KR20220149453A - 착색 태양 전지의 제조 방법 - Google Patents

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세바스티안 바르트
로랭 데루
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메르크 파텐트 게엠베하
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Abstract

본 발명은 배향된 효과 안료를 갖는 착색된 중합체 필름을 포함하는 착색 태양 전지 또는 착색 태양 전지 모듈의 제조 방법, 및 이 방법에 의해 제조되는 착색 태양 전지 또는 착색 태양 전지 모듈에 관한 것이다.

Description

착색 태양 전지의 제조 방법{PROCESS OF PREPARING COLORED SOLAR CELLS}
본 발명은 효과 안료(effect pigments)를 갖는 착색 중합체 필름을 포함하는 착색 태양 전지(cells) 또는 착색 태양 전지 모듈(modules)의 제조 방법, 및 이 방법에 의해 제조된 착색 태양 전지 또는 착색 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
태양 전지는 지난 몇 년 동안 큰 성공을 거두었으며 2019년에는 전 세계 그리드(grid) 연결 설비 규모가 600 GW를 넘어섰으며 대다수가 유틸리티 규모(utility scale)로 설치되었다. 모든 태양 전지의 기본 기능은 하기와 같다: 광활성 재료는 빛을 흡수하여 여기된 전자-정공 쌍을 생성한다. 이 전자-정공 쌍은 전자 및 정공에 대해 상이한 이동성을 가진 영역(소위 p-n 접합)에 의해 태양 전지 내에서 분리된다. 다양한 종류의 광 흡수성 재료가 사용될 수 있으므로, 태양광 산업에는 다음과 같은 상이한 종류의 태양 전지 기술이 알려져 있다:
1) 결정질(crystalline) 실리콘(silicon) 태양전지(단결정질 c-Si 및 다결정질 mc-Si)
2) 카드뮴-텔루라이드 태양 전지 (CdTe)
3) 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드 (CIGS/CIS)
4) 비정질(amorphous) 실리콘 태양 전지 (a-Si)
5) 갈륨-비소(GaAs) 태양 전지와 같은 Ⅲ/V 태양 전지 또는 게르마늄/인듐-(알루미늄)-갈륨-비소 또는 인 (In(Al)GaAs/p)과 같은 Ⅲ 및 V 족 원소의 스택으로 이루어진 다중-접합 태양 전지
6) 염료 감응형(sensitized) 태양 전지 (DSSC)
7) 유기 태양 전지 (OSC)
8) 페로브스카이트(Perovskite) 태양 전지 (PSC)
9) 양자점(quantum dot) 태양 전지 (QSC)
10) 아연 셀레나이드(ZnSe) 또는 황화철(FeS)과 같은 Ⅱ 족 및 Ⅵ 족 원소로 이루어진 기타 Ⅱ/Ⅵ 태양 전지
11) 탠덤(tandem) 태양 전지
그럼에도 불구하고, 예를 들어 건물의 더 많은 표면 및 물체(예를 들어, 자동차)의 기타 표면을 사용하면 태양 에너지 생산에 사용될 수 있는 전체 표면적이 증가한다. 이를 위해, 매력적인 색상의 태양 전지를 만들고 다양한 흡수 각도에서 효율성을 높이는 새로운 기술과 접근법이 태양 에너지 사업의 주요 관심사이다.
국제 특허 공개 제WO 2019/122079A1호는 예를 들어 투명 적층 재료와 같은 적용 매개체에 효과 안료를 혼입함으로써, 단일 태양 전지 또는 복수의 전기적으로 상호 연결된 태양 전지로 제조된 태양 전지 모듈을 착색하는 방법을 개시하고 있으며, 후속적으로 이는 태양 전지 모듈에 적용된다. 국제 특허 공개 제WO 2019/122079A1호에는 효과 안료가 전체 태양 전지 효율을 크게 감소시키지 않으면서 유리 또는 Si에 인쇄되거나 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(copolymer)) 필름에 사용될 때 충분한 색상을 제공할 수 있다고 추가로 설명되어 있다.
효과 안료는 가시광선의 일부를 반사하지만, 에너지를 생성하는 데 필요한 빛은 통과시킨다. 그러나, 효과 안료는 소판-형상(platelet-shaped)이기 때문에, 그의 색상 반사는 안료 소판(platelets)의 가장자리가 태양광 모듈의 시각 표면(visual surface)을 대면하도록 배향된 것이 더 많을수록 더 감소한다. 따라서 효과 안료는 주로 모듈 표면에 실질적으로 평행하게 배향되어야 하지만, 특정한 임의의 배향(orientation)은 어느 정도는 시야 각과 관련된 색상 인상을 유지하기 위해 여전히 바람직할 수 있다.
캡슐화된(encapsulated) 태양 전지 모듈을 제조하기 위한 기존의 기술은 일반적으로, 후면 시트(back sheet) 또는 유리에 적층된 봉합재(encapsulant) 필름에 내장된 버스 바(bus bars)가 장착된 전면(front) 유리 및 태양 전지의 스택을 구축하는 것을 포함한다. 그 후 스택은 예를 들어 130℃에서 160℃까지(사용된 봉합재 재료의 유형에 따라 다름) 가열되고 진공 또는 임의의 기타 유형의 물리적 압력에 의해 함께 압축된다.
최종적인 캡슐화된 태양 전지 모듈의 성분들은 도 1에 예시적으로 도시되어 있고, 전면 시트(11), 전면 봉합재 필름(12), 버스 바를 갖춘 태양 전지의 패턴 또는 어레이(array)(13), 후면(rear) 봉합재 필름(14) 및 후면 시트(15)를 포함한다. 화살표는 입사광(incident light)의 방향을 나타낸다.
그러나, 효과 안료를 함유하는 전면 봉합재 필름(12)이 사용될 때, 적층 후 단일 전지 및/또는 버스 바 주변의 특정 영역이 다른 영역보다 더 어둡게 나타나는 것이 관찰되었다.
특정 이론에 얽매이지 않고, 소판 형상 안료가 필름 표면에 대한 바람직한 평행 배향으로부터 색상 반사를 감소시키는 보다 직교적인 배향으로 그의 배향을 변경하는 경향이 있다고 추측된다. 안료의 배향성 상실은 적층 공정 중의 용융된 중합체의 유동 및/또는 봉합재 필름의 수축으로 설명될 수 있다. 그 결과, 착색 태양 전지 모듈에서 전지 및 스트링(strings)/버스 바의 특정 확장 패턴이 가시적 상태로 남게 된다.
이는, 건물의 정면 또는 건물에 통합된 광전지(photovoltaics)의 다른 영역과 같은 특정 영역에서 효과 안료로 착색된 캡슐화 필름의 사용을 제한할 수 있는 단점이다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래 기술의 방법에서 관찰되는 결점이 없고, 개선된 색상 반사를 갖는 착색 태양 전지 또는 착색 태양 전지 모듈의 제조를 가능하게 하면서도, 적층 공정 동안 효과 안료의 바람직하지 않은 재배향을 방지하는, 효과 안료를 함유하는 중합체 필름을 태양 전지 또는 태양 전지 모듈에 적층하기 위한 개선된 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 이러한 방법으로 제조된 개선된 착색 태양 전지 또는 착색 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.
놀랍게도, 이러한 목적들 중 하나 이상이 본 명세서에서 개시되고 청구된 바와 같은 방법 및 태양 전지를 제공함으로써 달성될 수 있다는 것이 발견되었다.
