KR20150121344A - 태양전지용 봉지재 시트 및 이를 사용한 태양전지 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광 발전을 위한 태양전지 모듈을 제작할 때 태양전지 셀의 보호 및 봉지를 위해 사용되는 태양전지용 봉지재 시트의 제조에 있어서, 각종 기능성 부여를 위한 첨가제와 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체를 혼합하여 봉지재 시트를 제조하므로 고효율 태양전지 셀 및 모듈의 안정적인 발전과 봉지재의 장기 안정이 향상한 태양전지용 봉지재 시트 및 제조 방법과, 이를 사용한 태양전지 모듈에 관한 것으로, 상기한 본 발명의 태양전지용 봉지재 시트는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100 중량부에 전도성 화합물 0.01 내지 5.0 중량부가 함유된 조성물에 의해 시트화 된 것임을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 태양전지용 봉지재 시트는 시트 제조를 위한 조성물 내에 입자 크기가 1um인 니오븀 화합물과 같은 전도성 화합물 1종 또는 그 이상을 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100 중량부 기준으로 0.01 내지 5 중량부 첨가함으로 봉지재의 체적저항이 1014Ω㎝ 이상으로 유지되는 태양전지용 봉지재시트로서 제작함으로 분극현상에 의한 효율 감소 현상을 해결하며, 부가적으로 봉지재의 열적인 안정성이 증가하도록 제어하여 상기한 종래의 문제를 해결하였다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 태양전지용 봉지재 시트는 시트 제조를 위한 조성물 내에 입자 크기가 1um인 니오븀 화합물과 같은 전도성 화합물 1종 또는 그 이상을 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100 중량부 기준으로 0.01 내지 5 중량부 첨가함으로 봉지재의 체적저항이 1014Ω㎝ 이상으로 유지되는 태양전지용 봉지재시트로서 제작함으로 분극현상에 의한 효율 감소 현상을 해결하며, 부가적으로 봉지재의 열적인 안정성이 증가하도록 제어하여 상기한 종래의 문제를 해결하였다.
Description
본 발명은 태양전지용 봉지재 시트 및 이를 사용한 태양전지 모듈에 관한 것으로, 보다 자세하게는 태양광 발전을 위한 태양전지 모듈을 제작할 때 태양전지 셀의 보호 및 봉지를 위해 사용되는 태양전지용 봉지재 시트의 제조에 있어서, 각종 기능성 부여를 위한 첨가제와 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체를 혼합하여 봉지재 시트를 제조하므로 고효율 태양전지 셀 및 모듈의 안정적인 발전과 봉지재의 장기 안정이 향상한 태양전지용 봉지재 시트 및 제조 방법과, 이를 사용한 태양전지 모듈에 관한 것이다.
인류는 값싸고 사용하기 편리한 석유를 현재 주 에너지원으로 사용하고 있으나, 석유 매장량의 한계로 그 생산량이 지속적으로 감소하고 있고, 50년 이내 고갈의 위기에 있으며, 그 가격도 배럴당 200불 수준이 될 것으로 전망하고 있다. 이와 같이 유한한 화석연료와 이를 사용함으로 발생하는 환경문제로 인해 많은 문제가 발생하고 있다. 이러한 원인 때문에 환경오염에 대한 부담이 없으며 무한한 에너지 공급이 이루어 질 수 있는 에너지원으로서 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다.
태양전지 중의 대표적인 예로서 실리콘 태양전지를 들 수 있다. 실리콘 태양전지는 실리콘의 p-n 접합 부분에 태양 빛을 받게 되면 전자와 정공이 분리되면서 전기에너지가 생성되게 된다. 현재 태양전지의 특성상 가혹한 자연환경에 노출되어 있으므로 태양전지 셀만으로는 자연환경의 비, 눈, 온도변화, 외부 충격 등으로부터 보호될 수 없으며, 이를 보호하기 위해 모듈화 과정을 거치는 것이 필수적이다.
일반적으로 태양전지 모듈은 표면 측 유리기판과 이면 측 보호 부재인 후면 보호 필름 사이에 봉지재 시트 2매가 태양전지 셀을 감싸고 있는 구성으로 이루어져 있다. 이러한 태양전지는 유리기판/봉지재/실리콘 태양전지 셀/봉지재/후면 보호 필름 순으로 적층하고, 가열 가압에 의해 봉지재 시트가 완전히 용융되어 고분자를 충분한 이동성이 확보된 상태에서 상하 방향에서 가압 및 탈기공정을 거처 제조된다.
