KR20120089797A - 태양 전지 분극에 대한 모듈 레벨의 솔루션 - Google Patents

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Abstract

태양 전지 모듈(100A)은 상호접속된 태양 전지들(101), 태양 전지들(101)의 앞면들 위의 투명 커버(201), 및 태양 전지들(101)의 뒷면들 상의 백시트(205)를 포함한다. 태양 전지 모듈(100A)은 투명 커버(201)와 태양 전지들(101)의 앞면들 사이의 전기 절연체(202)를 포함한다. 인캡슐런트(203)는 태양 전지들(101)을 보호가능하게 패키지화한다. 분극을 방지하기 위하여, 절연체(202)는 전하가 태양 전지들(101)의 앞면들로부터 투명 커버(201)를 통해 태양 전지 모듈의 다른 부분들로 누출되는 것을 방지하기에 적합한 저항을 갖는다. 절연체(202)는 (예를 들어, 코팅에 의해) 투명 커버(201)의 밑면에 직접 부착될 수도 있고, 또는 인캡슐런트(203)의 층들 사이에 형성된 별개의 층일 수도 있다. 태양 전지들(101)은 후면 접합 태양 전지들일 수 있다.

Description

태양 전지 분극에 대한 모듈 레벨의 솔루션{MODULE LEVEL SOLUTIONS TO SOLAR CELL POLARIZATION}
본 발명은 태양 전지들에 관한 것이고, 배타적인 것은 아니지만 더 구체적으로는 태양 전지 모듈들에 관한 것이다.
태양 전지들은 태양 복사를 전기 에너지로 변환하기 위한 잘 알려진 장치들이다. 이들은 반도체 가공 기술을 이용하여 반도체 웨이퍼 상에 제조될 수 있다. 일반적으로 말하자면, 태양 전지는 실리콘 기판 내에 p형 영역 및 n형 영역을 형성함으로써 제조될 수 있다. 각각의 인접한 p형 영역 및 n형 영역은 p-n 접합을 형성한다. 태양 전지에 충돌하는 태양 방사는 p형 영역 및 n형 영역으로 이동하고, 그에 의해 p-n 접합 양단의 전위차를 생성하는 전자 및 홀을 생성한다. 후면 접합 태양 전지(back junction solar cell)에서, p형 및 n형 영역은 외부의 전기 회로 또는 장치가 태양 전지에 연결되거나 태양 전지에 의해 전력을 공급받는 것을 허용하는 금속 컨택트들과 함께 뒷면에 형성된다. 또한, 후면 접합 태양 전지들은 미국 특허 제5,053,083호 및 제4,927,770호에도 개시되어 있으며, 이들은 그 전체가 여기에 참조에 의해 포함된다.
몇개의 태양 전지가 함께 접속되어 태양 전지 어레이를 형성할 수 있다. 태양 전지 어레이는 태양 전지 모듈로 패키지화될 수 있으며, 이것은 태양 전지 어레이가 환경적 조건들에 저항하고 실제로 사용되는 것을 허용하는 보호층들을 포함한다.
예방 조치가 취해지지 않으면, 태양 전지들은 실제 사용에서 고도로 분극(polarize)되어, 출력(output power) 감소를 유발할 수 있다. 태양 전지 분극에 대한 솔루션들은 미국 특허 제7,554,031호에 개시되어 있으며, 이것은 그 전체가 참조에 의해 여기에 포함된다. 본 명세서는 태양 전지 분극에 대한 모듈 레벨의 솔루션에 관한 것이다.
일 실시예에서, 태양 전지 모듈은 상호접속된 태양 전지들, 태양 전지들의 앞면들 위의 투명 커버, 및 태양 전지들의 뒷면들 상의 백시트를 포함한다. 태양 전지 모듈은 투명 커버와 태양 전지들의 앞면들 사이의 전기 절연체를 포함한다. 인캡슐런트는 태양 전지들을 보호가능하게 패키지화한다. 분극을 방지하기 위하여, 절연체는 전하가 태양 전지들의 앞면들로부터 투명 커버를 통해 태양 전지 모듈의 다른 부분들로 누출되는 것을 방지하기에 적합한 저항을 갖는다. 절연체는 (예를 들어, 코팅에 의해) 투명 커버의 밑면에 직접 부착될 수도 있고, 또는 인캡슐런트의 층들 사이에 형성된 별개의 층일 수도 있다. 태양 전지들은 후면 접합 태양 전지들일 수 있다.
