KR20120078026A - 태양전지 모듈용 백시트 일체형 봉지재 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지 모듈용 백시트 일체형 봉지재 시트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에틸렌 공중합체(11), 폴리에틸렌(12) 및 에틸렌 공중합체(13)가 차례로 적층된 3층 구조의 봉지재 시트(10); 백시트(30); 및 상기 봉지재 시트(10)와 백시트(30) 중간에 합지된 폴리에틸렌(20);으로 이루어진 백시트 일체형 봉지재 시트에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 백시트 일체형 봉지재 시트를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다. 본 발명에 따른 백스트 일체형 봉지제 시트는 내구성, 전기 절연성, 생산성 등이 우수하고, 특히 태양전지 모듈 제조 공정에 적용시 가교 및 경화 공정을 필요로 하지 않으므로, 모듈 제조 공정을 간략화 하고 제조비용을 낮출 수 있다.

Description

태양전지 모듈용 백시트 일체형 봉지재 시트 및 이를 포함하는 태양전지 모듈{Back sheet unified Sealing material sheet for Solar battery module and Solar battery module comprising the same}

본 발명은 공압출된 태양전지 모듈용 봉지재 시트와, 백시트로서 적합한 적층체가 일체형으로 결합된 시트에 관한 것이며, 또한 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것이다.

최근에 환경문제나 에너지 문제 등이 대두되면서 청정 대체에너지원으로서 태양전지가 주목받고 있으며, 이에 대한 연구개발이 활발히 진행되고 있다. 태양전지는 태양광 에너지를 직접 전기로 바꾸는 태양광 발전 시스템의 심장부를 구성하는 것으로서, 단결정, 다결정 또는 비결정 실리콘계 반도체를 이용하여 제조된다. 태양전지 셀은 그대로의 상태로 사용되는 경우는 거의 없고, 일반적으로 수장 내지 수십장의 태양전지 소자를 직렬 또는 병렬로 배선하고, 장기간에 걸쳐 셀을 보호하기 위해 여러 가지 패키징을 하여 유닛화 되어 있다. 이 패키지에 편입되는 유닛을 태양전지 모듈이라고 부른다.

태양전지용 패키징 유닛 중 봉지재로는 주로 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체(EVA)를 이용하고 있으며 투명성, 내열성, 접착성, 내구성 등을 향상시키기 위하여 가교제, 가교보조제, 실란커플링제, UV 안정제 등의 첨가제를 배합하여 사용하고 있다. 봉지재를 사용하여 태양전지 소자를 패키징하기 위해서는 봉지 공정이 필요하다. 봉지 공정은 라미네이터에서 유리 기판, 봉지재 시트, 태양전지 셀, 봉지재 시트, 이면 보호 필름(백시트)의 순서로 적층하고, 가열, 가압하여 봉지재 시트를 가교 및 경화시킴으로써 접착 일체화 후, 봉지재 시트가 완전히 용융한 시점에서 상하방향에서 압력을 주고, 탈기하면서 이루어진다. 이 때 가교제를 포함하는 봉지재 시트는 열에 의해 가교반응이 일어나고, 그 결과 태양전지 셀이 유리 기판과 이면 보호 필름 사이에 합지된 상태의 태양전지 모듈이 제조된다. 이러한 봉지 공정에는 필름을 순서대로 적층하는 번거로운 공정 작업 후, 봉지재 시트를 용융시킴과 동시에 유기 과산화물을 분해시키기 위하여 수분에서 수십분이 소요되며, 이후 압력과 탈기 과정에 있어서도 수분에서 수십분이 소요된다. 이에 따라 태양전지 모듈의 제조에는 많은 인력과 시간이 소요되며, 이는 제조 비용을 상승시키는 중요한 요인이다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 일본 공개특허 제 2000-186441 호에서는 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체(EVA) 대신 불포화 카르복시산의 함량이 4 중량% 이상이고, 융점이 85℃ 이상인 에틸렌-불포화 카르복시산 공중합체 혹은 이의 아이오노머(ionomer)를 봉지재로 제안함으로써 모듈 제조시 가교 및 경화 공정을 생략하고 공정 시간을 단축시킬 수 있었다. 또한, 일본 공개특허 제 2009-248377 호에서는 모듈 제조시간을 단축시키기 위해 에틸렌과 극성 모노머가 공중합된 에틸렌 공중합체를 봉지재로 사용하고 이를 백시트와 일체화시킨 시트를 제안하였는데, 에틸렌 공중합체를 사용한 봉지재의 경우 금속과의 접착성이 좋기 때문에 백시트와 봉지재가 접합되는 부분은 알루미늄(Al) 박막이 라이네이션 되어 있어 시트 제조비용이 상승하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명자들은 태양전지 모듈 제조시 가교 및 경화 공정을 필요치 아니하면서도 시트의 제조 비용을 낮출 수 있는 새로운 봉지재 시트를 개발하고자 노력하였다. 그 결과, 에틸렌 공중합체와 폴리에틸렌이 적층된 봉지재를 이용하고, 또한 봉지재와 백시트의 접합부분에 폴리에틸렌 층을 형성시킨, 백시트 일체형 봉지재 시트를 개발함으로써 본 발명을 완성하였다. 즉, 본 발명은 시트의 제조비용 및 태양전지 모듈 제조비용을 낮출 수 있는 백시트 일체형 봉지재 시트 및 이를 적용한 태양전지 모듈의 제공에 그 목적이 있다.

