KR20110083527A - 태양광전지 모듈의 제조방법 - Google Patents

태양광전지 모듈의 제조방법 Download PDF

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하이란 궈
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롬 앤드 하아스 컴패니
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Abstract

유리판상에 태양 전지를 형성하고, 적어도 한 액체 봉지제층을 태양 전지와 접촉시킴으로써 태양광전지 모듈을 제조하는 방법이 개시된다. 액체 봉지제는 2종 성분을 포함한다. 제1 성분은 하이드록실 작용기의 평균 수가 폴리머 사슬당 2 내지 25개이고, Mn이 1,000 내지 10,000이다. 제2 성분은 적어도 2개의 평균 작용기를 가지는 폴리이소시아네이트이다. 폴리올내 비말단 하이드록기 그룹 대 폴리이소시아네이트내 이소시아네이트의 몰비는 0.5:1 내지 1:0.5이다.

Description

태양광전지 모듈의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING A PHOTOVOLTAIC MODULE}
본 발명은 태양광전지 모듈 제작에 특히 유용한 액체 봉지제(encapsulant) 및 태양광전지 모듈의 제조방법에 관한 것이다.
태양 전지를 태양광전지 모듈에 봉지하는 방법은 이미 알려졌다. 예를 들어, 미국 공개 제2006/0207646호에 액체 실리콘 봉지제의 사용방법이 개시되었다. 그러나, 아크릴-우레탄 수지를 이같은 목적으로 사용하는 것은 아직 보고되지 않았다.
본 발명에서 다루고자 하는 문제는 태양광전지 모듈 제작에 특히 유용한 액체 봉지제 및 태양광전지 모듈의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은
(a) 유리판상에 태양전지를 형성하고;
(b) 적어도 하나의 액체 봉지제 층을 상기 태양전지와 접촉시키는 단계를 포함하며,
상기 액체 봉지제는
(i) 폴리머 사슬당 하이드록시-작용성 모노머 단위의 평균수가 2 내지 25 이고 Mn이 1,000 내지 10,000인 아크릴 폴리올; 및
(ii) 평균 작용기가 적어도 2개인 폴리이소시아네이트를 포함하고,
여기에서 폴리올내 비말단 하이드록시 그룹 대 폴리이소시아네이트내 이소시아네이트 그룹의 몰비가 0.5:1 내지 1:0.5인,
태양광전지 모듈의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 액체 봉지제는 태양광전지 모듈을 제작하는데 유용하다.
달리 명시되지 않으면, 퍼센트는 중량%이고, 온도는 ℃이다. 모노머의 중량%는 중합 혼합물중 모노머의 총 중량을 기초로 한다. 본 원에 사용된 용어 메트)아크릴"은 아크릴 또는 메타크릴을 의미하고, "(메트)아크릴레이트"는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트를 의미한다. 용어 "(메트)아크릴아미드"는 아크릴아미드(AM) 또는 메타크릴아미드(MAM)를 의미한다. "아크릴 모노머"는 아크릴산(AA), 메타크릴산(MAA), AA 및 MAA의 에스테르, 이타콘산(IA), 크로톤산(CA), 아크릴아미드(AM), 메타크릴아미드(MAM), 및 AM 및 MAM의 유도체, 예를 들면, 알킬 (메트)아크릴아미드를 포함한다. AA 및 MAA의 에스테르에는 알킬, 하이드록시알킬, 포스포알킬 및 설포알킬 에스테르, 예를 들면, 메틸 메타크릴레이트(MMA), 에틸 메타크릴레이트(EMA), 부틸 메타크릴레이트(BMA), 하이드록시에틸 메타크릴레이트(HEMA), 하이드록시에틸 아크릴레이트(HEA), 하이드록시프로필 메타크릴레이트(HPMA), 하이드록시부틸 아크릴레이트(HBA), 메틸 아크릴레이트(MA), 에틸 아크릴레이트(EA), 부틸 아크릴레이트(BA), 2-에틸헥실 아크릴레이트(EHA) 및 포스포알킬 메타크릴레이트(예를 들면, PEM)가 포함되나, 이들에만 한정되지는 않는다.
용어 "비닐 모노머"는 질소 또는 산소와 같은 헤테로원자에 연결된 탄소-탄소 이중결합을 가지는 모노머를 가리킨다. 비닐 모노머의 예에는 비닐 아세테이트, 비닐 포름아미드, 비닐 아세트아미드, 비닐 피롤리돈, 비닐 카프로락탐, 및 장쇄 비닐 알카노에이트, 예컨대 비닐 네오데카노에이트 및 비닐 스테아레이트가 포함되나, 이들에만 한정되지는 않는다.
