KR20200061840A - Pid 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재와 태양전지 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

Pid 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재와 태양전지 모듈 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 PID 현상을 줄일 수 있는 봉지재에 관한 것으로, 태양전지 모듈에 사용되며 태양전지 셀을 밀봉하기 위한 봉지재로서, Na 이온 흡착제로서 실리카 겔이 분산된 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 투명도가 뛰어난 실리카 겔을 Na 이온 흡착제로서 사용함으로써, Na 이온 흡착제에 의해서 PID 열화가 발생하지 않으면서도 태양광의 입사가 방해되어 발전 효율이 떨어지는 문제가 발생하지 않는 효과가 있다.
또한, 실리카 겔은 비표면적이 넓은 물질이기 때문에, 적은 양을 첨가하여도 충분한 Na 이온을 흡착할 수 있는 효과가 있다.

Description

PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재와 태양전지 모듈 및 이의 제조방법{ENCAPSULANT AND SOLAR CELL MODULE FOR PREVENT PID, MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 태양전지 모듈과 그에 사용되는 봉지재에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 PID 열화를 방지할 수 있는 봉지재 및 태양전지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 태양광을 이용해 전기를 생산하는 태양전지는 빛에너지를 흡수하기 위하여 외부 환경에서 사용되기 때문에, 광전변환이 수행되는 태양전지와 전기를 전달하는 도선 등이 열화되면서 발전효율이 점차 감소하는 문제가 발생한다. 이러한 문제로 인하여 태양전지를 그대로 사용하지 않고, 태양전지 셀의 외부를 여러 가지 물질로 감싸는 패키징(packaging)을 통해 보호하고 있으며, 이러한 구조를 태양전지 모듈이라고 표현한다. 한편, 태양전지 모듈에 설치된 태양전지 소자를 태양전지 모듈과 구분하기 위하여 태양전지 셀로 표현하기도 한다.
한편 근래에 문제가 되고 있는 PID(Potential Induced Degradation) 현상은 이러한 모듈의 프레임과 태양전지 셀에 걸리는 포텐셜(potential)에 의해서 누설 전류가 발생하면서 모듈 전체 성능의 열화가 일어나는 현상이다. 이러한 PID 현상은, 태양전지 모듈에 사용된 유리에 포함된 Na 이온이 봉지재로 확산되면서 봉지재의 전도도를 높임으로써 누설전류가 증가하는 것과 Na 이온이 태양전 셀의 표면까지 이동하여 셀의 전열막을 파괴하는 것이 원인으로 여겨지고 있다.
이러한 측면에서 PID 문제를 해결하기 위한 방법으로는 대한민국 공개특허 10-2014-0090340에 EVA 봉지재에 사용되는 첨가제의 개선을 통해 EVA의 전기 절연 저항치를 올리는 방안이 제시되고 있다. 또한, 일본 공개특허 특개2014-150246에는 Na의 이동을 억제하기 위한 방안으로 Na 흡착 기능이 함유된 첨가제를 처방하는 방안도 제시되고 있다. 대한민국 등록특허 10-1860651은 각종 금속이온 흡착제를 포함하는 EVA시트를 사용하고 있다.
그러나 이러한 기술들은 모두 태양전지 모듈의 광 투과성을 악화시키기 때문에 태양전지 모듈의 발전효율이 저해되는 단점이 있었다.
대한민국 공개특허 10-2014-0090340 일본 공개특허 특개2014-150246 대한민국 등록특허 10-1860651
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 광투과성을 낮추지 않으면서 PID 현상을 줄일 수 있는 봉지재와 이를 사용한 태양전지 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재는, 태양전지 모듈에 사용되며 태양전지 셀을 밀봉하기 위한 봉지재로서, Na 이온 흡착제로서 실리카 겔이 분산된 것을 특징으로 한다.
실리카 겔은 넓은 비표면적으로 인하여 흡습제 등의 용도로도 많이 사용되는데, 이때 실리카 겔이 수분을 흡수하는 원리는 표면에 물의 분자가 수소결합을 하기 때문이다. 물 분자가 실리카 겔 표면에 OH에 의해서 수소결합이 수행되는 것으로 부터, 본 발명의 발명자들은 PID 현상의 원인이 되는 Na 이온을 실리카 겔에 흡착시키는 방법을 도출하였고, 본 발명에 이르게 되었다.