본 발명은

에틸렌 공중합체(11), 폴리에틸렌(12) 및 에틸렌 공중합체(13)가 차례로 적층된 3층 구조의 봉지재 시트(10);

백시트(30); 및

상기 봉지재 시트(10)와 백시트(30) 중간에 합지된 폴리에틸렌(20);

으로 이루어진 백시트 일체형 봉지재 시트를 그 특징으로 한다.

본 발명에 따른 백스트 일체형 봉지제 시트는 내구성, 전기 절연성, 생산성 등이 우수하고, 특히 태양전지 모듈 제조 공정에 적용시 가교 및 경화 공정을 필요로 하지 않으므로, 모듈 제조 공정을 간략화 하고 제조비용을 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 백시트 일체형 봉지재 시트의 구조를 도식화한 것이다.

이하에서는 본 발명을 더욱 자세하게 설명하겠다.

본 발명은 백시트와, 태양전지 모듈 제조시 가교 및 경화공정을 필요치 아니하는 봉지재를 일체화한 시트에 관한 것이다.

본 발명에서는 봉지재 시트로서 에틸렌 공중합체(11), 폴리에틸렌(12) 및 에틸렌 공중합체(13)가 차례로 적층된 3층 구조의 것을 사용한다. 에틸렌 공중합체는 가격이 높으므로 공압출 방법으로 폴리에틸렌이 중심부에 포함된 3층 구조의 봉지재를 형성함으로써 제조단가를 낮출 수 있으며, 물성은 폴리에틸렌 공중합체를 단층으로 압출한 경우와 동등 이상의 수준을 갖는다. 상기 에틸렌 공중합체(11 및 13)는 에틸렌을 기본적인 단량체로 하면서, 옥텐, 프로필렌, 아크릴산, 에틸아크릴레이트, 메타아크릴산 및 메타아크릴산이 금속이온으로 결합된 아이오노머 중에서 선택한 1종 이상의 공단량체를 1 ~ 30 중량% 함유하는 것이 좋다. 상기 공단량체의 함량이 1 중량% 미만이면 접착력에 문제가 있을 수 있고, 30 중량%를 초과하면 압출 가공이 어려울 수 있다. 또한, 에틸렌 공중합체는 융점은 80℃ 이상이며, 용융 유동 지수(melt flow rate)가 0.7 ~ 50 g/10min(190℃, 2.16 kg 하중), 특히 10 ~ 45 g/10min인 것이 바람직하다. 용융 유동 지수가 0.7 g/10min 미만이면 용융압출시 압출기에 부하가 많이 걸려 생산성에 문제가 있을 수 있고, 반대로 50 g/10min을 초과하는 경우 점도가 매우 낮아 다이(Die)에서 시트 성형이 어렵다. 이러한 에틸렌 공중합체를 사용함으로써 봉지 공정에서 가교 및 경화 과정을 생략할 수 있다.

