KR20120032692A - 광전지 모듈용 커버기판 및 이를 구비하는 광전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광전지 모듈용 커버기판으로서, 광입사면이 양각 어레이 패턴을 갖되, 상기 양각 어레이 패턴은 그 단면이 삼각형 어레이 패턴 또는 사다리꼴 어레이 패턴을 이루고, 상기 삼각형 및 사다리꼴은 45±5도의 밑각을 갖고, 상기 커버기판의 두께는 2.9~3.65mm인 것을 특징으로 하는 광전지 모듈용 커버기판을 제공한다. 바람직하게는, 상기 양각 어레이 패턴의 높이는 150±20㎛이다. 바람직하게는, 상기 양각 어레이 패턴은, i) 프리즘 어레이 패턴, ii) 밑면과 평행한 면을 절단면으로 하여 상부를 잘라낸 프리즘 어레이 패턴, iii) 사각뿔 어레이 패턴, iv) 사각뿔대 어레이 패턴, v) 육각뿔 어레이 패턴 또는 vi) 육각뿔대 어레이 패턴이다. 또한, 본 발명은 상기 광전지 모듈용 커비기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈을 제공한다.

Description

광전지 모듈용 커버기판 및 이를 구비하는 광전지 모듈{COVER SUBSTRATE FOR PHOTOVOLTAIC MODULE AND PHOTOVOLTAIC MODULE HAVING THE SAME}

본 발명은 커버기판 및 이를 구비하는 광전지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광입사면에 양각 어레이 패턴을 갖는 커버기판 및 이를 구비하는 광전지 모듈에 관한 것이다.

최근 에너지 자원 부족과 환경오염의 대책으로 고효율 광전지 모듈의 개발이 대규모로 이루어지고 있다. 광전지 모듈은 광에너지, 예컨대 태양에너지를 직접 전기로 변환시키는 광 발전의 핵심소자이다.

광전지 모듈(Photovoltaic Module)의 경우 보호를 위한 목적으로 사용되는 커버기판, 예컨대 커버글라스의 투과율은 광전지 모듈의 효율에 영향을 주게 된다. 따라서, 글라스 조성비를 이용하여 내부 흡수율을 최소화하거나, 코팅에 의하여 투과율을 향상시키는 등 투과율 향상을 위하여 많은 개발이 진행 되고 있다. 한편, 커버기판에 패턴을 형성하여 투과율 향상을 기대 할 수 있는데, 커버기판의 상면(광입사면)에 2D 어레이 패터닝(Array Patterning)을 하는 경우 오염에 의한 투과율 감소가 심각하므로, 커버기판의 하면에 패터닝을 하여 커버기판의 광 투과율을 향상 시키고자 하는 시도가 있어 왔다.

도 1은 종래의 결정질 실리콘 광전지 모듈의 일 예를 보여주는 도면이다.

광전지 모듈을 이루는 최소단위를 광전지 셀이라고 한다. 그러나, 실제로 광전지 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없다. 광전지 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작아, 요구되는 수 V ~ 수십 혹은 수백 V이상을 만들기 위해서는 광전지 셀을 몇 개나 몇 십 개 직렬로 연결하여야 하기 때문이다. 또한, 야외에서 사용할 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처해지기 때문에, 접속된 다수의 광전지 셀을 보호할 필요가 있다. 이와 같은 이유에서 복수의 광전지 셀을 패키지로 한 것을 광전지 모듈이라 한다. 또, 이 광전지 모듈을 복수 개로 이어서 용도에 맞게 제작한 것을 광전지 어레이라 칭하고 있다.

도시한 바와 같이, 광전지 모듈은 일반적으로 광전지 셀(200), 인터커넥터(금속리본)(400), 커버기판(100), 충진재(500), 백시트(300), 씰(Seal)재(700) 및 프레임(600)을 포함한다.