봉지재에 분산된 실리카 겔의 표면적이 500~800m2/g 범위이고 봉지재의 중량 기준 0.01~1 중량부 범위로 첨가된 것이 바람직하다.
봉지재가 EVA 재질의 봉지재인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 형태에 의한, PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈은, 하나 이상의 태양전지 셀; 상기 태양전지 셀을 밀봉하고 있는 봉지재; 상기 봉지재의 상면에 위치하는 보호유리; 상기 봉지재의 하면에 위치하는 백시트; 및 프레임을 포함하며, 상기 봉지재에 Na 이온 흡착제로서 실리카 겔이 분산된 것을 특징으로 한다.
봉지재에 분산된 실리카 겔의 표면적이 500~800m2/g 범위이고 봉지재의 중량 기준 0.01~1 중량부 범위로 첨가된 것이 바람직하다.
실리카 겔이 태양전지 셀의 상면에 위치하는 봉지재에만 분산된 것이 좋으며, 봉지재가 EVA 재질의 봉지재인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 형태에 의한, PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈의 제조방법은, 하나 이상의 태양전지 셀, 상기 태양전지 셀을 밀봉하고 있는 봉지재, 상기 봉지재의 상면에 위치하는 보호유리, 상기 봉지재의 하면에 위치하는 백시트 및 프레임을 포함하는 태양전지 모듈을 제조하는 방법으로서,
상기 태양전지 셀을 봉지재로 밀봉하는 과정이, 상기 태양전지 셀의 상면과 하면 각각에 봉지재 시트를 위치시킨 상태에서 열 봉합하여 수행되며, Na 이온 흡착제로서 실리카 겔이 분산된 봉지재 시트를 사용하는 것을 특징으로 한다.
봉지재 시트에 분산된 실리카 겔의 표면적이 500~800m2/g 범위이고 봉지재의 중량 기준 0.01~1 중량부 범위로 첨가된 것이 바람직하다.
실리카 겔이 태양전지 셀의 상면에 위치하는 봉지재 시트에만 분산된 것이 좋으며, 봉지재 시트가 EVA 재질인 것이 바람직하다.
본 발명의 마지막 형태에 의한, PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재 시트의 제조 방법은, 태양전지 모듈에서 태양전지 셀을 밀봉하기 위하여 사용되는 봉지재 시트를 제조하는 방법으로서, 봉지재 조성물을 혼합하는 단계; 및 봉지재 조성물을 시트 형태로 성형하는 단계를 포함하며, 상기 봉지재 조성물을 혼합하는 단계에서, Na 이온 흡착제로서 실리카 겔을 첨가하는 것을 특징으로 한다.
첨가되는 실리카 겔의 표면적이 500~800m2/g 범위이고 봉지재의 중량 기준 0.01~1 중량부 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
봉지재 시트가 EVA 재질인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 투명도가 뛰어난 실리카 겔을 Na 이온 흡착제로서 사용함으로써, Na 이온 흡착제에 의해서 PID 열화가 발생하지 않으면서도 태양광의 입사가 방해되어 발전 효율이 떨어지는 문제가 발생하지 않는 효과가 있다.
또한, 실리카 겔은 비표면적이 넓은 물질이기 때문에, 적은 양을 첨가하여도 충분한 Na 이온을 흡착할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 태양전지 모듈의 단면을 도시한 모식도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 태양전지 모듈의 단면을 도시한 모식도이다.
도시된 것과 같이, 태양전지 모듈은 태양전지 셀(100)을 감싸는 봉지재(200)와 상부의 보호유리(300) 및 하부의 백시트(400)를 포함하며, 태양전지 모듈을 고정하기 위한 프레임(500)이 외부에 위치한다.
이때, 하나의 태양전지 모듈에는 복수의 태양전지 셀(100)이 위치하고 태양전지 셀(100)들이 서로 전기적으로 연결되며, 복수의 태양전지 셀(100)에서 발전된 전기 에너지를 외부로 전달하는 도선 등이 연결되어 있으나 도면에서는 생략하였다.
태양전지 모듈의 프레임(500)에 접지되어, 태양전지 셀(100)과 프레임(500) 사이에 포텐셜이 발생한다. 이때, 상부의 보호유리(300)에는 일반적인 유리에서 마찬가지로 Na가 포함되어 있는데, 태양전지 셀(100)과 프레임(500) 사이에 발생된 포텐셜에 의해서 보호유리(300)에서 Na이온이 방출되서 봉지재(200)로 확산된다. 보호유리(300)에서 확산된 Na 이온에 의해서 봉지재(200)의 물성이 변화되고 최종적으로 Na가 태양전지 셀(100)에까지 도달하면서 태양전지 셀(100)의 절연막이 파괴되면서 전체 태양전지 모듈의 성능 열화가 발생한다.