이러한 봉지재 시트에 대해서는, 대한민국 등록특허 제0928441호는 앞에서 기술한 바와 같이 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체에 가교제, 가교조제, 자외선 흡수제, 산화방지제와 함께 강화유리와의 접착성을 위해서 실란 커플링제를 첨가하는 태양전지용 봉지제를 개시하고 있다.
이러한 태양전지 시장에서 현재 가장 크게 관심을 받고 있는 현상이 발전 효율 감소현상(PID: Potential Induced Degradation)을 들 수 있다. 십여 년 전부터 대규모의 태양광발전소를 도입하였던 유럽에서 최근 2~3년 사이에 태양전지의 출력이 저하하는 PID 현상이 여기저기 발생하고 있다. PID 현상은 고온다습의 환경에서 고전압하에서 태양광 모듈의 회로 내에 전류 누설이 발생하여 출력이 떨어지는 현상으로 태양전지의 표면의 강화유리, 셀, 백시트, 봉지재의 상호작용으로 인해서 일어나는 현상이지만, 태양전지 보호용으로 사용되는 유리내에서 나트륨 이온이 원인이라는 결과도 보고되고 있다.
통상 태양전지 모듈 1장의 출력은 DC 30V ~50V 정도이며, 모듈을 여러 장 직렬로 연결하면 전압은 DC 700~1000V가 되게 된다. 현재 PID 현상이 지속적으로 발생하고 있는 유럽에서는 그 전압이 1000V 급에서 많이 발생하는 것으로 보고가 되고 있지만 고온 다습한 환경인 일본에서는 DC 600V에서도 같은 현상이 발생하고 있다.
또한, 고효율 셀에서는 위와 같은 원인 이외에도 분극현상에 의해서 발전 효율 감소현상이 발생한다고 보고되고 있다. 미국특허 제002844호, 제1002137호에 따르면 고효율 셀의 경우 셀 내부의 분극현상에 의해서 발전 효율 감소현상이 발생하며, 이를 어떻게 해결할 것인가에 대해서 태양전지 셀의 입장에서 서술하고 있다. 하지만 태양전지 셀에서의 처리만으로는 모듈의 분극현상의 발생을 완전히 막을 수는 없는 것이 현실이다.
따라서, 외부환경으로부터 셀을 보호하는 기능을 하는 태양전지 봉지재에 태양전지 분극현상을 예방할 수 있는 태양전지용 봉지재를 제공하기 위한 다양한 시도가 제안되고 있는데, 예를 들면 미국공개특허 제036226호에서는 강화 유리쪽 봉지재에 자외선 흡수제를 첨가하지 않으면 분극현상을 예방하는 시도가 있으나, 완벽한 예방책이라고는 할 수 없다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술에 있어서의 기술적 문제점을 감안하여 된 것으로, 본 발명의 주요 목적은 실리콘 태양전지 모듈의 분극현상을 보다 효과적으로 해소하고 모듈의 출력을 장기적으로 유지하며, 효율 감소를 극복할 수 있는 태양전지용 봉지재 시트를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열적으로 안정성, 열전도도가 뛰어난 니오븀 화합물이 첨가됨으로 방열특성이 향상된 태양전지용 봉지제 시트를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 특성을 갖는 태양전지용 봉지재 시트를 보다 용이하게 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 또한 상기한 명확한 목적 이외에 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양전지용 봉지재 시트는;
에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100 중량부에 전도성 화합물 0.01 내지 5.0 중량부가 함유된 조성물에 의해 시트화 된 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 에틸렌비닐아세테이트 공중합체는 비닐 아세테이트의 함유량이 26 내지 33%인 것임을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 전도성 화합물은 니오븀 화합물, 텅스텐 화합물, Cu, Al, Au, Ni. Cr, Ag 중에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 니오븀 화합물은 NbO, NbO2, 및 Nb2O5 중에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 텅스텐 화합물은 WO3, FeWO4, MnWO4, CaWO4, CuWO4, WC, W2C, WB, WB2, WS2, WS3, WSi2, 8Ta2O5-18WO3, Ta2O5-WO3, 및 11Ta2O5-4WO3 중에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 조성물은 추가적으로 가교제 0.01 내지 1.0 중량부, 가교조제 0.01 내지 1.5 중량부, 실란커플링제 0.01 내지 1.0 중량부, 자외선 흡수제 0.01 내지 1.0 중량부, 산화방지제 0.01 내지 1.0 중량부가 첨가된 것임을 특징으로 한다.