본 발명에서 봉지재 시트로 공압출된 적층물의 두께는 특별히 한정하지 않지만, 바람직하기로는 200 ~ 1200 ㎛ 두께로 가공하는 것이 좋다. 좋기로는 에틸렌 공중합체 층인 1층과 3층은 각각 50 ~ 200 ㎛, 폴리에틸렌 층인 2층은 100 ~ 800 ㎛가 바람직하다.

또한, 태양전지 모듈용 봉지재 시트로서, 태양전지 셀과의 접착력 향상을 위해 에틸렌 공중합체 수지에 실란커플링제를 첨가할 수 있다. 이 목적으로 제공되는 실란커플링제로서는 공지된 것, 예를 들면 알릴트리메톡시실란, 비닐트리아세톡시실란, γ-클로로프로필프리메톡시실란, 비닐트리클로로실란, 비닐-트리스-(β-메톡시 에톡시)실란, γ-메톡시프로필트리메톡시실란, β-(3,4-에톡시사이클로헥실)에틸트리메톡시실란, γ-메르캅토프로필트리메톡시실란 등이 있다. 이러한 실란커플링제의 배합량은 에틸렌 공중합체 수지 100중량부에 대하여 5중량부 이하, 바람직하게는 0.1 ~ 2 중량부로 하는 것이 좋다. 또한, 에틸렌 공중합체 수지의 안정성을 향상하기 위해 하이드로퀴논, 하이드로퀴논메틸에틸, p-벤조퀴논, 메틸하이드로퀴논 등을 첨가할 수 있고, 이러한 배합량은 에틸렌 공중합체 수지 100중량부에 대하여 5 중량부 이하로 하는 것이 좋다. 기타, 필요에 따라 착색제, 자외선 흡수제, 노화 방지제, 변색 방지제 등을 첨가할 수도 있다. 착색제의 예로는 금속 산화물, 금속분 등의 무기 안료, 아조계, 프탈로사이아닌계, 산성 또는 염기성 염료계 레이크 등의 유기 안료가 있다. 자외선 흡수제의 예로는 2-하이드록시-4-옥톡시벤조페논, 2-하이드록시-4-메톡시-5-술폰벤조페논 등의 벤조페논계, 2-(2-하이드록시-5-메틸 페닐)벤조트라이아졸 등의 벤조트라이아졸계, 페닐살릴레이트, p-t-뷰틸페닐살릴레이트 등의 살릴레이트계가 있다. 노화 방지제의 예로는 아민계, 페놀계, 비스 페닐계가 있고, 예를 들면 t-뷰틸-p-크세졸, 비스-(2,2,6,6-테트라 메틸-4-피페라질)세바케이트 등이 있다.