태양 전지는 광으로부터 전기를 발생하기 위해 사용되는 반도체이다. 태양 전지는 전형적으로 실리콘(결정성, 다결정성 또는 박막), 갈륨 아르세나이드, 구리 인듐 디셀레나이드, 카드뮴 텔루라이드, 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드 및 이들의 혼합물과 같은 반도체 재료로 만들어진다. 태양 전지는 웨이퍼 또는 박막 형태일 수 있는데, 전자는 결정을 절단하여 캐스팅하여 제조되고, 후자는 스퍼터링(sputtering) 또는 화학증착(CVD)에 의해 기판 또는 슈퍼스트레이트(superstrate) 상에 침착시킴으로써 제조된다.
본 발명의 일부 구체예에 있어서, 아크릴 폴리올은 하이드록시 말단 그룹을 가진다. 폴리머 사슬당 하이드록시-작용성 모노머 단위의 평균수는 아크릴 폴리올에 대해 Mn 및 당량(EW)으로부터 산출된 평균값이다(단위/사슬=Mn/EW). 당량은 하이드록시 말단 그룹을 제외한 하이드록실 작용기를 1 몰 함유하는 폴리올의 질량으로 정의된다. 예를 들어, l5 중량% HEMA를 함유하는 폴리올은 EW가 OH 1 몰당 폴리올 876.6 g이다. 폴리올에 대한 하이드록실 수(OH#)가 결정되면, 계산은 다음과 같다: Mn/(56105/0H#). 하이드록실 수는 연쇄 전달제로부터 유도되는 것으로 판단되는 하이드록시 말단 그룹을 제외한 폴리머의 하이드록시-작용성 모노머 함량으로부터 계산된다. OH#=56105/EW. 폴리머 사슬의 실제 분포는 물론 저급 및 고급 하이드록실 작용기를 갖는 사슬을 함유할 것이다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, 폴리머 사슬당 평균 하이드록실 작용기는 적어도 2.5, 바람직하게는 적어도 3, 바람직하게는 적어도 3.5, 바람직하게는 적어도 4이고; 평균 하이드록실 작용기는 10 이하, 바람직하게는 8 이하, 바람직하게는 7 이하, 바람직하게는 6 이하이다.
본 발명의 일부 구체예에 있어서, 아크릴 폴리올의 Mn은 적어도 2,000, 바람직하게는 적어도 2,500, 바람직하게는 적어도 3,000, 바람직하게는 적어도 3,500이다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, 아크릴 폴리올의 Mn은 8,000 이하, 바람직하게는 7,000 이하, 바람직하게는 6,000 이하이다. 일부 구체예에서, Mw/Mn은 1.5 내지 3.5, 또는 2 내지 3이다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, 아크릴 폴리올의 Tg는 -100 ℃ 내지 -40 ℃, 바람직하게는 -80 ℃ 내지 -45 ℃, 바람직하게는 -75 ℃ 내지 -50 ℃이다.
본 발명의 일부 구체예에 있어서, 아크릴 폴리올은 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70%, 바람직하게는 적어도 80%, 바람직하게는 적어도 90%, 바람직하게는 적어도 95%의 아크릴 모노머 중합 잔기를 포함한다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, 아크릴 폴리올은 5 내지 35%, 바람직하게는 8 내지 25%, 바람직하게는 10 내지 20%의 하이드록시-함유 아크릴 모노머 중합 잔기를 포함한다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, 아크릴 폴리올의 Mn은 3,000 내지 5,000이고, 10 내지 20%의 하이드록시-함유 아크릴 모노머 잔기를 가진다. 일부 구체예에서, 하이드록시-함유 모노머는 하이드록시알킬 (메트)아크릴레이트, 바람직하게는 HEMA, HPMA, HBA 및 이들의 조합물로부터 선택되는 것이며; 바람직하게는 HEMA 및/또는 HPMA이다. 일부 구체예에서, 아크릴 폴리올은 65 내지 95%, 바람직하게는 75 내지 92%, 바람직하게는 80 내지 90%의 C4-C12 알킬 (메트)아크릴레이트(들) 중합 잔기를 포함한다; 일부 구체예에서, C4-C12 알킬 (메트)아크릴레이트(들)는 C4-C12 알킬 아크릴레이트(들), 바람직하게는 C4-C1O 알킬 아크릴레이트(들), 바람직하게는 BA 및/또는 EHA이다. 일부 구체예에서, 아크릴 폴리올은 아크릴 모노머 외에 소량의 비닐 모노머 잔기를 함유할 수 있다.