본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자들은 첨부 도면들 및 청구항들을 포함하는 본 명세서 전체를 읽고서, 이러한 것들과 그 외의 본 발명의 특징들을 쉽게 알 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도 1의 태양 전지 모듈의 단면을 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 태양 전지 모듈에서 이용하기에 적합한 절연체의 일반적인 특성을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 1의 태양 전지 모듈의 단면을 도시한 것이다.
도 5는 절연체를 이용하는 모듈 레벨의 분극 솔루션을 절연체를 갖지 않는 제어 샘플들과 비교한 테스트 데이터를 도시한 것이다.
도 6은 절연체를 유리 상단 커버의 위와 아래에 배치한 것의 효과를 비교한 테스트 데이터를 도시한 것이다.
상이한 도면들에서의 동일한 참조 레이블의 이용은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다. 도면들은 비율에 맞춰 그려지지 않는다.
본 명세서에서는, 본 발명의 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위해, 장치, 구성요소 및 방법의 예와 같은 다수의 구체적인 상세들이 제공된다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자들은 본 발명이 그 구체적인 상세들 중 하나 이상 없이도 실시될 수 있음을 알아차릴 것이다. 다른 경우들에서, 본 발명의 양태들을 모호하게 하지 않기 위해, 잘 알려진 상세들은 도시되거나 설명되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈(100)을 도시한 것이다. 태양 전지 모듈(100)은 옥상에서 또는 발전소에 의한 것과 같은 정지형 응용에서 이용되도록 설계된다는 점에서 소위 "지상형 태양 전지 모듈(terrestrial solar cell module)"이다. 도 1의 예에서, 태양 전지 모듈(100)은 상호접속된 태양 전지들(101)의 어레이를 포함한다. 도시를 명확하게 하기 위해, 도 1에는 태양 전지들(101) 중 일부만이 레이블된다. 태양 전지들(101)은 분극에 특히 취약한 후면 접합 태양 전지들을 포함할 수 있다. 도 1에서는, 정상 동작 동안 태양을 향하는 태양 전지들(101)의 앞면들을 볼 수 있다. 태양 전지들(101)의 뒷면들은 앞면들에 반대된다. 프레임(102)은 태양 전지 어레이를 위한 기계적 지지를 제공한다.
103으로 레이블된 태양 전지 모듈(100)의 앞 부분은 태양 전지들(101)의 앞면들과 동일한 쪽에 있으며, 도 1에서 볼 수 있다. 태양 전지 모듈(100)의 뒷 부분(104)은 앞 부분(103) 아래에 있다. 아래에서 더 분명해질 바와 같이, 앞 부분(103)은 태양 전지들(101)의 앞면들 위에 형성되는 광학적으로 투명한 보호 절연 물질의 층들을 포함한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양 전지 모듈(100)의 단면을 도시한 것이다. 도 2의 태양 전지 모듈(100)은 본 실시예를 도 4의 실시예로부터 구별하기 위해 "100A"로 레이블되었다. 도 2에 도시된 바와 같이, 태양 전지 모듈(100A)은 투명 커버(201), 전기 절연체(202), 인캡슐런트(203), 태양 전지(101) 및 백시트(205)를 포함한다. 투명 커버(201), 절연체(202) 및 인캡슐런트(203)는 광학적으로 투명한 재료들이다. 앞면(103) 상의 최상단층인 투명 커버(201)는 태양 전지들(101)을 환경으로부터 보호한다. 태양 전지 모듈(100A)은 투명 커버(201)가 정상 동작 동안 태양을 향하도록 설치된다. 태양 전지들(101)의 정면들은 투명 커버(101)를 거쳐 태양에 대면한다. 도 2의 예에서, 투명 커버(201)는 태양 전지들(101)을 향하는 면 상에서 절연체(202)로 코팅된 유리(예를 들어, 3.2㎜ 두께의 소다 석회 유리)를 포함한다.