상기 백시트(30)는 기존의 태양전지 모듈용 백시트로 사용되는 것이라면 그 종류를 특별히 한정하지는 않으며, 불소수지와 폴리에스테르 수지가 각각 적층되거나, 서로 다른 2종의 폴리에스테르 수지가 적층된 형태의 것을 사용할 수 있다. 상기의 불소수지는 폴리비닐리덴플루로라이드(PVdF) 수지로써 단량체인 비닐리덴플루오라이드의 단독 중합체 또는 공중합체의 형태일 수 있다. 공중합체일 경우, 비닐리덴플루오라이드 단량체를 공중합 수지 총 중량 대비 50 중량% 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. 공중합 될 수 있는 공단량체로는 불화비닐; 트리플루오로에틸렌; 클로로플루오로에틸렌; 1,2-디플루오로에틸렌; 테트라플루오로에틸렌; 헥사플루오로프로필렌; 퍼플루오로(메틸비닐)에테르, 퍼플루오로(에틸비닐)에테르, 퍼플루오로(프로필비닐)에테르 등의 퍼플루오로(알킬비닐)에테르; 퍼플루오로(1,3-디옥솔); 및 퍼플루오로(2,2-디메틸-1,3-디옥솔)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상일 수 있다. 또한, 상기 폴리에스테르 수지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트 중에서 선택한 1종 이상을 사용할 수 있다.

일본 공개특허 제 2009-248377 호에서는 봉지재와 백시트가 일체화시킨 시트를 제시하며 봉지재와 백시트가 접합되는 부분을 알루미늄 박막으로 라미네이션 한 것을 사용하였다. 그러나, 백시트 위에 알루미늄이 합지될 경우 태양전지 모듈의 전극과의 간섭이 발생할 가능성이 있다. 통상적으로, 백시트 위에 폴리에틸렌이 합지된 형태를 사용하고 있으며, 폴리에틸렌과 에틸렌 공중합체는 접착성이 뛰어나 백시트 일체형 봉지재 시트로 적용이 가능하다. 본 발명에서도 백시트(30)와 봉지재 시트(10) 사이에 폴리에틸렌(20)이 합지된 형태를 이용하며, 이러한 폴리에틸렌은 필요에 따라 무기염, 안료 등을 함유할 수도 있다.

상기 적층된 형태의 백시트는 층 사이에 추가의 접착층을 포함할 수 있으며, 이러한 접착층은 드라이 라미네이트(dry laminate)용 폴리우레탄 접착제로부터 형성될 수 있다.

상기 적층된 형태의 백시트와, 봉지재 시트는 티-다이 및 캘링더링 방식을 통하여 시트를 압출함과 동시에 라미네이션하여 폴리에틸렌이 합지된 상태로 적층될 수 있으며, 드라이 라미네이터를 이용하여 오프라인으로도 제작이 가능하다.

본 발명에 따른 백시트 일체형 봉지재 시트는 에틸렌 공중합체를 사용하여 태양전지 모듈 제조시 가교 및 경화과정을 필요치 아니하며, 봉지재를 에틸렌 공중합체와 폴리에틸렌이 적층된 형태로 구성함으로써 제조단가를 낮출 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시예]

제조예 : 기재의 제조

폴리우레탄(바이어社, Desmophen 670) 100 중량부에 대하여 헥산-1,6-디이소시아네이트 40 중량부, 반응촉매인 디-n-부틸딘 디라우레이트 40 중량부 및 메틸에틸케톤 20 중량부를 혼합하여 폴리우레탄 접착제를 제조하였다. 제조한 폴리우레탄 접착제를 사용하여 불소수지와 폴리에스테르 수지, 또는 서로 다른 2종의 폴리에스테르 수지가 적층된 백시트를 제조한 다음, 추가로 폴리에틸렌 또는 알루미늄 박막을 라미네이션하여 기재를 제조하였다. 구체적인 기재의 적층 구조는 하기 표 1에 나타내었다.

구분	적층 구조
기재(Ⅰ)	폴리비닐리덴플루오라이드필름/폴리우레탄접착제/폴리에스테르필름(a) /폴리우레탄접착제/폴리에틸렌필름/폴리우레탄접착제/폴리에틸렌수지
기재(Ⅱ)	폴리에스테르필름(b)/폴리우레탄접착제/폴리에스테르필름(a) /폴리우레탄접착제/폴리에틸렌필름/폴리우레탄접착제/폴리에틸렌수지
기재(Ⅲ)	폴리에스테르필름(a)/폴리우레탄접착제/Al박막
폴리에틸렌필름: [SKC 社, CN10] 폴리비닐리덴플루오라이드필름: [SKC 社, FW1B] 폴리에스테르필름(a): (폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름)[SKC 社, SG00] 폴리에스테르필름(b): (폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름)[SKC 社, TW00] 폴리에틸렌 수지: [삼성토탈 社, 432G]