특히, 놀랍게도, 효과 안료를 갖는 중합체 필름이 예비-적층 단계에서 전면 시트에 적층되도록 태양 전지 모듈의 적층 공정이 수정될 때, 효과 안료의 바람직하지 않은 재배향, 및 이로 인한 착색 태양 전지 또는 태양 전지 모듈에서의 전지 및 스트링/버스 바의 바람직하지 않은 어두운 패턴의 출현을 감소시킨다는 것이 발견되었다.
따라서, 본 출원은
a) 바람직하게는 열 및/또는 압력을 가하거나, 또는 접착제 또는 결합제 또는 결합층을 사용하여, 바람직하게는 진공 프레스에서, 하나 이상의 효과 안료를 함유하는 중합체 필름을 전면 시트에 적층하는 단계,
b) 임의적으로 효과 안료를 함유하는 적층된 중합체 필름을 갖는 전면 시트를, 바람직하게는 실온으로 냉각시키는 단계,
c) C1) 임의적으로 하나 이상의 전면 봉합재 필름 층,
C2) 전도성 부품, 바람직하게는 버스 바에 의해, 전기적으로 상호 연결된 하나 이상의 태양 전지 또는 태양 전지 어레이 층,
C3) 임의적으로 하나 이상의 후방 봉합재 필름 층,
C4) 후면 시트 층
을 포함하는 스택을 상기 효과 안료를 함유하는 적층된 중합체 필름을 갖는 전면 시트의 상부에 제공하거나, 또는 상기 효과 안료를 함유하는 적층된 중합체 필름이 있는 전면 시트를 층 C1 내지 C4의 스택의 상부에 제공하는 단계,
d) 바람직하게는 열 및/또는 압력을 가하거나, 또는 접착제 또는 결합제를 사용하여, 바람직하게는 진공 프레스에서, 상기 효과 안료를 함유하는 적층된 중합체 필름을 갖는 전면 시트에 상기 층 C1 내지 C4의 스택을 적층하는 단계
를 포함하는 착색 태양 전지 또는 착색 태양 전지 모듈의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 및 하기에서, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 “전면 측”이라는 용어는 방사선을 받는 측 또는 입사광을 마주하는 측을 의미하고, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 “후면 측” 또는 “후면”이라는 용어는 방사선을 받는 쪽의 반대쪽 또는 입사광을 외면하는 쪽을 의미한다. “전면 유리/시트” 또는 “전면 봉합재 필름”은 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 전면에 제공되는 유리, 시트 또는 봉합재 필름을 의미하고, 용어 “후면 유리/시트” 및 “후면 봉합재 필름”은 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 후면에 제공되는 유리, 시트 또는 봉합재 필름을 의미한다.
상기 및 하기에서, 달리 언급되지 않는 한 용어 “태양 전지”는 단일 태양 전지 및 태양 전지 모듈, 뿐만 아니라 전술한 어레이, 스트링 또는 패턴을 모두 포함하는 것으로 이해된다. 마찬가지로, “태양 전지 모듈”이라는 용어는 달리 언급되지 않는 한 단일 태양 전지도 포함하는 것으로 이해된다.
본 발명은, 뛰어난 유연성을 갖고 태양 전지 효율에서 낮거나 무시할 수 있을 정도의 손실, 및 높은 수준의 장기 안정성으로 광범위의 다양한 색상을 달성할 수 있는 최신식 태양 전지뿐만 아니라 전기적으로 상호 연결된 복수의 태양 전지로 이루어진 태양 전지 모듈을 착색하는 매우 효율적인 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은, 단일 태양 전지가 가시적이지 않고 동시에 태양 전지 효율에서 낮거나 무시할 수 있는 손실이 달성되도록, 태양 전지 모듈 내의 버스 바가 흑색화 될 수 있는 높은 색상 균일성(uniformity)을 달성하기 위한 해결책을 제공한다.
특히, 놀랍게도, 상기 및 하기에서 “단계 a)”로 명명된 예비-적층 단계에서 효과 안료를 함유하는 중합체 필름이 태양 전지의 전면 시트에 적층되도록 태양 전지 제조 방법을 수정함으로써, 착색 태양 전지 또는 태양 전지 모듈에서 전지 및 스트링/버스 바의 바람직하지 않는 어두운 패턴의 출현을 감소시키거나 심지어 방지하는 것이 가능하다는 점이 발견되었다. 중합체 필름과 함께 효과 안료가 전면 시트에 예비-고정되는 반면, 예비-적층 단계 자체는 그러한 배향성 상실을 일으키지 않거나 또는 더 적은 정도로만 일으키기 때문에, 태양 전지의 최종적인 적층 동안 효과 안료의 배향성 상실이 감소되거나 심지어 방지될 수 있다고 믿어진다.
또한, 본 발명에 따른 효과 안료는 특히 EVA 필름(에틸렌 비닐 아세테이트 필름)에 사용될 때, 총 태양 전지 효율을 유의적으로 감소시키지 않으면서 충분한 색상을 제공하는 데 이상적임이 밝혀졌다. 장기적인 시험에서는 높은 수준의 안정성을 보여주었다. 효과 안료-함유 필름과 태양 전지 사이의 직접 접촉부가 태양광 모듈 설정에서 가장 까다로운 위치이므로, 태양광 모듈 스택의 임의의 위치에서의 부정적인 영향은 없다고 가정될 수 있다.
효과 안료는 입사하는 가시광선의 일부를 반사하지만, 광전지 과정에 의해 에너지를 생성하는 데 필요한 빛은 통과시킨다. 효과 안료는 최상의 효율 각도를 수정하여 색상 및 효율성을 발휘하는 것이 가능하도록 배향될 수 있다.
효과 안료를 갖는 중합체 필름은 종래 기술의 태양 전지에 쉽게 적용될 수 있어, 그의 적용을 훨씬 더 효율적으로 만든다. 예비-적층 단계 및 효과 안료를 함유하는 적층된 중합체 필름을 갖춘 전면 시트를 태양 전지 모듈에 적용하는 공정 단계 모두, 캡슐화된 태양 전지 모듈을 구축하기 위한 기존 종래 기술 방법에 쉽게 통합될 수 있다.
본 발명을 사용함으로써, 태양 전지의 시각적 외관은 특별한 필요성에 따라 조정될 수 있다. 건물, 장치, 자동차 등과 같은 태양 전지를 포함하는 물체의 외부 시각적 외관이 개선될 수 있고, 태양 전지의 투과율 및 반사율이 제어될 수 있다. 또한, 암색(dark) 후면 시트가 사용되고 버스 바 및 연결 지점이 어두운 경우, 전지 및 밝은 색상의 버스 바의 가시성(visibility)이 회피될 수 있다. 또한, 본 발명은 특수 효과 및 디자인을 달성하기 위한 특별한 색상을 갖는 태양 전지를 제공하는 데 사용될 수 있으며, 예를 들어 사용된 효과 안료에 따라 패널 상의 스파클(sparkle) 효과와 같은 질감이 추가될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 이점은, 외관을 사람들에게 익숙한 무채색(neutral) 모습으로 바꾸어 임의의 표면에 태양 전지를 매끄럽게(seamlessly) 통합할 수 있다는 것이다. 태양 전지의 착색은 다양한 색상으로 가능하고 유리와 같은 단단한 기판 또는 단일 태양 전지 기술에 국한되지 않는다. 또한, 적층 스택의 추가 층과 같은 임의의 복잡한 해결책이 필요하지 않다.