인캡슐런트(203)는 태양 전지들(101), 절연체(202)로 코팅된 투명 커버(201) 및 백시트(205)를 본딩하여, 보호 패키지를 형성한다. 일 실시예에서, 인캡슐런트(203)는 폴리-에틸-비닐 아세테이트("EVA")를 포함한다.
태양 전지들(101)의 뒷면들은 인캡슐런트(203)에 부착된 백시트(205)를 향한다. 일 실시예에서, 백시트(205)는 "TPE"(Tedlar/Polyester/EVA)를 포함한다. TPE에서, 테들라(Tedlar)는 환경에 대한 보호를 제공하는 최외측 층이고, 폴리에스테르는 추가의 전기적 분리를 제공하며, EVA는 인캡슐런트(203)에의 부착을 촉진하는 교차결합되지 않은(non-crosslinked) 얇은 층이다. 백시트(205)로서 이용될 TPE에 대한 대안들은 예를 들어 "TPT"(Tedlar/Polyester/Tedlar)를 포함한다.
태양 전지들(101)은 프레임(102)으로부터 전기적으로 절연된다. 태양 전지들(101) 외부에 있는 절연체(202)는 전하가 태양 전지들(101)의 앞면들로부터 투명 커버(201)를 경유하여 프레임(102) 또는 태양 전지 모듈(100A)의 다른 부분들로 누출되는 것을 방지함으로써 태양 전지 분극을 방지하도록 구성된다. 본 발명자들은, 분극을 방지하는 데에 효과적이기 위해, 절연체(202)가 바람직하게는 45 내지 85℃의 정상 동작 온도 범위에 걸쳐서 1016(예를 들어, 1016-1019)Ω㎝의 부피 비저항을 갖는다는 것을 발견하였다.
절연체(202)는 플루오로카본계 폴리머를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 절연체(202)는 일본의 Asahi Glass Co, LTD로부터 입수할 수 있는 Fluon® ETFE (ethylene tetrafluoroethylene)를 포함한다. Fluon® ETFE의 일반적인 특성이 도 3에 도시되어 있다. 도 2의 예에서, Fluon® ETFE는 2 내지 6 mil이고, 3.2㎜ 두께의 투명한 유리 커버(201)의 밑면에 코팅된다. 알 수 있는 바와 같이, 본 명세서의 안내를 고려해볼 때, 본 발명의 이점들을 손상시키지 않고서 Fluon® ETFE 이외의 적합한 전기 절연체들도 이용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양 전지 모듈(100)의 단면을 도시한 것이다. 도 4의 태양 전지 모듈(100)은 이 실시예를 도 2의 실시예로부터 구별하기 위해 "100B"로서 레이블되었다. 태양 전지 모듈(100B)은 절연체(202)가 (예를 들어, 코팅에 의해) 투명 커버(201)의 아래에 부착되기보다는, 인캡슐런트(203)의 층들 사이에 개재된 별개의 재료층이라는 점을 제외하고는, 태양 전지 모듈(100A)과 동일하다. 도 4의 구성요소들은 이미 도 2의 실시예를 참조하여 설명되었다. 도 2의 실시예와 비교할 때, 태양 전지 모듈(100B)은 절연체(202)가 투명 커버(201)에 직접 코팅될 수 없는 경우들에서 더 적합하다. 도 4의 예에서, 인캡슐런트(203)는 태양 전지들(101), 투명 커버(201), 절연체(202) 및 백시트(205)를 본딩하여 보호 패키지를 형성한다.