실시예 1 ~ 7 및 비교예 1 ~ 2 : 백시트 일체형 봉지제 시트의 제조

공압출 방법을 통해 3층으로 적층된 봉지재 시트를 형성한 다음, 제조예 1 ~ 3에서 얻은 기재를 라미네이션 하여 백시트 일체형 봉지제 시트를 제조하였다. 봉지재는 공압출 방법으로 3층이 적층된 시트로 형성하였으며, 1층 : 2층 : 3층 = 1 : 3 : 1 의 두께비로 하여 총 두께가 400㎛가 되도록 적층하였다. 이때, 에틸렌 공중합체 층인 1층과 3 층에는 실란커플링제를 에틸렌 공중합체 100 중량부에 대하여 1 또는 2 중량부로 첨가하였다. 구체적인 실란커플링제의 함량 및 백시트 일체형 봉지제 시트의 구조는 하기 표 2 ~ 3과 같다.

구분	실시예
	1	2	3	4	5	6	7
수지 (1층)	수지(1)	수지(1)	수지(2)	수지(2)	수지(3)	수지(4)	수지(5)
수지 (2층)	수지(6)	수지(6)	수지(6)	수지(6)	수지(6)	수지(6)	수지(6)
수지 (3층)	수지(1)	수지(1)	수지(2)	수지(2)	수지(3)	수지(4)	수지(5)
실란커플링제 함량 (중량부)	1	1	2	2	3	2	2
기재	기재(Ⅰ)	기재(Ⅱ)	기재(Ⅰ)	기재(Ⅱ)	기재(Ⅰ)	기재(Ⅰ)	기재(Ⅰ)
수지(1): 에틸렌 공중합체(에틸렌 메타아크릴릭 액시드 징크 아이오노머)[듀폰 社, Surlyn 1075] 수지(2): 에틸렌 공중합체(에틸렌 메타아크릴릭 액시드 코폴리머)[듀폰 社, Nucrel925] 수지(3): 에틸렌 공중합체(에틸렌 에틸아크릴레이트 코폴리머)[다우케미칼 社, Amplify EA101] 수지(4): 에틸렌 공중합체(에틸렌 아크릴릭 액시드 코폴리머)다우케미칼 社, Primaco 3460] 수지(5): 에틸렌 공중합체(에틸렌 옥텐 코폴리머)[다우케미칼 社, Affinity KC8852] 수지(6): 폴리에틸렌 [삼성토탈 社, 432G] 실란커플링제: 비닐트리아세톡시실란 [다우코닝 社, Z06975]

구분	비교예
	1	2
수지(1층)	수지(1)	수지(1)
수지(2층)	수지(1)	수지(1)
수지(3층)	수지(1)	수지(1)
실란커플링제 함량(중량부)	1	1
기재	기재(Ⅰ)	기재(Ⅲ)

물성측정시험

실시예 1 ~ 7 및 비교예 1 ~ 2에서 제조한 백시트 일체형 봉지제 시트를 유리 위에 적층하고, 150℃에서 3분간 라미네이션 시켜 태양전지 모듈 샘플을 제작하고, 접착강도 및 내구성을 측정하였다.

1)접착강도 측정

1 cm 간격으로 라미네이션된 태양전지 모듈을 자르고 50 mm/min의 속도로 기재 및 유리와의 접착강도를 측정하였다.

2)내구성 측정

색차계(UltraScan Pro, Hunter Lab社)를 이용하여 노란색 지수(Yellow Index, YI) 값의 변화를 측정하였다. 내열성은 120℃에서 2000 시간 노출시킨 후 평가하였으며, 내습성은 85℃ 및 85% RH 조건에서 2000 시간 노출시킨 후 평가하였다.