커버기판(100)은, 대부분의 경우 유리가 사용되고 있으며, 일부 아크릴, 폴리카보네이트, 불소수지, 등의 합성수지가 이용되고 있는 예가 있지만, 우주용 혹은 민생용으로 한정되어 있다. 전력용에서는 수십 년의 신뢰성을 요구하기 때문에 그것을 만족하는 것은 현재로는 유리로 압축되어 있기 때문이다. 커버기판은 글라스 자체의 반사 손실을 최대한 줄이기 위하여 표면 반사율이 낮은 저철분 강화 유리를 주로 사용한다.

충진재(500)로서는 실리콘 수지, PVB, EＶA가 사용될 수 있다. 그러나, 실리콘 수지 및 PVB의 단점으로 인하여, 최근에는 EVA가 많이 이용되고 있다. 하지만, EVA도 장기간 자외선에 노출될 경우 변색되고 방습성이 떨어지는 등의 문제점 때문에 재검토되고 있다. EVA는 깨지기 쉬운 광전지 셀을 보호하는 역할을 한다.

백시트(300)의 재료는 PVF가 대부분이지만, 그밖에 폴리에스테르, 아크릴, 등도 사용되고 있다. PVF의 내습성을 높이기 위해 PVF에 알루미늄 호일을 씌우거나, 폴리에스테르를 씌우거나 한 샌드위치 구조를 취하고 있다. 백시트 재료에 유리를 이용한 더블 글라스 타입은 다소 오래된 타입이라고 생각할 수 있지만, 현재에도 유럽을 위주로, 일부 미국에서도 사용되고 있다.

씰재(700)는 실리콘 실란트, 폴리우레탄, 폴리 설파이드, 부틸고무, 등이 사용될 수 있지만, 신뢰성 면에서 부틸고무가 자주 사용되고 있다.

프레임(600)은 통상 표면 산화한 알루미늄이 사용되지만, 민생용 등에서는 고무를 사용하고 있는 예도 있다.

하면에 패턴을 가진 커버기판을 광전지 모듈에 적용 할 경우, 커버기판의 하면에 글라스의 굴절률과 차이가 적은 EVA가 접착되므로, 실질적인 광전지 모듈의 효율 향상에는 기여하지 못하게 되는 단점이 있다.

따라서 실질적으로 광전지 모듈의 효율 향상에 기여할 수 있는 방안이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은, 오염에 의한 투과율 감소를 최소화할 수 있는 커버기판을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 커버기판의 투과율을 최대화시킴으로써, 종국적으로 광전지 모듈의 효율을 극대화하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광전지 모듈용 커버기판으로서, 광입사면이 양각 어레이 패턴을 갖되, 상기 양각 어레이 패턴은 그 단면이 삼각형 어레이 패턴 또는 사다리꼴 어레이 패턴을 이루고, 상기 삼각형 및 사다리꼴은 45±5도의 밑각을 갖고, 상기 커버기판의 두께는 2.9~3.65mm인 것을 특징으로 하는 광전지 모듈용 커버기판을 제공한다.

바람직하게는, 상기 양각 어레이 패턴의 높이는 150±20㎛이다.

바람직하게는, 상기 양각 어레이 패턴은, i) 프리즘 어레이 패턴, ii) 밑면과 평행한 면을 절단면으로 하여 상부를 잘라낸 프리즘 어레이 패턴, iii) 사각뿔 어레이 패턴, iv) 사각뿔대 어레이 패턴, v) 육각뿔 어레이 패턴 또는 vi) 육각뿔대 어레이 패턴이다.

또한, 본 발명은 상기 광전지 모듈용 커비기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈을 제공한다.

상기한 구성에 따르면, 본 발명은 오염에 의한 투과율 감소를 최소화할 수 있는 커버기판을 제공할 수 있는 효과가 있다. 커버기판의 상면에 패턴을 형성하는 것은 투과율 향상에 영향이 매우 좋다. 문제는 외부 환경에 의하여 표면이 오염이 되었을 때 문제가 발생하게 된다. 상면에 양각 패턴을 사용하는 경우 오염 문제를 줄일 수 있다. 따라서 커버기판의 투과율을 향상시키면서도, 커버기판의 상면의 오염에 의한 효율 저하를 방지할 수 있게 된다.