도 5는 절연체(202)를 이용하는 모듈 레벨의 분극 솔루션을 절연체 층을 갖지 않는 제어 샘플들에 비교한 테스트 데이터를 도시한 것이다. 도 5에서, 수직축은 모듈 출력을 나타낸다. 수평축은 샘플 #1, #2, #3, #4, #5 및 #6에 대한 테스트 데이터를 도시한 것이다. 샘플 #1, #2, #3은 분극을 방지하기 위해 절연체 층을 이용하지 않는 태양 전지 모듈들이고, 샘플 #4, #5, #6은 절연체(202)가 투명 유리 커버와 태양 전지들 사이에 있는 태양 전지 모듈(100)과 유사한 태양 전지 모듈들이다. 샘플들의 성능은 각 샘플에 대해 4개의 막대 그래프로 표현된 4일의 다른 날들에 측정되었다. 각각의 샘플에 대하여, 가장 왼쪽의 막대 그래프는 첫번째 날에 대한 것이고, 다음의 막대 그래프는 며칠 후에 측정된 것이고, 기타 등등이다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 샘플 #1, #2, #3의 성능은 분극으로 인해 시간에 따라 감소한다. 한편, 샘플 #4, #5, #6의 성능은 비교적 안정적이고, 이는 분극에 대한 더 효과적인 솔루션을 나타내는 것이다.
도 5의 테스트 데이터는 비교적 구현하기가 쉬운, 유리 투명 커버의 상단에 절연체(202)를 배치하는 것이 분극 보호를 제공한다는 것을 나타낸다. 그러나, 최상위 절연체(202)는 몇가지 잠재적인 단점을 갖는다. 절연체(202)는 자외선(UV) 복사에 직접 노출될 것이고, 따라서 높은 속도로 열화하고, 그것의 부피 비저항을 잃을 것이다. 추가적으로, 폴리머 절연체(202)는 유리 투명 커버보다 더 많이 오손(soil)되는 경향이 있고, 우박 충격 테스트 요구조건들을 만족시키지 못할 것이다.
도 6은 유리 상단 커버의 위와 아래에 절연체(202)를 배치한 효과를 비교한 테스트 데이터를 도시한 것이다. 도 6에서, 수직축은 효율을 나타내고, 수평축은 상이하게 나타난 온도들에 대하여 샘플 #7, #8, #9에 대한 막대 그래프들을 도시한 것이다. 샘플 #7은 제어를 위해 이용되는 종래의 태양 전지 모듈이다. 샘플 #8은 유리 투명 커버 아래에 절연체(202)를 추가한 것을 제외하고는 샘플 #7과 유사하고, 샘플 #9는 유리 투명 커버 위에 절연체(202)를 추가한 것을 제외하고는 샘플 #7과 유사하다. 테스트는 1시간 동안 샘플 상에 1000V DC를 인가함으로써 전압 바이어스 하에서 120℃까지의 온도에서 수행되었다.
도 6에서, 샘플 #7의 낮은 효율은 분극에 기인한다. 도 6으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 샘플 #8 및 #9에서의 절연체(202)의 사용은 효율에 대해 뚜렷한 영향을 갖는다. 도 6의 테스트 데이터는 또한 투명 커버 아래에 절연체(202)를 배치한 것(샘플 #8)이 투명 커버 위에 절연체(202)를 배치한 것(샘플 #9)에 비교하여, 분극으로부터의 더 많은 보호를 제공하는 예상 밖의 결과를 갖는다는 것을 도시하고 있다.
절연체(202)는 제조 복잡성 및 비용을 증가시키고, 태양 복사가 통과해야만 하는 다른 재료층을 추가한다. 그러나, 분극을 방지하기 위해 여기에 설명되는 절연체(202)를 이용하는 것은 앞에 언급된 결점들을 보상하고도 남는다. 또한, 절연체(202)는 태양 전지들(101)을 변경하거나, 태양 전지 모듈(100)(즉, 100A 또는 100B)의 전기적(예를 들어, 접지) 또는 시스템 레벨 구성을 변경하지 않고서도 분극의 방지를 허용한다. 따라서, 여기에 설명된 분극에 대한 모듈 레벨의 솔루션은 현재 이용가능하거나 새로운 설계의 태양 전지 모듈들에서 쉽게 구현될 수 있다.
본 발명의 구체적인 실시예들이 제공되었지만, 이러한 실시예들은 제한이 아니라 예시의 목적을 위한 것임을 이해해야 한다. 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자들은 본 명세서를 읽고서 많은 추가의 실시예들을 알 것이다.