효과 안료 층은 태양 전지의 전면 외관을 빨간색, 청색, 보라색, 녹색 등과 같은 다양한 색상으로 만든다. 바람직한 색상 효과를 얻기 위해 중합체 필름의 두께, 사용된 중합체 유형뿐만 아니라 효과 안료의 농도 또는 이들의 조합이 변경될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 방법은, 많은 종류의 표면 예컨대 건물(파사드(facade) 및 지붕), 핸드 홀드(hand hold), 휴대용 및 설치된 장치, 이동 수단(차, 오토바이, 스쿠터, 트럭 및 이와 유사한 것) 또는 광학적 외관을 변경하지 않고 태양 전지의 매끄러운 통합이 필요한 임의의 기타 가시적 표면, 또는 태양 전지의 전형적인 기술적 외관이 사람들에게 익숙한 전형적인 외관으로 변경될 수 있고 장기적인 안정성이 필수적인 기타 종류의 태양광 설비에 태양 전지를 매끄럽게 통합하는 데 사용될 수 있다. 또한, 이러한 개선은 태양 전지 효율성의 큰 손실 없이 달성될 수 있다.
상기 착색 태양 전지는 건물, 통신 및 운송 물체 예컨대 자동차, 기차, 트럭, 트레일러, 수동 장치, 선박, 가격표, 플라스틱, 착용가능 물품 및 가전 제품 또는 이와 유사한 것과 같은 임의의 전형적으로 착색된 표면에 사용될 수 있다.
또한, 태양 전지 성능에 영향을 미친다는 큰 단점을 가지고 있고 실제 사용 조건에서 태양 전지 효율이 15% 초과의 초기 성능에서 10% 미만으로 떨어질 수 있는 현재 이용 가능한 기술과 대조적으로 착색 태양 전지의 효율성은 크게 영향을 받지 않기 때문에, 태양광 발전 비용이 눈에 띌 정도로 크게 증가하지 않는다.
놀랍게도, 효과 안료의 농도가 적절하게 선택되면, 효과 안료는 전지 효율에 미미한 영향을 주어 태양 전지를 균일하게 착색할 가능성을 보여준다. 또한 놀랍게도, 특히 통상적인 효과 안료 예컨대 진주 광택 안료, 간섭 안료 및/또는 다층 안료가 바람직한 효과를 나타내는 것으로 밝혀졌다. 이러한 효과 안료의 작동 원리는 특정 파장 영역의 선택된 반사를 기반으로 하기 때문에, 색상 효과를 선택적으로 조정할 수 있고 결과적인 효율성은 빛의 투과된 부분과 직접적으로 연관될 수 있다. 일반적으로, 특정 파장의 낮은 반사율에서 바람직한 색상 효과가 이미 얻어질 수 있다. 심지어, 일부 플레이크(flakes)에 의해 감지되는 700 내지 1100nm의 전용 파장에서 성능이 향상될 수 있으며, 이는 양자 효율에 중요하다.
열, 자외선, 습도 및 온도 변화에 대한 전체 시스템의 장기적인 안정성도 긍정적인 것으로 시험되었다.
이제 본 발명에 따른 제조 방법을 더 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 제조 방법에 의해 제조된 바람직한 태양 전지 또는 태양 전지 모듈은
- 유리 또는 플라스틱 필름, 예를 들어 TPT(테들러(Tedlar)®-폴리에스터-테들러®, 이때 테들러®는 듀퐁(Dupont)에서 상업적으로 구매 가능한 PVF(폴리비닐플루오라이드) 필름임)의 2개의 외부 시트(전면 및 후면 시트라고도 하는 상부 및 하부 시트),
- 중합체 물질, 예를 들어 폴리올레핀, 특히 EVA(에틸렌 비닐 아세테이트), EBA(에틸렌 부틸 아크릴레이트), EMA(에틸렌 메틸 아크릴레이트), EEA(에틸렌 에틸 아크릴레이트), POE(폴리올레핀 엘라스토머), BPO(예를 들어, 보레알리스(Borealis)로부터 퀸티즈(Quentys)®라는 이름으로 상업적으로 구매 가능한 에틸렌 및 메틸 아크릴레이트 또는 폴리프로필렌의 공중합체), 또한 PVB 또는 TPU(열가소성 폴리우레탄), 바람직하게는 EVA(이들 중 1종이 하나 이상의 효과 안료를 함유함)을 포함하나 이에 제한되지 않는 폴리에틸렌 공중합체의 2개 이상의 투명 층, 및
- 태양 전지 또는 전기적으로 상호 연결된 태양 전지의 스트링 또는 어레이
를 포함한다.
이러한 성분들은 다음 순서로 적층된다: 전면 유리 / 효과 안료를 갖는 전면 중합체 필름/ 바람직하게는 효과 안료가 없는 제2 중합체 필름/ 태양 전지(들) / 효과 안료가 없는 후면 중합체 필름 / 후면 유리 또는 TPT.
선행 기술에서 제시된 바와 같이 하나의 단계로 상기 스택을 적층하는 대신에, 본 발명에 따른 제조 방법에서는, 효과 안료를 함유하는 중합체(EVA) 필름이 예비-적층 단계(단계 a)에서 전면 시트에 적층된다.
예비-적층 단계 a)는 표준 방법을 사용하여, 예를 들어 2개의 층에 열 및 압력을 가하여, 예를 들어 진공 및/또는 임의의 다른 형태의 물리적 압력을 특정 시간 간격 동안 가하여, 예를 들어 적층 기계 내에서 수행될 수 있다.
대안적으로 및/또는 추가적으로, 적층은 하나 이상의 접착제 및/또는 결합제 또는 결합층을 사용하여 달성되거나 지원될 수 있다. 접착제/결합제는 반응성 또는 비-반응성일 수 있으며, 천연 또는 합성 원료를 포함하거나 이로 이루어질 수 있다. 적합하고 바람직한 예는 바람직한 적용례에 따라 폴리우레탄(PUR), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 고무, 아크릴 및 실리콘 접착제가 포함되지만 이에 제한되지 않는다.
예비-적층 단계 a) 후에, 적층을 위해 열이 가해지는 경우, 효과 안료를 함유하는 적층된 중합체 필름을 갖는 전면 시트는 바람직하게는 단계 b)에서 냉각되고, 매우 바람직하게는 실온으로 냉각된다. 효과 안료를 함유하는 중합체 필름은 이제 유리에 영구적으로 고정되고 손으로 떼어낼 수 없다. 상기 안료는 표면에 고르게 분포되어 있다.
다음 단계 c)에서, 임의적 전면 봉합재, 태양 전지, 임의적 후면 봉합재, 및 후면 시트로 된 나머지 스택이 전면 유리 및 효과 안료를 갖는 중합체 필름의 예비- 적층된 이중층의 상단에 배치되거나, 대안적으로 예비-적층된 이중층이 나머지 스택 상단에 배치된다. 바람직하게는 예비-적층된 이중층은 효과 안료를 갖는 중합체 필름이 태양 전지를 향하도록 배치된다.
그 후 스택의 최종 적층이 바람직하게는 예비-적층 단계의 조건과 유사한 조건 하에 단계 d)에서 수행된다.