더 나아가, 본 발명은 커버기판의 투과율이 두께에 큰 영향을 받음을 밝혀 내고, 커버기판의 최적 두께를 제시하여 투과율을 최대화시킴으로써, 종국적으로 광전지 모듈의 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 광전지 모듈의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 광전지 모듈에서 수반되는 광 손실을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명이, 커버기판의 상면에서 야기되는 프레넬 손실을 저감시키는 원리를 보여주는 개념도이다.
도 4는 본 발명이, 하방으로부터 커버기판의 상면으로 반사되어 나오는 광을 다시 회수하여 광 효율을 향상시키는 원리를 보여주는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 커버기판의 양각 어레이 패턴의 각부 치수를 설명하기 위한 참고도이다.
도 6 내지 도 23은 본 발명의 커버기판의 양각 어레이 패턴의 다양한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 24는 팔각뿔 어레이 패턴의 커버기판 점유율을 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 도 20의 커버기판에 있어 두께 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 광전지 모듈에서 수반되는 광 손실을 설명하기 위한 도면이다.

도시한 바와 같이, 커버기판에 빛이 입사 될때 표면에서의 프레넬(Fresnel) 반사에 의한 손실이 있게 되는데 이러한 프레넬 손실을 최소화 하고자 한다. 커버기판의 하면에서의 프레넬 반사는 광전지 모듈의 경우 EVA와 접착되는 부분으로 프레넬 손실은 무시 될 수 있다.

또한 Si 표면에서 반사되어 손실되는 광도 최소화할 것이 요구 된다. 실제 EVA 하부에 여러 계면이 존재하게 되는데 이러한 계면들에서 다양한 반사가 일어나고 이러한 반사광들은 커버기판의 상면에서 굴절되어 손실이 발생하게 된다.

따라서 광전지 모듈의 효율 향상을 위한 최적 조건은 커버기판의 상면에서 반사되는 반사광의 양을 최소화함과 동시에, 커버기판을 투과한 후 하부의 여러 계면에서 반사되어 다시 커버기판의 상면에 도달한 광을 반사 또는 전반사 시킴으로 손실 광을 재 활용하는 것이다.

도 3은 본 발명이, 커버기판의 상면에서 야기되는 프레넬 반사에 의한 손실을 저감시키는 원리를 보여주는 개념도이다.

본 발명은 커버기판의 상면에 양각 어레이를 패터닝하여, 프레넬 반사를 최소화함과 아울러, 오염문제를 제거 할 수 있다.

도시한 바와 같이, 광입사면인 상면에 형성된 양각 어레이 패턴의 삼각형 단면의 빗변에서 두 번 반사가 일어나게 되는데 커버기판의 굴절률이 1.5라면 한번 반사에 4% 손실이 일어나고 두 번 반사에 의해서는 4% X 4%로부터 실제 손실량은 0.16%가 되어 패턴이 없는 경우와 대비할 때, 3.84% 투과율 상승 효과가 나타난다.

도 4는 본 발명이, 하방으로부터 커버기판의 상면으로 반사되어 나오는 광을 다시 회수하여 광 효율을 향상시키는 원리를 보여주는 개념도이다.

커버기판의 하부 여러 경계면에서 반사된 손실 광은 삼각형 단면 빗변에서 반사 또는 전반사에 의하여 다시 재활용 된다.

도 5는 본 발명의 커버기판의 양각 어레이 패턴의 각부 치수를 설명하기 위한 참고도이다.

양각 어레이 패턴은 그 단면이 삼각형 어레이 패턴 또는 사다리꼴 어레이 패턴을 가질 때, 최대 투과율을 얻을 수 있다.