본 발명은 봉지재(200)에 Na 이온을 포함하는 금속 이온을 흡착할 수 있는 실리카 겔을 혼합하여 분산함으로써, 보호유리(300)에서 방출된 Na의 이동을 방지하고, 결과적으로 PID 현상에 의한 태양전지 모듈의 열화를 방지할 수 있다. 실리카 겔은 OH를 포함하며, 실리카 겔 표면의 OH가 금속 이온과의 수소 결합하여 금속 이온을 고정하는 방식으로 금속 이온을 흡착할 수 있다.
특히, 본 발명에서 사용된 실리카 겔은 투명도가 높아서 태양전지 셀(100)로 입사되는 빛이 감소하는 문제를 줄일 수 있다. 도시된 것과 같이, PID 현상을 일으키는 Na 이온은 태양광이 입사되는 상부에 위치하는 보호유리(300)에서 방출되기 때문에, Na 이온을 흡착하는 흡착물질은 봉지재(200) 중에 태양전지 셀(100)의 상부측에 위치하는 것이 바람직하며, 결국 흡착물질은 태양광이 입사하는 입사경로에 배치되어야 한다. 종래에 제안되었던 Na 이온 흡착물질들은 투명도가 낮으며, 투명도가 낮은 Na 흡착물질이 광경로에 배치됨으로써 태양전지 모듈의 광발전 효율을 떨어뜨리는 원인이 되었다.
본 발명은 실리카 겔을 적용함으로써 상대적으로 투명도가 뛰어나기 때문에 태양광의 입사 경로에 분산되어 있는 경우에도 광발전 효율이 감소하는 정도가 매우 적다.
나아가 실리카 겔은 표면적이 매우 넓은 물질로서, 표면의 수소결합에 의해서 금속 이온을 흡착하는 경우에 적은 양으로도 많은 금속 이온을 흡착할 수 있는 효과가 있기 때문에, 흡착물질 분산에 따른 광발전 효율의 감소가 매우 적다. 그리고 실리카 겔의 크기가 작을 수록 비 표면적이 증가하므로, 첨가되는 실리카 겔의 크기가 작을 수록 흡착 효율은 높아지고 광발전 효율 감소에 대한 영향도 적어진다. 따라서 봉지재 제조과정에서 실리카 겔 파우더를 혼합하는 경우에는 입자의 크기가 작은 실리카 겔을 사용하는 것이 바람직하지만 비용을 고려하여 적절한 크기클 선택할 수 있다. 한편, 봉지재 제조과정에서 수분산 또는 유기분산 실리카 졸을 혼합하는 경우에 분산성을 높일 수 있다. 이때, 비표면적이 중요한 요소이기 때문에, 어떤 방식을 적용하더라도, 적절한 크기와 함께 표면에 다수의 기공이 형성된 실리카를 선택하는 것이 좋다.
한편, 실리카 겔이 분산되어 Na 이온이 태양전지 셀에 도달하지 못하도록 흡착하는 봉지재(200)는 태양전지 모듈에 많이 사용되는 EVA 재질을 적용한다.
EVA 봉지재(200)는 태양전지 모듈에 일반적으로 적용되는 재질들을 제한 없이 적용할 수 있다. 일반적으로 봉지재는 태양전지 셀(100)의 상면과 하면의 각각에 태양전지 셀(100)보다 넓은 EVA 시트를 위치시킨 상태에 열봉합하여, 태양전지 셀(100) 주변으로 EVA 시트가 접합되면서 태양전지 셀(100)을 밀봉하게 된다. 따라서 본 발명에 따른 하나의 형태로서, EVA 시트를 제조하는 과정에 금속 이온 흡착제로서 실리카 겔을 첨가한 EVA 시트를 제공한다.
본 발명의 다른 형태인 태양전지 모듈을 제조하는 방법에 있어서는, 금속 이온 흡착제로서 실리카 겔을 첨가한 EVA 시트를 사용하여 태양전지 셀(100)을 밀봉하는 것을 특징으로 한다. 이때, Na 이온이 확산되는 태양전지 셀의 상면에 위치하는 EVA 시트에만 실리카 겔이 첨가된 EVA 시트를 사용하고, 하면에 위치하는 EVA 시트는 일반적인 EVA 시트를 사용하는 것도 가능하다.