예비-적층 단계 a) 및 최종 적층 단계 d)에서, 적절한 인가 열 및 압력 및 시간 간격은 사용되는 시트 및 필름의 유형에 따라 다르고 당업자에 의해 용이하게 선택될 수 있다. 전면 유리 시트 및 EVA 중합체 필름을 사용하는 경우, 가열 온도는 바람직하게는 130℃ 내지 160℃, 매우 바람직하게는 135℃이고, 시간 간격은 20 내지 30분이 바람직하다. 바람직하게는 진공 프레스가 사용된다. 바람직하게는 400 내지 900 mbar의 압력이 적용된다.
최종 적층 단계 d) 후에, 적층된 스택은 바람직하게는 실온으로 다시 냉각된다. 봉합재 필름 및 후면 시트(플라스틱 후면 시트가 사용되는 경우)의 필요 이상의 재료를 제거하고, 태양 전지 모듈의 전기적 연결을 위해 접합(junction) 박스가 부착될 수 있다. 최종적으로 적층체(laminate)가 프레임화될 수 있다.
바람직하게는 생성된 적층체는 완전히 밀봉되고, 이상적인 경우에 적어도 25년 동안 태양 전지를 보호할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 제조 방법에 의해 제조된 태양 전지 모듈은 도 2에 예시적으로 도시되어 있고, 바람직하게는 유리 시트인 전면 시트(21), 효과 안료(들)를 포함하고 바람직하게는 EVA 필름인 중합체 필름(22), 바람직하게는 EVA 필름이고 효과 안료 또는 기타 착색제를 함유하지 않는 전면 봉합재 필름(23), 버스 바를 갖는 태양 전지 어레이(24), 바람직하게는 EVA 필름인 후면 봉합재 필름(25), 및 바람직하게는 TPT 필름 또는 유리 시트인 후면 시트(26)를 포함한다. 화살표는 입사광의 방향을 나타낸다.
바람직한 실시양태에서, 효과 안료를 갖는 중합체 필름(22)과 태양 전지(24) 사이, 및/또는 태양 전지(24)와 후면 시트(26) 사이에 하나 이상의 추가 봉합재 필름(도 2에 도시되지 않음)이 제공된다. 추가 봉합재 필름은 효과 안료를 함유하지 않는다.
또 다른 바람직한 실시양태에서 태양 전지 모듈은 전면 봉합재 필름(23)을 함유하지 않는다.
또 다른 바람직한 실시양태에서 효과 안료를 함유하는 중합체 필름(22)은 봉합재 필름으로서 기능한다.
또 다른 바람직한 실시양태에서, 완성된 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 상부에 보호 포일(foil) 또는 외부 포일(도 2에 도시되지 않음)이 적용된다.
전면 시트(21), 중합체 필름(22) 및 전면 봉합재 필름(23)과 같이 태양 전지 모듈의 전면에 위치한 컴포넌트들은 태양 전지 또는 태양 전지 어레이(24)를 통과하는 입사광을 실질적으로 투과시킨다.
바람직하게는 전면 시트(21) 및 후면 시트(26)는 유리 시트로부터 선택된다. 다른 바람직한 실시양태에서, 전면 시트(21) 및/또는 후면 시트(26), 더욱 바람직하게 후면 시트(26)는 중합체 시트, 바람직하게는 TPT 시트이다.
후면 시트로서 또는 후면 시트에 사용하기 위한 추가의 바람직한 중합체는 이중 플루오로중합체, 단일 플루오로중합체 및 비-플루오로중합체로 분류될 수 있고 각 범주 내에서 다양한 구조를 이룰 수 있다. 이중 플루오로중합체 후면 시트는 일반적으로 주로 테들러® 폴리비닐 플루오라이드(PVF) 필름, 또는 키나(Kynar)® 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름으로 된 외부 층 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 된 코어 층으로 이루어진다. 단일 플루오로중합체 후면 시트는 일반적으로 공기 측의 테들러® 또는 키나®, 내부 측의 PET 및 프라이머 또는 EVA 층으로 이루어진다. 비-플루오로중합체 후면 시트는 일반적으로 두 개의 PET 및 한 개의 프라이머(primer) 또는 EVA 층으로 이루어진다.
도 2에 예시적으로 도시된 바와 같은 태양 전지 어레이(24)는 또한 단일 태양 전지로 대체될 수 있다.
태양 전지(24)는 비정질, 단결정질 및 다결정질 실리콘 태양 전지, CIGS, CdTe, Ⅲ/V 태양 전지, Ⅱ/Ⅵ 태양 전지, 페로브스카이트 태양 전지, 유기 태양 전지, 양자점 태양 전지 및 염료 감응형 태양 전지뿐만 아니라 단일 전지들로 구성된 태양 전지 모듈을 포함하는 태양 전지 장비들의 임의의 종류로부터 선택될 수 있다. 결정질 태양 전지는 결정질 실리콘 기재를 기반으로 하는 Al-BSF, PERC, PERL, PERT, HIT, IBC, 양면형 또는 임의의 다른 전지 유형과 같은 전지 구조물을 포함한다.
후면 시트(26)는 바람직하게는 흑색 또는 암색이고/이거나, 예를 들어 후면 봉합재 필름 또는 추가 봉합재 필름과 같은 흑색 또는 암색의 시트가 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 후면, 즉, 태양 전지(24)와 후면 시트(26) 사이에 제공되며, 이때 상기 암색은 바람직하게는 태양 전지의 색과 동일한 어두운 청색이다.
태양 전지에서 전도성 부품은 바람직하게는
i) 메인 수직 커넥터로 이루어진 H-그리드 - 소위 버스 바,
ⅱ) 수평 집전(current gathering) 부품 - 소위 핑거(fingers),
ⅲ) 전지 사이의 커넥터 및 땜납
을 포함하지만 이에 제한되지 않는 금속 기반 전도성 부품을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 태양 전지(24)의 완전히 균질한 외관을 달성하기 위해, 상술한 부품 i) 내지 ⅲ)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 금속 기반 전도성 부분은 바람직하게는, 효과 안료를 갖는 중합체 필름(22)의 적용 전에 흑색 또는 어두운 태양광 청색과 같은 암색으로 착색된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시양태에서, 암색, 바람직하게는 흑색 또는 어두운 청색의 그리드가 태양 전지의 하나 이상의 층에 통합되며, 상기 그리드는 단일 태양 전지와 버스 바, 전도 경로 및 납땜 지점을 포함하는 전도성 부품의 사이 공간과 같은 밝은 영역을 덮는다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시양태에서는, 단일 태양 전지들 사이의 공간을 감추기 위해, 흑색 또는 어두운 청색 후면 층이 태양 전지 뒷부분에 적용된다. 흑색 또는 어두운 청색 후면 층은 인쇄되거나 포일로 적용될 수 있다.
H-그리드 전면 패턴을 가진 태양 전지(24)의 그 밖의 백색으로 보이는 금속 부분을 어둡게 하는(darkening) 적합하고 바람직한 방법은 금속 스트립(strips)를 흑색 중합체 포일로 덮거나 또는 상기 금속 부분을 흑색 페인트로 브러싱(brushing)하는 것을 포함한다. 인쇄된 은(silver) H-그리드의 경우, 상기 은은 황화은의 얇은 층의 형성(예를 들어, H2S 처리) 또는 구리 도금 및 산화에 의해 직접 흑화될 수 있다. 도금된 금속 그리드의 경우, 금속 스택의 최상층은 강한 흡수성 금속 산화물 또는 황화물, 예컨대 CuO 또는 Ag2S 또는 유사한 암색의 금속 산화물 등으로 직접 도금될 수 있다. (스마트 와이어 기술과 같은)새로운 금속화 방식을 사용하는 경우, 흑화된 와이어 또는 반사율을 감소시켜 금속 그리드의 어두운 외관을 만드는 미세 구조를 가진 와이어도 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 흑색 또는 어두운 태양광 청색 후면 시트를 모듈 배경으로 사용하는 경우, 심지어 가까운 거리에서도 전체 모듈의 매우 균일한 외관이 달성될 수 있다.