구분	접착강도(N/10mm)		내구성(ΔYI)
	유리	기재	내열성	내습성
실시예 1	69	56	3.1	3.8
실시예 2	72	53	3.4	4.1
실시예 3	67	55	3.2	4.2
실시예 4	68	53	3.0	4.4
실시예 5	62	50	3.1	4.1
실시예 6	67	52	3.3	4.2
실시예 7	63	50	3.2	4.5
비교예 1	72	55	3.5	4.1
비교예 2	65	56	3.2	4.0

상기 표 4는 봉지재의 중심층이 폴리에틸렌으로 구성된 실시예 1 ~ 7에서 제조한 백시트 일체형 봉지재 시트와, 중심층이 에틸렌 공중합제로 구성된 비교예 1 ~ 2에서 제조한 백시트 일체형 봉지재 시트를 적용한 태양전지 모듈의 접착강도 및 내구성 평가결과이다. 표 4에서 볼 수 있듯이, 실시예 1 ~ 7의 경우 비교예 1 ~ 2과 동등 이상의 접착강도 및 내구성을 나타내었다. 따라서, 봉지재의 중심층을 고가의 에틸렌 공중합체 대신 저가의 폴리에틸렌으로 구성함으로써 제조가격을 낮추면서도 물성면에서 우수한 시트의 제조가 가능함을 알 수 있다.

결국, 본 발명에 따른 백시트 일체형 봉지재 시트는 봉지재의 중심층을 저가의 폴리에틸렌 층으로 구성하여 제조단가를 낮출 수 있으며, 또한 에틸렌 공중합체를 적용하여 태양전지 모듈 제조시 가교 및 경화과정이 필요치 아니하므로 태양전지 모듈의 제조비용을 낮춰 생산성을 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.

10 : 봉지재 시트 11 : 에틸렌 공중합체
12 : 폴리에틸렌 13 : 에틸렌 공중합체
20 : 폴리에틸렌 30 : 백시트

Claims (7)

1. 에틸렌 공중합체(11), 폴리에틸렌(12) 및 에틸렌 공중합체(13)가 차례로 적층된 3층 구조의 봉지재 시트(10);
   백시트(30); 및
   상기 봉지재 시트(10)와 백시트(30) 중간에 합지된 폴리에틸렌(20);
   으로 이루어진 백시트 일체형 봉지재 시트.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 에틸렌 공중합체(11 및 13)는 옥텐, 프로필렌, 아크릴산, 에틸아크릴레이트, 메타아크릴산 및 메타아크릴산이 금속이온으로 결합된 아이오노머 중에서 선택한 1종 이상의 공단량체를 1 ~ 30 중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 백시트 일체형 봉지재 시트.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 봉지재 시트를 구성하는 에틸렌 공중합체(11 및 13) 층의 두께가 각각 50 ~ 200㎛ 이고, 폴리에틸렌(12) 층의 두께가 100 ~ 800㎛인 것을 특징으로 하는 백시트 일체형 봉지재 시트.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 백시트(30)는 불소수지와 폴리에스테르 수지가 각각 적층되거나, 서로 다른 2종의 폴리에스테르 수지가 적층된 것을 특징으로 하는 백시트 일체형 봉지재 시트.
   
5. 제 4 항에 있어서, 상기 불소수지는 폴리비닐리덴플루오라이드 수지인 것을 특징으로 하는 백시트 일체형 봉지재 시트.
   
6. 제 4 항에 있어서, 상기 폴리에스테르 수지는 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트 및 폴리부틸렌 테레프탈레이트 중에서 선택한 1종 이상인 것을 특징으로 하는 백시트 일체형 봉지재 시트.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중에서 선택한 어느 한 항의 백시트 일체형 봉지재 시트를 포함하는 태양전지 모듈.

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