Claims (20)

  1. 태양 전지 모듈(solar cell module)로서,
    복수의 상호접속된 태양 전지 - 상기 태양 전지들 각각은 정상 동작 동안 태양을 향하는 앞면, 및 상기 앞면에 반대되는 뒷면을 가짐 -;
    상기 태양 전지들의 앞면들 위의 투명 커버;
    상기 태양 전지들의 앞면들과 상기 투명 커버 사이의 전기 절연체 - 상기 전기 절연체는 전하들이 상기 태양 전지들의 앞면들로부터 상기 투명 커버를 통해 상기 태양 전지 모듈의 다른 부분들로 누출되는 것을 방지하도록 구성되고, 상기 전기 절연체는 섭씨 45 내지 85도의 온도 범위에 걸쳐서 1016Ω㎝ 이상의 부피 저항을 가짐 -;
    상기 태양 전지들의 뒷면들 상의 백시트(backsheet); 및
    상기 태양 전지들, 상기 투명 커버, 상기 절연체 및 상기 백시트를 본딩하여 보호 패키지를 형성하는 인캡슐런트
    를 포함하는 태양 전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양 전지들은 후면 접합 태양 전지들을 포함하는 태양 전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기 절연체는 플루오로카본계 폴리머를 포함하는 태양 전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연체는 상기 투명 커버의 밑면(underside)에 직접 코팅되는 태양 전지 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 투명 커버는 유리를 포함하는 태양 전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투명 커버는 유리를 포함하고, 상기 절연체는 상기 투명 커버의 밑면에 코팅되는 태양 전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 절연체는 상기 인캡슐런트의 층들 사이에 있는 태양 전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 폴리-에틸-비닐 아세테이트를 포함하는 태양 전지 모듈.
  9. 태양 전지 모듈로서,
    복수의 상호접속된 태양 전지 - 상기 태양 전지들 각각은 정상 동작 동안 태양을 향하는 앞면, 및 상기 앞면에 반대되는 뒷면을 갖는 후면 접합 태양 전지들을 포함함 -;
    상기 태양 전지들의 앞면들 위의 투명 커버 - 상기 투명 커버는 그것의 밑면에 직접 부착된 전기 절연체를 가짐- ;
    상기 태양 전지들의 뒷면들 상의 백시트; 및
    상기 태양 전지들 및 상기 백시트를 상기 절연체 아래에 보호가능하게(protectively) 본딩하는 인캡슐런트
    를 포함하는 태양 전지 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 절연체는 플루오로카본계 폴리머를 포함하는 태양 전지 모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 절연체는 상기 투명 커버의 밑면에 직접 코팅되는 태양 전지 모듈.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 투명 커버는 유리를 포함하는 태양 전지 모듈.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 폴리-에틸-비닐 아세테이트를 포함하는 태양 전지 모듈.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 절연체는 1016Ω㎝ 이상의 저항을 갖는 태양 전지 모듈.
  15. 태양 전지 모듈로서,
    복수의 상호접속된 태양 전지 - 상기 태양 전지들 각각은 정상 동작 동안 태양을 향하는 앞면, 및 상기 앞면에 반대되는 뒷면을 갖는 후면 접합 태양 전지들을 포함함 -;
    상기 태양 전지들의 앞면들 위의 투명 커버;
    상기 태양 전지들의 앞면들과 상기 투명 커버 사이의 전기 절연체;
    상기 태양 전지들의 뒷면들 상의 백시트; 및
    상기 태양 전지들, 상기 백시트 및 상기 절연체를 보호가능하게 본딩하는 인캡슐런트 - 상기 절연체는 상기 인캡슐런트의 층들 사이에 있음 -
    를 포함하는 태양 전지 모듈.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 절연체는 1016Ω㎝ 이상의 저항을 갖는 태양 전지 모듈.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 절연체는 플루오로카본계 폴리머를 포함하는 태양 전지 모듈.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 투명 커버는 유리를 포함하는 태양 전지 모듈.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 인캡슐런트는 폴리-에틸-비닐 아세테이트를 포함하는 태양 전지 모듈.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 절연체는 섭씨 45 내지 85도의 온도 범위에 걸쳐서 1016Ω㎝의 저항을 갖는 태양 전지 모듈.
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