중합체 및 봉합재 필름은 바람직하게는 유기 중합체, 비제한적으로, 예를 들어 폴리에틸렌 공중합체 예컨대 EVA(에틸렌 비닐아세테이트), EBA(에틸렌 부틸아크릴레이트), EMA(에틸렌 메틸아크릴레이트), EEA(에틸렌 에틸아크릴레이트), POE(폴리올레핀 엘라스토머), BPO, 또한 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리비닐부티랄 PVB, 폴리카보네이트, 폴리비닐클로라이드, 폴리비닐 아세테이트, 폴리아크릴레이트, 폴리올, 폴리이소시아네이트 또는 폴리아민와 같은 폴리올레핀, 뿐만 아니라 상기 언급된 것의 공중합체, 수지, 블렌드 또는 다층막, 예컨대 폴리카보네이트-함유 우레탄 수지, 비닐 클로라이드-비닐 아세테이트 함유 우레탄 수지, 아크릴 수지, 폴리우레탄 아크릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지, 또는 TPU(열가소성 폴리우레탄)로부터 선택된다.
전면, 후면 및 추가의 봉합재 필름은 바람직하게는 TPU 또는 폴리올레핀, 비제한적으로 예를 들어 EVA, EBA, EMA, EEA, POE 또는 BPO, 가장 바람직하게는 EVA를 함유하고, 매우 바람직하게는 이로 이루어진다.
효과 안료(들)를 포함하는 중합체 필름(22)은 방사선을 받는 쪽, 즉, 본 발명에 따른 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 가시부(visible part) 내에 위치된다. 이는, 도 2에 도시된 바와 같이 전면 시트(21)의 내부, 즉, 태양 전지 또는 태양 전지 어레이와 마주하는 측면의 태양 전지 모듈에 위치하거나, 대안적으로 전면 시트(21)의 외부, 즉, 입사광을 마주하는 측면에 위치될 수 있다.
효과 안료를 갖는 중합체 필름(22)은 임의의 표면에 국소적으로 유연하게 적용될 수 있다. 따라서, 그것은 완성된 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 외부 상에, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈을 덮고 있는 보호 기재(유리 또는 플라스틱) 상에, 또는 직접 광활성 물질/태양 전지 상에 적용될 수 있다.
유리하게는, 효과 안료를 갖는 중합체 필름(22)은 또한 반사-방지 필름으로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 중합체 필름(22)에 사용되는 효과 안료는 바람직하게는 투과성이거나 적어도 반-투과성이다. 본 발명에 유용한 효과 안료는 바람직하게는 녹색을 나타낸다. 그러나, 청색, 회색, 흰색, 자색, 적색, 주황색, 흑색과 같은 다른 색상도 적합하다. 특정 색상과 음영을 생성하기 위한 다른 색상 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 효과 안료는 또한 금속 효과, 예컨대 비제한적으로, 은, 백금, 금, 구리 및 기타 다양한 금속 효과를 생성할 수 있다. 다른 색상의 혼합물을 사용하여 인쇄된 이미지/픽쳐(picture)를 만드는 것도 가능하다.
효과 안료 및/또는 효과 안료를 포함하는 중합체 필름(22)은 특정 태양 전지 또는 태양 전지 모듈과 관련된 방사선, 바람직하게는 260 내지 1200 nm 범위, 더욱 바람직하게는 400 내지 800 nm 범위의 방사선에 대해, 바람직하게는 적어도 30%, 더욱 바람직하게는 적어도 60%, 가장 바람직하게는 적어도 80%의 전체 투과도를 갖는다.
효과 안료 및/또는 효과 안료를 포함하는 중합체 필름(22)은 태양 스펙트럼의 가시광 범위, 더욱 바람직하게는 400 내지 800 nm 범위에서, 바람직하게는 1 내지 40%, 더욱 바람직하게는 1 내지 30%, 가장 바람직하게는 1 내지 20%의 반사율을 갖는 선택적 반사 최대치를 갖는다. 예를 들어, 하기 범위 내에서의 총 반사율이 5%가 되도록 선택된 최대 반사율을 갖는 450 내지 550nm 범위 내에서의 국소(local) 반사 피크는 다른 광학적 청색 태양 전지의 강한 녹색 인상을 얻기에 충분하다.
바람직하게는, 효과 안료 및/또는 효과 안료를 포함하는 중합체 필름(22)은 특정 태양 전지 또는 태양 전지 모듈과 관련된 방사선, 바람직하게는 260 내지 1200 nm 범위, 더욱 바람직하게는 400 내지 800 nm 범위의 방사선에 대해, 40% 미만, 더욱 바람직하게는 30% 미만, 매우 바람직하게는 20% 미만, 가장 바람직하게는 10% 미만의 전체 반사율을 갖는다.
더욱 바람직하게는, 효과 안료 및/또는 효과 안료를 포함하는 중합체 필름(22)은 800 내지 1000 nm 범위의 방사선에 대해, 30% 미만, 매우 바람직하게는 20% 미만, 가장 바람직하게는 10% 미만의 반사 수준을 갖는다.
특정 색상 외에, 효과 안료를 포함하는 봉합재 필름(22)은 특정 태양 전지와 관련된 방사선, 바람직하게는 260 내지 1200 nm 범위의 방사선에 대해, 높은 수준의 투과도(30% 이상, 바람직하게는 80% 초과) 및 260 내지 1200 nm 범위에서 약 5 내지 40%, 바람직하게는 10% 미만의 총 반사 수준을 나타낸다.
본 발명에 따른 태양 전지 및 태양 전지 모듈의 내부 및 외부 양자 효율은 260 내지 1200nm 파장 영역에서 바람직하게는 60%(0.6) 이상, 바람직하게는 70%(0.7) 이상, 및 바람직하게는 80%(0.8) 이상이다.
양자 효율은 발전에 사용되는 광자의 양을 나타낸다. 외부 양자 효율(external quantum efficiency)(EQE)은, 태양 전지에 의해 흡수되어 효율적으로 전기로 변환되는 광자의 양과 관련이 있는 태양 전지 상에 비춰지는 총 광자 양의 파장 선택적 관계(wavelength selective relation)를 나타낸다. 내부 양자 효율(internal quantum efficiency)(IQE)은, 태양 전지에 도달하여 전기로 변환되는 광자의 양과의 관계를 나타낸다. 본 발명의 경우 내부 및 외부 양자 효율의 차이는 하기와 같이 설명될 수 있다:
EQE = IQE - 효과 안료를 갖는 봉합재 필름에 의해 반사된 광자.