바람직하게, 아크릴 폴리올은 당업계에 주지된 전형적인 개시제를 사용하여 용액 중합으로 제조된다. 바람직하게는, 연쇄 전달제(CTA), 예를 들면, 알콜, 글리콜, 글리콜 알킬 에테르, 머캅토-알콜 또는 머캅토-글리콜; 바람직하게는 알콜, 글리콜 또는 글리콜 알킬 에테르; 바람직하게는 알콜이 사용된다. 일부 구체예에서, 연쇄 전달제는 황을 실질적으로 함유하지 않으며(즉, 0.3% 미만, 또는 0.1% 미만, 또는 0.05% 미만), 아크릴 폴리올은 황을 실질적으로 함유하지 않는다(즉, 100 ppm 미만, 또는 50 ppm 미만, 또는 25 ppm 미만). 중합에 적합한 용매로는, 예를 들면, 알콜, 알킬 에스테르, 글리콜, 글리콜 알킬 에테르, 알데하이드, 케톤 및 에테르가 포함된다. 일부 구체예에서는, 용매가 또한 연쇄 전달제로 작용한다; 연쇄 전달제이기도 한 바람직한 용매는, 예를 들면, 이소프로판올을 비롯한 C1-C6 알콜을 포함한다. 하이드록시 화합물이 연쇄 전달제로 사용되는 경우에, 하이드록시 말단 그룹이 폴리머 사슬의 말단에 직접 결합되는 것으로 판단된다. 알콜, 예를 들면 이소프로판올이 연쇄 전달제로 사용되는 경우, 생성된 삼차 하이드록시 말단 그룹은 하이드록시알킬 (메트)아크릴레이트 및 다른 하이드록시-치환된 모노머 상의 하이드록시 그룹보다 화학적으로 덜 반응성일 것으로 판단된다.
폴리이소시아네이트는 평균 이소시아네이트 작용기가 적어도 2개인 물질이다. 적합한 폴리이소시아네이트의 예로는 이소포론 디이소시아네이트(IPDI), 헥사메틸렌 디이소시아네이트(HDI), 디사이클로헥실 메탄 디이소시아네이트(HMDI), 비스(이소시아네이토메틸)사이클로헥산, 디페닐 메탄 디이소시아네이트(MDI), 톨루엔 디이소시아네이트(TDI), 이들의 이성체 또는 이들의 혼합물을 기반으로 한 것을 들 수 있다. 본 발명의 일부 구체예에서, 폴리이소시아네이트는 지방족 폴리이소시아네이트이다. 폴리이소시아네이트 및 폴리올의 프리폴리머도 또한 본 발명에서 폴리이소시아네이트 성분으로 사용될 수 있다; 폴리이소시아네이트 프리폴리머에 바람직한 Mn은 300 내지 3000, 바람직하게는 500 내지 2000이다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, 폴리이소시아네이트 작용기는 적어도 2.5, 또는 적어도 2.7, 또는 적어도 3이다. 일부 구체예에서, 폴리이소시아네이트는 작용기를 5개 이하, 바람직하게는 4개 이하, 바람직하게는 3개 이하로 가진다.
바람직하게, 비말단 하이드록시 그룹/NCO 그룹의 몰비는 0.75:1 내지 1:0.75, 또는 0.75:1 내지 1:0.9, 또는 0.9:1 내지 1:0.75, 또는 0.9:1 내지 1:0.9, 또는 0.95:1 내지 1:0.9, 또는 0.9:1 내지 1:0.95, 또는 0.95:1 내지 1:0.95, 또는 0.98:1 내지 1:0.98, 또는 0.99:1 내지 1:0.99, 또는 0.995:1 내지 1:0.995로 다양하다.
