 프레임을 부착하는 단계를 포함하는 건물일체형 박막 태양광 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
상기 본 발명의 일 구현예에 따른 건물일체형 박막 태양광 모듈의 제조방법에 있어서는, 후면에 백 시트를 사용하는 대신 박막 강화유리를 사용하는 것을 제외하고는 상기 박막형 태양광 모듈의 제조방법과 동일하다.
이하에서는 다음과 같이 구체적인 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명할 것이나, 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
[실시예1] 박막 강화유리를 사용한 결정질 태양광 모듈 제조
먼저 0.5 mm 두께의 박막 강화유리(제조사 한글라스)를 세정한 후에, 에틸비닐아세테이트(EVA)로 이루어진 충진재 시트를 놓고 태양전지 레이아웃을 형성하였다. 이어서, 각각의 태양전지를 전극리본으로 연결한 후, 다시 충진재 시트와 배면 백시트(PET 계열)를 놓고 140℃에서 20분간 라미네이션을 실시하였다. 이어서, 알루미늄으로 제작된 알루미늄 프레임을 끼워서 묘듈을 완성하였다. 제조된 모듈의 특성을 하기 표1에 도시하였다.
[실시예2] 박막 강화유리를 사용한 박막형 태양광 모듈 제조
먼저, 상기 실시예 1의 박막 강화유리에 알루미늄 도핑된 산화아연(Al doped ZnO) 투명전극을 상온~400℃, 300~500W, 0.3 Pa 조건에서 형성하였다. 이어서, 투명 전극이 형성된 박막 강화유리에 CVD 장비를 이용하여 광흡수층을 형성한 후 레이저 스크라이빙 장치로 패터닝을 실시하였다. 이어서, 그 위에 투명전극 형성과 동일한 조건하에 알루미늄으로 이루어진 후면전극을 형성하였다. 이어서, 충진재(EVA) 시트와 PET 계열의 백시트를 놓고 라미네이션을 실시한 후 알루미늄 프레임을 끼워 모듈을 완성하였다.
[실시예3] 박막 강화유리를 사용한 건물일체형 박막 태양광 모듈 제조
실시예 2의 백 시트 대신 박막 강화유리를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 조건으로 태양광 모듈을 제조하였다.
[비교예1] 종래의 반강화 유리를 사용한 결정질 태양광 모듈 제조
종래의 4mm 두께의 저철분 반강화 유리를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 태양광 모듈을 제조하였다.
[비교예2] 종래의 반강화 유리를 사용한 박막형 태양광 모듈 제조
종래의 4mm 두께의 저철분 반강화 유리를 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 태양광 모듈을 제조하였다.
[비교예3] 종래의 반강화 유리를 사용한 건물일체형 박막 태양광 모듈 제조
종래의 4mm 두께의 저철분 반강화 유리를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 태양광 모듈을 제조하였다.
또한, 본 발명의 실시예 및 비교예에서 사용된 유리의 광투과율을 도 2에 도시하였다.
[표 1] 유리종류에 따른 태양광 모듈별 특성 비교
상기 [표1]에서 나타난 것과 같이 [실시예1]은 [비교예1]에 비하여 50% 이상수준의 태양광 모듈 중량 감소가 측정되었다. [실시예2]는 [비교예2]과 동일 조건으로 태양광 모듈을 제조하였는데, [비교예 2]와 비교하여 30~40% 수준의 중량 감소의 결과를 보였다. 또한, [실시예3]은 전면과 배면을 박막 강화유리를 사용하여 제조한 태양광 모듈로서, [비교예3]과 비교하여 60 % 이상 수준의 중량 감소가 측정되었다. 한편, 광전변환 효율 측면에서도 본 발명에 따른 제조방법에 의하여 제조된 실시예 1 내지 실시예 3의 태양광 모듈이 비교예 1 내지 비교예 3의 종래의 태양광 모듈에 비하여 우수함을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.
도 1은 통상적인 결정질 태양광 모듈의 단면도이다.
도 2는 유리별 광투과율을 도시한 그래프이다.
Claims (3)
- 두께 0.5~2.0mm, 광투과도 85% 이상, 영 모듈러스 71.7 GPa, 전단 모듈러스 29.7 GPa 이상의 박막 강화유리를 제공하는 단계;상기 박막 강화유리 위에 충진재 시트를 펼쳐놓은 다음 그 위에 태양전지 레이아웃을 형성하고, 각각의 태양전지를 전극리본으로 연결하는 단계;상기 태양전지 레이아웃 위에 충진재 시트와 백시트를 덮은 후 라미네이션을 실시하는 단계; 및상기 태양광 모듈에 알루미늄 프레임을 부착하는 단계를 포함하는 결정질 태양광 모듈의 제조방법.
- 두께 0.5~2.0mm, 광투과도 85% 이상, 영 모듈러스 71.7 GPa, 전단 모듈러스 29.7 GPa 이상의 박막 강화유리에 투명전극을 형성하는 단계;상기 투명전극 위에 광흡수층을 형성하고 그 위에 후면전극을 형성하는 단계;상기 후면전극이 형성된 광흡수층 위에 충진재 시트 및 백 시트를 덮은 후 라미네이션을 실시하는 단계; 및상기 태양광 모듈에 알루미늄 프레임을 부착하는 단계를 포함하는 박막형 태양광 모듈의 제조방법.
- 두께 0.5~2.0mm, 광투과도 85% 이상, 영 모듈러스 71.7 GPa, 전단 모듈러스 29.7 GPa 이상의 박막 강화유리에 투명전극을 형성하는 단계;상기 투명전극 위에 광흡수층을 형성하고 그 위에 후면전극을 형성하는 단계;상기 후면전극이 형성된 광흡수층 위에 충진재 시트를 덮은 후 그 위에 다시 상기 박막 강화유리를 배열하고 라미네이션을 실시하는 단계; 및상기 태양광 모듈에 알루미늄 프레임을 부착하는 단계를 포함하는 건물일체형 박막형 태양광 모듈의 제조방법.
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