따라서 높은 수준의 IQE 및 EQE 모두는 태양 전지 성능에 미치는 효과 안료의 영향이 제한적임을 보여준다. 효과 안료 및/또는 효과 안료를 포함하는 중합체 필름(22)은 40% 미만, 바람직하게는 30% 미만, 가장 바람직하게는 20% 미만 의 상대적 전류 손실[A/m2]을 초래한다. 따라서, 효과 안료 및/또는 효과 안료를 포함하는 중합체 필름(22)은 40% 미만, 바람직하게는 30% 미만, 가장 바람직하게는 20% 미만의 효율 감소[W/m2]를 초래한다.
c-Si 태양 전지에 대한 안료 및 층의 영향은 반사 데이터로 평가될 수 있다. 반사 데이터는 처리된 전지의 최대 흡수 전력 / 최대 광전류 생성을 평가하는데 사용된다. 반사율 및 투과율 측정 및 계산은 당업자에게 공지되어 있고 실험 섹션에서 추가로 설명된 바와 같은 통상적인 방법에 의해 수행된다.
TPU 기반 봉합재를 갖는 참조물(reference)은 넓은 파장에 걸쳐 90%의 전형적인 EQE를 나타내고, 태양 전지의 백색/회색 외관을 초래하는 본 발명에 따른 효과 안료 혼합물은 7%까지의 강하를 나타내고 코팅된 유리 플레이크를 기반으로 하는 본 발명에 따른 녹색 효과 안료는 5% 미만의 평균 강하 및 IR 영역에서 양자 효율의 증가까지 나타낸다.
효과 안료는 바람직하게는 금속 산화물, 금속 산화물 수화물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 하나 이상의 코팅을 포함하는 플레이크형 기재를 갖는다. 바람직하게는, 효과 안료는 투과성 또는 반-투과성 무색 물질의 하나 이상의 층으로 코팅된 투과성 또는 반-투과성 무색 플레이크형 기재로 이루어진다. 진주광택 안료, 간섭 안료, 및/또는 다층 안료를 사용하는 것이 바람직하다. 효과 안료의 장기간 안정성은, 바람직하게는 예를 들어 국제 특허 공개 제WO 2011/095326 A1호 및 하기에서 기술된 바와 같이, 효과 안료의 마지막 층으로서 유기 코팅 및/또는 무기 코팅의 후속 코팅을 사용하여 개선될 수 있다.
효과 안료에 적합한 기재는, 예를 들어, 전부 공지된 코팅되거나 코팅되지 않은 플레이크형 기재, 바람직하게는 투과성 또는 반-투과성, 바람직하게는 무색 플레이크이다. 예를 들어, 필로실리케이트, 특히 합성 또는 천연 운모, 유리 플레이크, SiO2 플레이크, Al2O3 플레이크, TiO2 플레이크, 액정 중합체(LCP), 홀로그램 안료, BiOCl 플레이크 또는 상기 플레이크들의 혼합물이 적합하다. 유전성(dielectric) 코팅을 갖는 알루미늄 플레이크 또한 활성 광전지 층의 매우 높은 은폐력을 얻기 위해 낮은 농도로 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
유리 플레이크는 당업자에게 공지된 모든 유리 유형, 예를 들어 A 유리, E 유리, C 유리, ECR 유리, 재활용된 유리, 창 유리, 보로실리케이트(borosilicate) 유리, 듀란(Duran)® 유리, 실험실용 유리 또는 광학 유리로 이루어질 수 있다. 유리 플레이크의 굴절률은 바람직하게는 1.45 내지 1.80, 특히 1.50 내지 1.70 이다. 특히 바람직한 유리 플레이크는 A 유리, C 유리, E 유리, ECR 유리, 석영 유리 및 보로실리케이트 유리로 이루어진다.
합성 또는 천연 운모, SiO2 플레이크, Al2O3 플레이크, 및 유리 플레이크, 특히 C 유리, ECR 유리 또는 칼슘 알루미늄 보로실리케이트의 코팅되거나 코팅되지 않은 플레이크가 바람직하다. 특히, 바람직하게는 칼슘 알루미늄 보로실리케이트 유리를 기재로 하는 효과 안료가 사용된다. 본 발명의 변형례에서는 Al2O3 플레이크가 바람직하다.
상기 기재는 일반적으로 0.01 내지 5 μm, 특히 0.05 내지 4.5 μm 및 특히 바람직하게는 0.1 내지 1 μm의 두께를 갖는다. 길이 또는 폭 치수는 일반적으로 1 내지 500 μm, 바람직하게는 1 내지 200 μm, 특히 5 내지 125 μm이다. 이들은 일반적으로 2 : 1 내지 25,000 : 1, 바람직하게는 3 : 1 내지 1000 : 1 및 특히 6 : 1 내지 250 : 1의 종횡비(평균 직경 대 평균 입자 두께의 비)를 갖는다. 플레이크형 기재에 대한 상기 치수는 원칙적으로 본 발명에 따라 사용되는 코팅된 효과 안료에도 적용되는데, 이는 추가적인 코팅이 일반적으로 단지 수백 나노미터의 영역에 있고 따라서 효과 안료의 두께 또는 길이 또는 폭(입자 크기)에 크게 영향을 미치지 않기 때문이다.
효과 안료 및 그 기재의 입자 크기 및 입자 크기 분포는 당업계에서 통상적인 다양한 방법에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 멜버른 매스터사이저(Malvern Mastersizer) 2000, 베크만 쿨터(Beckman Coulter), 마이크로트랙(Microtrac) 등에 의한 표준 공정의 레이저 회절 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, SEM(주사 전자 현미경) 이미지와 같은 다른 기술이 사용될 수도 있다.
바람직한 실시양태에서, 기재는 금속 산화물, 금속 산화물 수화물, 금속 수산화물, 금속 아산화물(suboxides), 금속 불화물, 금속 질화물, 금속 산질화물 또는 이들 물질의 혼합물을 포함하는 하나 이상의 투과성 또는 반투과성 층으로 코팅된다. 바람직하게는, 기재는 이러한 층으로 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸인다.
또한, 고-굴절률 및 저-굴절률 층을 포함하는 다층 구조가 또한 존재할 수 있으며, 여기서 고-굴절률 및 저-굴절률 층이 바람직하게는 서로 교번된다(alternate). 특히 고-굴절률 층(굴절률 2.0 이상) 및 저-굴절률 층(굴절률 1.8 미만)을 포함하는 층 패키지가 바람직하며, 여기서 이러한 층 패키지 중 하나 이상은 기재에 적용된 것일 수 있다. 고-굴절률 및 저-굴절률 층의 순서는 상기 다층 구조로 기재를 포함하도록 기재와 매칭될 수 있다.
특히 금속 산화물, 금속 산화물 수화물 또는 이들의 혼합물, 바람직하게는 Ti, Sn, Si, Al, Zr 및 Zn, 특히 Ti, Sn 및 Si가 바람직하다. 산화물 및/또는 산화물 수화물은 단일 층 또는 별개 층으로 존재할 수 있다. 특히, 루틸(rutile) 또는 아나타제 변형(anatase modification), 바람직하게는 루틸 변형 형태의 이산화 티타늄이 사용된다. 이산화 티타늄을 루틸 변형체로 전환하기 위해서는, 이산화 티타늄 층 아래에 이산화 주석 층이 적용되는 것이 바람직하다. 바람직한 다층 코팅은 바람직하게는 TiO2 - SiO2 - TiO2와 같이 고-굴절률 및 저-굴절률 층을 교대로 포함한다.
금속 산화물, 수산화물 및/또는 산화물 수화물의 층은 바람직하게는 공지된 습식(wet)-화학적 방법에 의해 적용되며, 여기서는 효과 안료의 제조를 위해 개발된 습식-화학적 코팅 방법을 사용하여 기재를 둘러싼다. 습식-화학 물질 적용 후, 코팅된 생성물은 후속적으로 분리되고, 세척되고, 건조되고 바람직하게는 하소된다(calcined).