상기 삼각형 또는 사다리꼴은 이등변 삼각형 또는 등변 사다리꼴일 수 있는데, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 삼각형 및 사다리꼴의 밑각(θ)이 45±5도의 조건을 만족할 때, 높은 투과율을 얻을 수 있다. 특히, 45도 일때 최대 투과율을 기대할 수 있다.

따라서 패턴의 높이는 주어진 a에 대하여 밑각이 45±5도가 되도록 선택 한다. b와 c는 최소화 할 수록 투과율 상승이 기대 되며 0의 값을 가질 수 있다. 제작이 허용된 최소값을 선택 한다.

커버기판의 상면 상에 반사방지층을 형성하는 것은, 투과율 향상에 긍정적으로 작용한다.

도 6 내지 도 23은 본 발명의 커버기판의 양각 어레이 패턴의 다양한 실시예를 보여주는 도면이다.

도 6 및 도 7은 프리즘 어레이 패턴 및 프리즘 어레이 패턴을 이루는 단위체를 보여주는 도면이다. 도 6의 프리즘 어레이 패턴은 b가 0보다 큰 값을 갖는다.

도 8 및 도 9는 밑면과 평행한 면을 절단면으로 하여 상부를 잘라낸 프리즘 어레이 패턴 및 그 패턴을 이루는 단위체를 보여주는 도면이다. 도 8의 패턴은 b 및 c가 0보다 큰 값을 갖는다.

이 밖에, 본 발명의 양각 어레이 패턴은 각뿔 어레이 패턴, 각뿔대 어레이 패턴, 원뿔 어레이 패턴 또는 원뿔대 어레이 패턴을 가질 수 있다.

도 10 및 도 11은 사각뿔 어레이 패턴 및 그 패턴을 이루는 단위체를 보여주는 도면이다. 도 10의 패턴은 b가 0보다 큰 값을 갖는다.

도 12 및 도 13은 사각뿔대 어레이 패턴 및 그 패턴을 이루는 단위체를 보여주는 도면이다. 도 12의 패턴은 b 및 c가 0보다 큰 값을 갖는다.

도 14 및 도 15는 육각뿔 어레이 패턴 및 그 패턴을 이루는 단위체를 보여주는 도면이다. 도 14의 패턴은 b가 0보다 큰 값을 갖는다.

도 16 및 도 17은 육각뿔대 어레이 패턴 및 그 패턴을 이루는 단위체를 보여주는 도면이다. 도 16의 패턴은 b 및 c가 0보다 큰 값을 갖는다.

도 18은 프리즘 어레이 패턴을 보여주는 도면이다. 도 18의 프리즘 어레이 패턴은 b가 0의 값을 갖는다.

도 19는 밑면과 평행한 면을 절단면으로 하여 상부를 잘라낸 프리즘 어레이 패턴을 보여주는 도면이다. 도 19의 패턴은, b가 0이고, c가 0보다 큰 값을 갖는다.

도 20은 사각뿔 어레이 패턴을 보여주는 도면이다. 도 20의 패턴은 b가 0의 값을 갖는다.

도 21은 사각뿔대 어레이 패턴을 보여주는 도면이다. 도 21의 패턴은 b가 0이고, c가 0보다 큰 값을 갖는다.

도 22는 육각뿔 어레이 패턴을 보여주는 도면이다. 도 22의 패턴은 b가 0의 값을 갖는다.

도 23은 육각뿔대 어레이 패턴을 보여주는 도면이다. 도 23의 패턴은 b가 0이고, c가 0보다 큰 값을 갖는다.

각뿔 어레이 패턴 및 각뿔대 어레이 패턴 중, 사각뿔 어레이 패턴, 육각뿔 어레이 패턴, 사각뿔대 어레이 패턴 및 육각뿔대 어레이 패턴이 바람직하다. 이들 패턴들은 예컨대 팔각뿔 어레이 패턴 및 팔각뿔대 어레이 패턴과 대비하여 패턴의 커버기판의 상면 점유율을 크게 가져갈 수 있으므로, 투과율 향상에 긍정적이다. 이는 도 24로부터 명확해질 것이다.