가교제는 2 이상의 에틸렌성 불포화 그룹을 가지는 모노머이며, 예를 들면, 디비닐방향족 화합물, 디-, 트리- 및 테트라-(메트)아크릴레이트 에스테르, 디-, 트리- 및 테트라-알릴 에테르 또는 에스테르 화합물 및 알릴 (메트)아크릴레이트를 포함할 수 있다. 이러한 모노머의 바람직한 예에는 디비닐벤젠(DVB), 트리메틸올프로판 디알릴 에테르, 테트라알릴 펜타에리스리톨, 트리알릴 펜타에리스리톨, 디알릴 펜타에리스리톨, 디알릴 프탈레이트, 디알릴 말레에이트, 트리알릴 시아누레이트, 비스페놀 A 디알릴 에테르, 알릴 수크로스, 메틸렌 비스아크릴아미드, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 알릴 메타크릴레이트(ALMA), 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(EGDMA), 헥산-1,6-디올 디아크릴레이트(HDDA) 및 부틸렌 글리콜 디메타크릴레이트(BGDMA)가 포함될 수 있다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, 폴리머중 중합 가교제 잔사의 양은 0.2% 이하, 바람직하게는 0.1% 이하, 바람직하게는 0.05% 이하, 바람직하게는 0.02% 이하이다.
본 발명의 조성물은 임의로 다른 성분들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 조성물은 우레탄 형성 반응을 위한 촉매, 예를 들면 디알킬틴 디에스테르; 부착 촉진제; 항산화제 및 광안정제를 포함할 수 있다. 상기 언급된 성분들은 바람직하게는 폴리올 성분에 존재할 수 있지만, 이소시아네이트 그룹과 반응하지 않고 이소사아네이트 중합을 촉매화하지 않는다면 일부가 폴리이소시아네이트 성분내에 포함될 수도 있다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, 조성물은 1.5 중량% 이하, 또는 1.25% 이하, 또는 1% 이하, 또는 0.75% 이하, 또는 0.5% 이하, 또는 0.25% 이하의 광 안정제(들)를 포함한다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 태양광전지 모듈에서, 유리 시트는 태양 전지를 덮어 광이 태양 전지에 부딪치기 전에 유리 시트를 통과하는 태양광전지 모듈을 형성한다. 태양 전지를 (예를 들면, 스퍼터링 또는 CVD에 의해) 유리 시트 상에 직접 형성시킨 다음, 봉지제 물질층을 도포한다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, 태양광전지 모듈은 액체 봉지제 위에 적층된 물질 시트를 추가로 포함한다. 봉지제 층(들) 아래에 위치한 이러한 임의적인 물질층은 강성 또는 가요성일 수 있다. 강성 물질은, 예를 들면, 유리, 합성 폴리머(예를 들면, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 에틸렌 비닐 아세테이트), 금속 시트 등일 수 있다. 본 원 내용에서, 용어 "상부"는 그로부터 광이 이동하여 태양 전지로 도달하는 디렉션(direction)을 가리킨다. 본 발명의 일부 구체예에 있어서, 봉지제를 물질 시트에 적용한 다음, 시트상의 봉지제 층을 태양 전지를 보유한 유리 시트와 접촉시킨다. 대부분의 경우, 태양광전지 모듈은 태양 전지 아래에 절연체 물질을 필요로 한다. 이 절연체 물질은 봉지제 또는 강성 물질일 수 있지만, 단 절연 성능의 기준, 예를 들면, IEC 61215, IEC 61646, UL 746A, UL746B, UL 746C에 명기된 시험 방법을 만족하여야 한다.
본 발명의 일부 구체예에 있어서는, 폴리올 성분 및 이소시아네이트 성분을 태양 전지와 접촉시키기 직전에, 예를 들면, 인-라인 믹서(in-line mixer) 또는 혼합 탱크(mixing tank)에서 혼합하여 액체 봉지제를 형성한다. 상술한 바와 같이, 태양광전지 모듈의 구조 형태에 따라, 혼합 성분은 태양 전지를 가하기 전, 태양 전지가 봉지제 물질의 2층을 형성하기 전 및 후 유리 또는 합성 폴리머 물질에 적용되거나, 또는 유리 또는 합성 폴리머상에 형성된 태양 전지 등에 적용될 수 있다. 바람직하게는, 어셈블된 태양광전지 모듈을, 바람직하게는 60 ℃ 내지 150 ℃에서 1 분 내지 3 시간의 시간동안 가열함으로써 액체 봉지제를 경화시킨다. 시간 및 온도는 이소시아네이트 및 하이드록시 작용기의 종류, 하이드록시/이소시아네이트 비 및 본 분야에 주지된 바와 같은 기타 요인에 따라 달라질 것이다.