EVA 시트에 첨가된 실리카 겔이 Na 이온을 흡착하여 고정하는 효과는 실리카 겔의 표면적에 따라 좌우되며, 실리카 겔의 표면적 1nm2 당 약 0.7개의 Na 이온이 수소결합될 수 있는 것으로 확인되었다. 따라서, 금속 이온을 흡착하여 PID 현상을 방지하기 위해서는 EVA 시트에 첨가된 실리카 겔의 표면적이 500~800m2/g 범위이고 EVA 기준 0.01~1 중량부 범위로 첨가된 것이 바람직하다.
살펴본 것과 같이, Na 이온 흡착 효과에 직접 연관되는 지표는 표면적이지만, 다공성인 실리카 겔의 표면적인 500~800m2/g 범위를 기준으로 금속 이온 흡착에 충분한 표면적을 얻기 위해서는 EVA 기준 0.01~1 중량부의 실리카 겔이 EVA 시트에 분산되어야 하는 것으로 확인되었다. 첨가되는 실리카 겔의 입경이 작을수록 무게당 표면적이 증가하기 때문에 더 적은 양을 첨가하여도 충분한 표면적을 얻을 수 있으나, 입경이 작은 실리카 겔을 사용하는 경우에 재료 비용이 증가하는 단점이 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 태양전지 셀
200: 봉지재
300: 보호유리
400: 백시트
500: 프레임

Claims (14)

  1. 태양전지 모듈에 사용되며 태양전지 셀을 밀봉하기 위한 봉지재로서,
    Na 이온 흡착제로서 실리카 겔이 분산된 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 봉지재에 분산된 실리카 겔의 표면적이 500~800m2/g 범위이고 봉지재의 중량 기준 0.01~1 중량부 범위로 첨가된 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 봉지재가 EVA 재질의 봉지재인 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재.
  4. 하나 이상의 태양전지 셀;
    상기 태양전지 셀을 밀봉하고 있는 봉지재;
    상기 봉지재의 상면에 위치하는 보호유리;
    상기 봉지재의 하면에 위치하는 백시트; 및
    프레임을 포함하며,
    상기 봉지재에 Na 이온 흡착제로서 실리카 겔이 분산된 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 봉지재에 분산된 실리카 겔의 표면적이 500~800m2/g 범위이고 봉지재의 중량 기준 0.01~1 중량부 범위로 첨가된 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 실리카 겔이, 상기 태양전지 셀의 상면에 위치하는 봉지재에만 분산된 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 봉지재가 EVA 재질인 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈.
  8. 하나 이상의 태양전지 셀, 상기 태양전지 셀을 밀봉하고 있는 봉지재, 상기 봉지재의 상면에 위치하는 보호유리, 상기 봉지재의 하면에 위치하는 백시트 및 프레임을 포함하는 태양전지 모듈을 제조하는 방법으로서,
    상기 태양전지 셀을 봉지재로 밀봉하는 과정이, 상기 태양전지 셀의 상면과 하면 각각에 봉지재 시트를 위치시킨 상태에서 열 봉합하여 수행되며, Na 이온 흡착제로서 실리카 겔이 분산된 봉지재 시트를 사용하는 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 봉지재 시트에 분산된 실리카 겔의 표면적이 500~800m2/g 범위이고 봉지재의 중량 기준 0.01~1 중량부 범위로 첨가된 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 태양전지 셀의 상면에 위치되는 봉지재 시트에만 실리카 겔이 분산된 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈의 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 봉지재 시트가 EVA 재질인 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈의 제조방법.
  12. 태양전지 모듈에서 태양전지 셀을 밀봉하기 위하여 사용되는 봉지재 시트를 제조하는 방법으로서,
    봉지재 조성물을 혼합하는 단계; 및
    봉지재 조성물을 시트 형태로 성형하는 단계를 포함하며,
    상기 봉지재 조성물을 혼합하는 단계에서, Na 이온 흡착제로서 실리카 겔을 첨가하는 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재 시트의 제조 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 실리카 겔의 표면적이 500~800m2/g 범위이고 봉지재의 중량 기준 0.01~1 중량부 범위로 첨가되는 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재 시트의 제조 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 봉지재가 EVA 재질의 봉지재인 것을 특징으로 하는 PID 열화 방지를 위한 태양전지 모듈용 봉지재 시트의 제조 방법.
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