육각뿔 어레이 패턴 또는 육각뿔대 어레이 패턴은, 입사광이 여러 방향에서 입사하게 되는 광전지 모듈에 적합할 수 있다.

육각뿔 어레이 패턴 또는 육각뿔대의 어레이 패턴은 커버기판의 상면 점율을 최대화 시키기 위하여, 도 22 및 도 23에 도시한 바와 같이, 허니콤(Honeycomb) 형태로 배열되는 것이 투과율 향상에 긍정적일 수 있다.

양각 어레이 패턴은 빗물 등이 잘 흘러 내리도록 배열하는 것이 바람직하다. 즉, 양각 어레이 패턴을 이루는 단위체들은, 수평 방향에 대하여 0도보다는 크고 90도 이하의 기울기를 갖는 방향을 따라 경계를 이루는 것이 바람직하다. 예컨대 도 6의 프리즘은 그 길이 방향이 수평 방향과 소정의 각을 갖는 것이 바람직하고 (즉, 그 길이 방향이 수평 방향이 되지 않도록 하는 것이 바람직하고), 90도일때, 빗물 배출이 가장 원활하여 오염 제거에 효과적일 것이다.

지금까지 본 발명의 일 특징을 이루는 양각 어레이 패턴에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 보다 핵심적인 특징은 커버기판의 두께에 있다.

기존의 커버 기판의 투과율 향상은, 대부분 패턴의 형상이나 치수에 모든 개발 노력이 집중되어 왔다. 도 5 내지 도 23과 관련하여 설명한 본 발명의 양각 어레이 패턴도 이러한 개발 노력의 연장 선상에 놓여 있다.

그러나, 본 발명의 보다 핵심적인 특징은 이러한 양각 어레이 패턴에 의한 투과율 향상이 커버기판의 두께 최적화에 의하여 극대화된다는 점에 있다.

커버기판의 패턴의 형상과 각부 수치는 이론적으로는 다양한 변화를 가져갈 수 있는 것으로 비춰지나, 실제 제조 현장에서는 여러 가지 제약으로 인하여 변화가 어려운 것이 현실이다. 예컨대, 이론적으로 양각 어레이 패턴의 높이는 전적으로 설계자의 자유 선택 사항인 것으로 보일 수 있으나, 실제 제조 현장에 있어서는, 가공 가능한 높이 즉 깊이가 제한될 뿐 아니라, 또한 커버기판에 내구성을 해하지 않아야 하는 제한도 받게 된다.

또한, 패턴의 형상 및 각부 수치를 변화시키기 위해서는, 막대한 설비 비용 및 세팅 비용을 요구하고, 이는 커버기판 및 광전지 모듈의 제조 단가의 상승으로 이어지는 문제점을 수반한다.

이에 반하여, 본 발명에서는 양각 어레이 패턴과 함께 커버기판의 두께의 최적화를 통하여 광 투과율을 극대화 시킬 수 있음을 밝혀 내고, 이를 통하여 위와 같은 문제점을 수반하지 않으면서도 투과율 및 그로 인한 광 발전 효율을 극대화 시킬 수 있는 이점을 갖는다.

본 발명의 커버기판은, 상면에 전술한 양각 어레이 패턴을 가짐과 동시에 2.9~3.65mm의 두께를 가질 때, 투과율이 극대화 될 수 있다. 이때, 양각 어레이 패턴의 높이는 150±20㎛가 바람직할 수 있다.

도 25는 도 20의 커버기판에 있어 두께 변화에 따른 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.