상기한 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 태양전지용 봉지재 시트의 제조방법은;
에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100 중량부에 니오븀 화합물을 0.01 내지 1.0 중량부, 가교제 0.01 내지 1.0 중량부, 가교조제 0.01 내지 1.5 중량부, 실란커플링제 0.01 내지 1.0 중량부, 자외선 흡수제 0.01 내지 1.0 중량부, 산화방지제 0.01 내지 1.0 중량부를 첨가하여 T-다이 또는 칼렌더 공법을 통해서 제조함을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 태양전지용 봉지재 시트는 시트 제조를 위한 조성물 내에 입자 크기가 1um인 니오븀 화합물과 같은 전도성 화합물 1종 또는 그 이상을 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100 중량부 기준으로 0.01 내지 5 중량부 첨가함으로 봉지재의 체적저항이 1014Ω㎝ 이상으로 유지되는 태양전지용 봉지재시트로서 제작함으로 분극현상에 의한 효율 감소 현상을 해결하며, 부가적으로 봉지재의 열적인 안정성이 증가하도록 제어하여 상기한 종래의 문제를 해결하였다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 태양전지 모듈의 개략적인 단면을 나타내는 단면도이다.
이하, 본 발명을 첨부 도면을 참고로 하여 바람직한 실시형태에 의해 보다 자세하게 설명하지만, 본 발명이 이하의 실시형태에 한정되는 것이 아니며 그 요지의 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 따른 태양전지 모듈의 개략적인 단면을 나타내는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 태양전지 모듈은 표면유리(1), 봉지재(2), 셀(3) 및 백시트(4)로 구성된다. 여기서, 상기 봉지재(2)는 전도성 화합물이 함유된 조성물에 의해 시트로 제작되어 시트 내에 전도성 화합물(5)이 순차적으로 결합한 형태로 구성된 봉지재 시트에 의해 형성되어 질 수 있다. 통상 태양전지 봉지재(2)는 태양전지 모듈의 표면유리(1)와 백시트(4) 사이에 위치하는데, 표면 유리(1)를 통해 입사한 태양광에 의해서 실리콘 태양전지 셀의 p-n 접합 부위에서 전자가 생성되며, 직렬연결된 모듈에서 발전을 하게 되면 태양전지 셀 표면에서 분극현상이 발생하게 된다.
또한, 최근에는 분극현상이 고분자의 높은 유전율 때문이라는 것이 밝혀진바 있으며, 본 발명에서는 상대적인 전기전도성이 높은 니오븀 화합물(NbO, NbO2, Nb2O5), 텅스텐 화합물(WO3, FeWO4, MnWO4, CaWO4, CuWO4, WC, W2C, WB, WB2, WS2, WS3, WSi2, 8Ta2O5-18WO3, Ta2O5-WO3, 11Ta2O5-4WO3), Cu, Al, Au, Ni. Cr, Ag 등 상대적인 전기전도성을 갖는 물질을 사용함으로 태양전지 봉지재의 분극현상을 예방 및 해소해 주게 된다.
본 발명에 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기한 조성물에, 가교제, 가교조제, 실란커플링제, 자외선흡수제, 광안정제가 더 배합되어 이루어지는 에틸렌비닐아세테이트 봉지재 조성물이 제공될 수 있다.
더욱이, 상기의 본 발명에 따라 사용되는 화합물은 높은 열전도도를 가지고 있으므로, 고온의 지역에서 사용 시 태양전지 모듈의 안정성을 확보할 수 있게 된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 에틸렌비닐아세테이트 봉지재 시트는 비닐 아세테이트 함량이 25 내지 35%인 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 봉지재 시트에는 필요에 의해 가교제, 가교조제, 자외선흡수제, 산화방지제 등의 첨가제를 배합할 수 있는데, 상기 가교제 또는 가교제와 가교조제의 배합은 태양전지 봉지재가 태양전지 소자에 적합하게 하고 태양전지 모듈에 편입되는 상태에 있어서 에틸렌비닐아세테이트 봉지재 시트를 가교하는데 유용하고, 이것에 의해 봉지재 시트 중의 투명성을 유지하면서, 고온으로의 사용에 있어서 용융 방지 등의 내열성을 부여할 수 있다.