이들의 개별 층의 두께는 일반적으로 10 내지 1000 nm, 바람직하게는 15 내지 800 nm, 특히 20 내지 600 nm, 특히 20 내지 200 nm이다.
빛, 온도, 물 및 기후 안정성을 높이기 위해, 효과 안료는 후-코팅 또는 후-처리로 처리될 수 있다. 후-코팅은 마지막 층(들)으로서 유기 코팅 및/또는 무기 코팅일 수 있다. 후-코팅은 바람직하게는 원소 Al, Si, Zr, Ce 또는 이들의 혼합물 또는 혼합상의 하나 이상의 금속 산화물 층을 포함한다. 또한, 유기 또는 조합된 유기/무기 후-코팅이 가능하다. 실란(silanes) 및/또는 유기작용성 실란은 또한 단독으로 또는 금속 산화물과 조합하여 사용될 수 있다. 적합한 후-코팅 또는 후-처리 방법은, 예를 들어, DE 22 15 191, DE-A 31 51 354, DE-A 32 35 017 또는 DE-A 33 34 598, EP 0090259, EP 0 634 459, WO 99/57204, WO 96/32446, WO 99/57204, U.S. 5,759,255, U.S. 5,571,851, WO 01/92425, WO 2011/095326에 기술된 방법 또는 당업자에게 공지된 다른 방법이다.
본 발명에 사용될 수 있는 효과 안료는, 예를 들어, 이리오딘(Iriodin)®, 피리스마(Pyrisma)®, 자이랄릭(Xirallic)®, 미라발(Miraval)®, 컬러스트림(Colorstream)®, 로나스타(RonaStar)®, 비플레어(Biflair)®, 및 루미나 로얄(Lumina Royal)®이라는 상표명으로 제공되는 상업적으로 구매 가능한 간섭 안료 또는 진주광택 안료이다. 다른 상업적으로 구매 가능한 효과 안료가 또한 사용될 수 있다. 특히, 컬러스트림®, 자이랄릭®, 미라발®, 및 로나스타® 안료가 사용될 수 있다.
많은 경우에 2개 이상의 상이한 효과 안료의 사용이 특수 효과를 얻는 것을 가능하게 하기 때문에, 중합체 필름(22)은 또한 상이한 효과 안료의 혼합물을 포함할 수 있다. 이 경우 효과 안료는 임의의 비율로 혼합될 수 있지만, 중합체 필름(22)에 있는 모든 효과 안료의 총 함량은 60 중량%를 초과하지 않아야 한다.
중합체 필름(22)에서 효과 안료의 농도는 바람직하게는 0.1 내지 40 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 20 중량% 범위 내이다. 더욱 바람직하게는, 중합체 필름(22) 내의 효과 안료의 농도는 0.1 내지 15 중량%, 특히 0.2 내지 10 중량% 범위, 가장 바람직하게는 0.2 내지 8 중량% 범위 내이다.
달리 명시되지 않는 한, 상기 및 하기의 효과 안료의 중량 백분율은 봉합재 필름의 고체 부분의 총 중량을 기준으로 한다.
중합체 필름(22) 내의 효과 안료의 양(g/m2)은 필름 두께에 의해 정의된다. 예를 들어, 결합제 매질을 기반으로 하는 제형(formulation)에서 1% 효과 안료를 갖는 20μm 두께의 필름은 m2 당 0.4g 정도의 효과 안료를 갖는 것으로 해석되는 한편, 12% 효과 안료를 갖는 100μm 두께의 필름은 m2 당 18g 정도의 효과 안료를 갖는 것으로 해석된다. 따라서 처리된 태양광 표면의 m2당 효과 안료의 일반적인 범위는 박막(1 μm)에서의 저농도의 경우 0.1 g/m2 범위 내이고, 후막(200 μm)에서의 고농도의 경우 75 g/m2 이하이다. 바람직한 양은 0.2 내지 30 g/m2, 바람직하게는 1 내지 15 g/m2, 특히 바람직하게는 1 내지 6 g/m2 범위 내이다.
효과 안료는 예를 들어 당업자에게 공지된 압출 방법에 의해 중합체 필름(22)에 혼입될 수 있다.
압출 시, 열가소성 수지를 스크류(screw)에서 점성 덩어리로 용융시킨 후 노즐을 통해 압축 성형한다. 가능한 형상은 매우 다양하다. 필름, 포일, 및 플레이트는 플랫(flat) 노즐을 통해 압출된다. 개구(openings)가 더 큰 노즐은 속이 찬(solid) 막대, 튜브 또는 평평한 프로파일(profiles)에 사용된다.
시트/필름 압출은 블로우(blow)되기에는 너무 두꺼운 플라스틱 시트 또는 필름을 압출하는 데 사용된다. T자형 및 옷걸이형의 2가지 유형의 다이(dies)가 사용될 수 있다. 이 다이의 목적은 중합체 용융물의 흐름(flow)을 압출기의 단일 원형 출력부로부터 얇고 평평한 평면형(planar) 흐름부로 재배향하고 안내하는 것이다. 2가지 다이 유형 모두 다이의 전체 단면적에 걸쳐 일정하고 균일한 흐름을 보장한다. 냉각은 일반적으로 일련의 냉각 롤(rolls)(캘린더(calender) 또는 “냉각” 롤)을 통해 달성된다. 시트 압출 시, 이러한 롤은 필요한 냉각을 제공할 뿐만 아니라 시트 두께 및 표면 질감도 결정한다. 종종 공-압출을 사용하여 베이스 재료 위에 하나 이상의 층을 적용하여, 향상된 특정한 특성 예컨대 기계적 특성, UV 흡수, 질감, 산소 투과 저항성 또는 에너지 반사성을 얻는다.
마스터배취(masterbatches) 또는 화합물은 일반적으로 용융된 물질을 효과 안료로 착색하는 데 사용된다. 효과 안료를 사용한 플라스틱 압출에서 만족스러운 결과를 얻으려면, 혼합 에너지와 가능한한 손상되지 않는 안료 사이의 균형비가 유지되어야 한다. 혼합 섹션 또는 부적절한 스크류 또는 필터로 인한 과도한 전단력(shear)은 효과 안료를 파괴하고 진주 광택 효과를 극적으로 감소시킨다. 안료의 배향성은 균일한 효과에 있어서 매우 중요하다. 이는 상응하는 엔지니어링 및 기계 설계를 통해 공정에서 보장되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 중합체 물질에 바람직한 양, 예를 들어 20 중량%의 효과 안료를 포함하는 마스터배취가 중합체 필름의 압출 공정에 첨가된다. 이는 예를 들어 EVA 펠릿과 착색된 마스터배취 펠릿의 사전-혼합물(premix)을 생성하거나, 또는 다른 알려진 임의의 방법으로 수행될 수 있다.
용융 압출 공정 동안 효과 안료에 작용하는 전단력으로 인해 효과 안료는 봉합재 필름 표면에 실질적으로 평행하게 배향된다.
또 다른 바람직한 실시양태에서, 하나 이상의 효과 안료를 함유하는 중합체 필름은 동일하거나 상이한 중합체 물질의 2개 이상의 층의 공-압출된 필름이고, 이때 하나의 층, 바람직하게는 전면 시트를 향하는 층은 하나 이상의 효과 안료를 함유한다.
이러한 2층 필름이 사용되는 경우, 전면 봉합재 필름(23)은 생략될 수 있고, 바람직하게는 생략된다.