투과율 측정을 위하여, ISO 규격에 따른 D65 광원(30mm*30mm)을 사용하여 소다라임 글라스 커버기판(80mm*80mm)에 광을 조사하고, 디텍터(160mm*160mm)로 측정하였다.

a는 371 ㎛, b는 150㎛, c는 50㎛ 그리고 패턴의 높이는 150㎛의 값을 갖는 사각뿔 어레이 패턴을 커버기판의 상면에 형성하고, 커버기판의 두께를 50㎛씩 변화시켜 가면서 투과율 변화를 측정하였다.

표 1은 시뮬레이션 결과를 보여준다.

두께 (mm)	2.9	2.95	3	3.05	3.1	3.15	3.2	3.25
T(%)	92.7	92.9	93.1	93.3	93.6	93.9	94.0	93.9
두께 (mm)	3.3	3.35	3.4	3.45	3.5	3.55	3.6	3.65
T(%)	93.8	93.6	93.5	93.3	93.1	92.9	92.7	92.7

표1과 이를 도식화한 도 25로부터 커버기판의 두께가 2.9~3.65mm 의 값을 가질 때, 투과율이 극대화 됨을 알 수 있다.

이로부터 본 발명은, 광입사면이 양각 어레이 패턴을 갖되, 상기 양각 어레이 패턴은 그 단면이 삼각형 어레이 패턴 또는 사다리꼴 어레이 패턴을 이루고, 상기 커버기판의 두께는 2.9~3.65mm 인 커버기판을 제공하여, 커버기판의 광 투과율을 향상시키고, 종국적으로 광전지 모듈의 광발전 효율을 극대화시킬 수 있게 된다.

Claims (8)

1. 광전지 모듈용 커버기판으로서,
   광입사면이 양각 어레이 패턴을 갖되, 상기 양각 어레이 패턴은 그 단면이 삼각형 어레이 패턴 또는 사다리꼴 어레이 패턴을 이루고, 상기 삼각형 및 사다리꼴은 45±5도의 밑각을 갖고,
   상기 커버기판의 두께는 2.9~3.65mm인 것을 특징으로 하는 광전지 모듈용 커버기판.
2. 제1항에 있어서,
   상기 양각 어레이 패턴의 높이는 150±20㎛인 것을 특징으로 하는 광전지 모듈용 커버기판.
3. 제1항에 있어서,
   상기 양각 어레이 패턴은, i) 프리즘 어레이 패턴, ii) 밑면과 평행한 면을 절단면으로 하여 상부를 잘라낸 프리즘 어레이 패턴, iii) 각뿔 어레이 패턴, iv) 각뿔대 어레이 패턴, v) 원뿔 어레이 패턴 또는 vi) 원뿔대 어레이 패턴인 것을 특징으로 하는 광전지 모듈용 커버기판.
4. 제1항에 있어서,
   상기 양각 어레이 패턴은, i) 프리즘 어레이 패턴, ii) 밑면과 평행한 면을 절단면으로 하여 상부를 잘라낸 프리즘 어레이 패턴, iii) 사각뿔 어레이 패턴, iv) 사각뿔대 어레이 패턴, v) 육각뿔 어레이 패턴 또는 vi) 육각뿔대 어레이 패턴인 것을 특징으로 하는 광전지 모듈용 커버기판.
5. 제4항에 있어서,
   상기 육각뿔 어레이 패턴 또는 육각뿔대의 어레이 패턴은 허니콤(Honeycomb) 형태로 배열된 것을 특징으로 하는 광전지 모듈용 커버기판.
6. 제1항에 있어서,
   상기 양각 어레이 패턴을 이루는 단위체들은, 수평 방향에 대하여 0도보다는 크고 90도 이하의 기울기를 갖는 방향을 따라 경계를 이루는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈용 커버기판.
7. 제1항에 있어서,
   상기 삼각형 또는 사다리꼴은 이등변 삼각형 또는 등변 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 광전지 모듈용 커버기판.
8. 제1항 내지 제7항의 광전지 모듈용 커비기판을 구비하는 것을 특징으로 하는 광전지 모듈.

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