상기 니오븀화합물은 0.01 내지 1.0 중량부로 사용되며, 바람직하게는 0.05 내지 0.5 중량부로 사용할 수 있다.
에틸렌비닐아세테이트 공중합체의 겔분율을 향상시키고, 내구성을 향상시키기 위하여 에틸렌비닐아세테이트 공중합체에 가교조제를 첨가할 수 있다. 이 목적으로 제공되는 가교조제로서는, 트리-알릴 이소시아뉴레이트 및 트리-알릴 이소시아네이트 등의 3관능기를 가지는 가교조제를 예로 들 수 있다. 이러한 가교조제의 배합량은 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 수지 100 중량부에 대하여 5 중량부 이하로 사용하고, 바람직하게는 0.01 내지 1.5 중량부로 사용할 수 있다.
본 발명의 봉지재 시트는 상기한 바와 같이 에틸렌비닐아세테이트 공중합체와 각종 첨가제를 배합하여 T-다이 압출 방식 혹은 칼렌더 방식을 이용하여 200 내지 800㎛ 두께로 가공한 후 태양전지 모듈 제작시의 공정성을 위한 엠보싱 가공을 통해 제조할 수 있다.
본 발명의 태양광 발전 모듈용 봉지재 시트를 이용한 태양전지 모듈은 표면 유리, 봉지재 시트, 태양전지 셀, 봉지재 시트, 후면 보호 필름의 순으로 적층 후, 일정한 규칙에 따라 진공 라미네이터로 100 내지 160℃의 온도, 탈기 시간 4 내지 20분, 가압 0.5 내지 1기압, 가압시간 5내지 60분으로 가열·가압하여 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위를 이들 실시예에 한정하기 위한 것이 아님은 물론이다.
실시예 1
에틸렌 비닐 아세테이트(초기 비닐아세테이트 함량 28중량%, 멜트 플로우 레이트 15g/10min) 100 중량부에 대해, 가교제로 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산(알케마사제, 루페록스 101) 1.0 중량부, 가교조제로 트리-알릴 아이소시아누레이트(일본화성제, TAIC) 0.8 중량부, 자외선흡수제 2-하이드록시-4-n-옥톡시벤조페논 (BASF사제, Chimassorb81) 0.1 중량부, 광안정제로 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트(BASF사제, Tinuvin770DF) 0.1 중량부, 산화방지제로 옥타데실-3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시페닐) 프로피오네이트(송원산업제, Songnox 1076) 0.1 중량부, NbO를 0.05 중량부를 배합하여, 직경 104mm 트윈 압출기로 110℃ 미만의 온도로 압출하여 두께 500㎛의 시트를 제조하였다.
실시예 2
실시예 1의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, NbO를 0.3 중량부를 배합하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 시트를 제조하였다.
실시예 3
실시예 1의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, NbO를 0.8 중량부를 배합하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 시트를 제조하였다.
실시예 4
실시예 1의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, NbO를 1 중량부를 배합하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 시트를 제조하였다.
실시예 5
실시예 1의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, NbO를 3 중량부를 배합하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 시트를 제조하였다.
실시예 6
실시예 1의 봉지제 조성 및 구성 방법은 동일하며, NbO를 5 중량부를 배합하는 것 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 시트를 제조하였다.
비교예 1
에틸렌비닐아세테이트(초기 비닐아세테이트 함량 28중량%, 멜트 플로우 레이트 15g/10min) 100 중량부에 대해, 가교제로 2,5-디메틸-2,5-비스(t-부틸퍼옥시)헥산(알케마사제, 루페록스 101) 1.0 중량부, 가교조제로 트리-알릴 아이소시아누레이트(일본화성제, TAIC) 0.8 중량부, 자외선흡수제 2-하이드록시-4-n-옥톡시벤조페논 (BASF사제, Chimassorb81) 0.1 중량부, 광안정제로 비스(2,2,6,6-테트라메틸-4-피페리딜)세바케이트(BASF사제, Tinuvin770DF) 0.1 중량부, 산화방지제로 옥타데실-3-(3,5-디-t-부틸-4-하이드록시페닐) 프로피오네이트(송원산업제, Songnox 1076) 0.1 중량부를 배합하여, 직경 104mm 트윈 압출기로 110℃ 미만의 온도로 압출하여 두께 500㎛의 시트를 제조하였다.