실시예
대표적인 중합 과정:
이소프로판올(1137 g)을 질소 세정, 리플럭스 컨덴서, 온도 조절기 및 기계적 교반기가 장착된 4-구 환저 플라스크에 가하고, 82 ℃로 가열하였다. 이소프로판올중의 t-아밀 퍼옥시피발레이트 용액(704 mL, 4.7 중량%)을 첨가하고 나서 2-에틸헥실 아크릴레이트(187 g) 및 하이드록시에틸 메타크릴레이트(33 g)의 혼합물을첨가하였다. 혼합물의 온도를 추가의 가열없이 86 ℃로 상승시켰다. 혼합물을 82 ℃로 냉각한 후, 2-에틸헥실 아크릴레이트(1683 g) 및 하이드록시에틸 메타크릴레이트(297 g)의 혼합물을 180 분간 차차 첨가하였다. 동시에, 이소프로판올중의 t-아밀 퍼옥시피발레이트 용액(704 mL, 4.7 중량%)을 200 분에 걸쳐 첨가하였다. 첨가 완료 후, 혼합물을 82 ℃에서 60 분동안 유지한 후, 이소프로판올중의 t-아밀 퍼옥시피발레이트 용액(16.6 mL, 29.8 중량%)을 첨가하였다. 15 분 후, 또 다른 이소프로판올중의 t-아밀 퍼옥시피발레이트 용액(16.6 mL, 29.8 중량%)을 90 분간 첨가하였다. 용매를 증발시켜 폴리머로부터 제거하였다.
상기 방법에 따라 제조된 폴리머를 하기 표에 기술하였다.
Figure pat00001
슈퍼스페이트를 기반으로 한 박막 모듈의 봉지 절차
상술한 EHA/HEMA 85/15 코폴리머를 화학양론적 양의 HMDI(하이드록시 말단 그룹을 제외한 폴리올의 하이드록시 작용기를 기준으로 1:1 하이드록시/이소시아네이트 몰비)로 가교화하였다. 코폴리머(50 g, OH# 64.5 mg KOH/g), 촉매(디부틸틴 디아세테이트, 0.005 중량%, 0.0025 g) 및 임의적인 광안정제를 진공하에 60 ℃에서 버블이 관찰되지 않을 때까지 혼합하였다. 디사이클로헥실메탄-4,4'-디이소시아네이트(총 7.62 g)를 별도로 탈기시켰다. EHA/HEMA 폴리머 및 이소시아네이트를 함유한 제1 혼합물을 화학양론적 양비로 24 혼합 요소를 구비한 인-라인 정적 믹서에 각각 펌핑하였다. 이 혼합물을 백시트(backsheet)(EVA/PET/Tedlar, Krempel Akasol PTL 3 HR 1000V) 조각 위에 실험실 규모의 패치 코터(미국 펜실바니아 토완다에 소재한 프론티어 인더스트리얼 테크놀로지(Frontier Industrial Technology) 제품)를 이용하여 코팅하였다. 이어, 습윤 백시트를 유리 패널의 후면에 러버 롤러로 적용하여 무정형 실리콘 태양 모듈을 제작하였다. 레이드업 박막 모듈을 알루미늄 프레임에 위치시키고, 오븐에서 30 분간 150 ℃로 경화시켰다.

Claims (6)

  1. (a) 유리판상에 태양전지를 형성하고;
    (b) 적어도 하나의 액체 봉지제 층을 상기 태양전지와 접촉시키는 단계를 포함하며,
    상기 액체 봉지제는
    (i) 폴리머 사슬당 하이드록시-작용성 모노머 단위의 평균수가 2 내지 25 이고 Mn이 1,000 내지 10,000인 아크릴 폴리올; 및
    (ii) 평균 작용기가 적어도 2개인 폴리이소시아네이트를 포함하고,
    여기에서 폴리올내 비말단 하이드록시 그룹 대 폴리이소시아네이트내 이소시아네이트 그룹의 몰비가 0.5:1 내지 1:0.5인,
    태양광전지 모듈의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 아크릴 폴리올에서 하이드록실 작용성 모노머 단위의 평균 수가 폴리머 사슬당 3 내지 6인 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 아크릴 폴리올의 Mn이 3,000 내지 7,000인 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 폴리이소시아네이트가 2 내지 4의 평균 작용기를 갖는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 아크릴 폴리올이 65 내지 95%의 C4-C12 알킬 (메트)아크릴레이트 중합 잔기 및 5 내지 35 중량%의 하이드록시-함유 아크릴 모노머 중합 잔기를 포함하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 아크릴 폴리올의 Mn이 3,000 내지 5,000이고, 하이드록시-함유 아크릴 모노머 잔기가 10 내지 20%인 방법.
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