실험예
상기 각 실시예 및 비교예에서 제작된 태양전지는 60℃, 85%, 1000V PID 테스트 후 초기 출력대비 보존율을 측정하여 그 결과를 다음 표 1에 나타냈다.
초기(%) | 1일(%) | 2일(%) | 5일(%) | 10일(%) | 20일(%) | |
실시예 1 | 100 | 98 | 97 | 97 | 96 | 96 |
실시예 2 | 100 | 99 | 98 | 98 | 97 | 97 |
실시예 3 | 100 | 99 | 99 | 99 | 98 | 98 |
실시예 4 | 100 | 99 | 99 | 99 | 98 | 98 |
실시예 5 | 100 | 99 | 98 | 97 | 97 | 97 |
실시예 6 | 100 | 99 | 97 | 96 | 96 | 96 |
비교예 1 | 100 | 97 | 96 | 94 | 91 | 89 |
상기 표 1에 나타낸 결과로부터 에틸렌비닐아세테이트에 NbO를 사용함으로 비교예 1 대비 모듈 효율이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 봉지재 내부에 니오븀 화합물을 일정한 중량부로 첨가함으로 분극현상이 완화되어 고효율 태양전지 모듈의 효율을 안정적으로 유지할 수 있음을 검증하였다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시형태에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
1 --- 표면 유리
2 --- 실리콘 태양전지 셀
3 --- 봉지재
4 --- 백시트
5 --- 전도성 화합물
2 --- 실리콘 태양전지 셀
3 --- 봉지재
4 --- 백시트
5 --- 전도성 화합물
Claims (7)
- 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100 중량부에 전도성 화합물 0.01 내지 5.0 중량부가 함유된 조성물에 의해 시트화 된 것임을 특징으로 하는 태양전지용 봉지재 시트.
- 제 1항에 있어서, 상기 에틸렌비닐아세테이트 공중합체는 비닐 아세테이트의 함유량이 26 내지 33%인 것임을 특징으로 하는 태양전지용 봉지재 시트.
- 제 1항에 있어서, 상기 전도성 화합물은 니오븀 화합물, 텅스텐 화합물, Cu, Al, Au, Ni. Cr, Ag 중에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 하는 태양전지용 봉지재 시트.
- 제 3항에 있어서, 상기 니오븀 화합물은 NbO, NbO2, 및 Nb2O5 중에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 하는 태양전지용 봉지재 시트.
- 제 3항에 있어서, 상기 텅스텐 화합물은 WO3, FeWO4, MnWO4, CaWO4, CuWO4, WC, W2C, WB, WB2, WS2, WS3, WSi2, 8Ta2O5-18WO3, Ta2O5-WO3, 및 11Ta2O5-4WO3 중에서 선택된 하나 이상임을 특징으로 하는 태양전지용 봉지재 시트.
- 제 1항에 있어서, 상기 조성물은 추가적으로 가교제 0.01 내지 1.0 중량부, 가교조제 0.01 내지 1.5 중량부, 실란커플링제 0.01 내지 1.0 중량부, 자외선 흡수제 0.01 내지 1.0 중량부, 산화방지제 0.01 내지 1.0 중량부가 첨가된 것임을 특징으로 하는 태양전지용 봉지재 시트.
- 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100 중량부에 니오븀 화합물을 0.01 내지 1.0 중량부, 가교제 0.01 내지 1.0 중량부, 가교조제 0.01 내지 1.5 중량부, 실란커플링제 0.01 내지 1.0 중량부, 자외선 흡수제 0.01 내지 1.0 중량부, 산화방지제 0.01 내지 1.0 중량부를 첨가하여 T-다이 또는 칼렌더 공법을 통해서 제조함을 특징으로 하는 태양전지용 봉지재 시트의 제조방법.
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KR1020140046667A KR20150121344A (ko) | 2014-04-18 | 2014-04-18 | 태양전지용 봉지재 시트 및 이를 사용한 태양전지 모듈 |
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- 2014-04-18 KR KR1020140046667A patent/KR20150121344A/ko not_active Application Discontinuation
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