PV 모듈의 적층에 대해 봉합재로 사용되는 EVA는 특히 광 산화 응력에 노출되는 경우에 적합한 열경화성 중합체이다. 통상적인 EVA 제형은 일반적으로 중합체 수지 외에, 가교제, 접착 촉진제, UV 흡수제, UV 안정제, 및 항산화제를 포함한다. 가교제는 적층 동안 열에 의해 분해되는 라디칼 개시제(일반적으로 과산화물)이고, 중합체 골격(backbone)에서 라디칼을 개시하는 자유 라디칼을 형성한다. 형성된 라디칼은 차례로 중합체 사슬 사이에 공유 결합을 형성한다.
예비-적층 단계 전의 효과 안료를 함유하는 중합체 필름(22)의 층 두께는 바람직하게는 5μm 내지 1000μm, 보다 바람직하게는 20μm 내지 800μm, 더욱 더 바람직하게는 100μm 내지 400μm의 범위 내이다.
예비-적층 후 필름 두께는 일반적으로 적층 조건에 따라 감소한다.
도 1은 캡슐화된 태양 전지 모듈의 성분들을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 제조 방법에 의해 제조된 태양 전지 모듈을 나타낸다.
도 3은 비교예 1, 스택 2에 따라 제조된 태양전지 모듈을 나타낸다.
도 4는 실시예 1, 스택 2에 따라 제조된 태양전지 모듈을 나타낸다.
하기 실시예는 본 발명을 제한하지 않고 설명하기 위한 것이다.
실시예 1
효과 안료를 갖는 봉합재 필름의 제조:
1g/m2의 이리오딘® 7235 울트라 루틸 녹색 진주(Ultra Rutile Green Pearl) 효과 안료 및 기타 첨가제를 함유하는 봉합재 EVA 필름을 하기와 같이 제조한다.
제형의 유연성을 높이기 위해 다른 첨가제를 포함하는 다른 마스터배취를 별도로 제조한다.
10%의 이리오딘® 7235 울트라 루틸 녹색 진주 안료가 포함된 EVA 마스터배취를 고전적인 압출 공정에서 과립(granules)으로 생산한다. 이 마스터배취의 2.5%를 EVA 봉합재 필름을 생산하는 데 사용한다.
5%의 트리알릴 이소시아누레이트 (TAIC 가교 조제(crosslinking co-agent)), 2.5%의 3-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란(VMMS, 실란 유리-결합제), 3%의 티누빈(Tinuvin) 770(HALS, UV 안정제) 및 7%의 시아졸부(Cyasorb) UV(531 UV 흡수제)를 함유하는 EVA의 제2 마스터배취를 고전적인 압출 공정에서 과립으로 생산한다. 이 마스터배취의 10%를 EVA 봉합재 필름을 생산하는 데 사용한다.
10%의 3급-부틸펄옥시 2-에틸헥실카보네이트(루퍼록스(Luperox)® TBEC, 과산화물 가교제)를 함유하는 EVA의 제3 마스터배취를 고전적인 압출 공정에서 과립으로 생산한다. 압출 온도를 낮게 유지하여 이 단계(120℃ 미만)에서 가교 반응이 일어나지 않도록 한다.
상기 다양한 마스터배취들을 무색 EVA 과립에 첨가하고(2.5%의 안료 마스터배취, 10%의 첨가제 마스터배취 및 10%의 과산화물 마스터배취), 그와 혼합한 다음, 호퍼(hopper)에 공급하여 종래기술의 필름 압출 라인의 가열된 노즐로 공급한다. EVA 필름을 0.40mm의 두께로 생산한다. 압출 온도를 낮게 유지하여 이 단계(120℃ 미만)에서 가교 반응이 일어나지 않도록 한다.
효과 안료가 없는 봉합재 필름의 제조:
필름을 비슷한 방식으로 제조하되, 효과 안료가 함유된 마스터배취를 사용하지 않는다.
a) 예비-적층:
이리오딘® 7235 울트라 루틸 녹색 진주 효과 안료를 갖는 봉합재 EVA 필름을 일반적으로 태양광 모듈에 사용되는 4000 μm 두께 및 측면 치수 40 x 40 cm의 전면 유리 시트 위에 놓는다. 그 후 진공 프레스 내에서 EVA 필름을 145℃ 및 20초 400밀리바(mbar) / 20초 700밀리바 / 650초 900밀리바의 적층 압력 프로파일에서 유리 시트에 적층한다. 적층 동안 막(membrane) 표면에 달라붙는 것을 방지하고 평면 프레싱 및 균일한 온도 분포를 보장하기 위해 EVA 필름 상단을 테프론(Teflon) 섬유 필름 및 유리 플레이트로 덮는다.
b) 냉각:
예비-적층 단계 a) 후, 효과 안료를 함유하는 적층된 EVA 필름을 갖는 전면 유리 시트를 실온으로 냉각시킨다.
c+d) 모듈 적층:
단계 a) 및 b)에서 제조된 전면 유리 시트를 사용하되 효과 안료를 함유하는 적층된 EVA 필름이 내부를 향하도록 하여 하기 스택을 구축한다:
1. 녹색 효과 안료를 함유하는 EVA 필름으로 예비-적층된 전면 유리 / 무색 EVA 필름 / 버스 바를 갖는 태양 전지 / 무색 EVA 필름 / 흑색 EVA 필름 / 유리.
2. 녹색 효과 안료를 함유하는 EVA 필름으로 예비-적층된 전면 유리 / 무색 EVA 필름 / 버스 바를 갖는 태양 전지 / 무색 EVA 필름 / 흑색 TPT 필름 / 무색 EVA 필름 / 유리.
3. 녹색 효과 안료를 함유하는 EVA 필름으로 예비-적층된 전면 유리 / 무색 EVA 필름 / 버스 바를 갖는 태양 전지 / 흑색 EVA 필름 / 유리.
4. 녹색 효과 안료를 함유하는 EVA 필름으로 예비-적층된 전면 유리 / 무색 EVA 필름 / 버스 바를 갖는 태양 전지 / 무색 EVA 필름 / 흑색 TPT 필름.
스택 1 내지 4를, 상단 라멜라(lamella) 및 고온 플레이트가 가열될 수 있는 상부 챔버의 진공 수준 제어를 통해 조정 가능한 핀 및 라멜라 압력을 갖춘 고전적인 라멜라 라미네이터(laminator)에 배치한다.
스택 1 내지 4를 상기 라미네이터에 나란히 한 번에 배치하고, 스택을 20초 400밀리바 / 20초 700밀리바 / 650초 900밀리바의 적층 압력 프로파일로 145℃에서 처리한다. 적층 후 모듈을 실온으로 냉각한다.
육안 검사는 적층 후 패턴이 나타나지 않음을 보여준다.
비교예 1
실시예 1 에 기술된 바와 같이 제조된 1g/m2의 이리오딘® 7235 울트라 루틸 녹색 진주 효과 안료를 함유하는 봉합재 EVA 필름 및 별도의 전면 유리 시트를 사용하고, 하기 스택을 구축한다:
1. 전면 유리 / 녹색 효과 안료를 함유하는 EVA 필름 / 무색 EVA 필름 / 버스 바를 갖는 태양 전지 / 무색 EVA 필름 / 흑색 EVA 필름 / 유리.
2. 전면 유리 / 녹색 효과 안료를 함유하는 EVA 필름 / 무색 EVA 필름 / 버스 바를 갖는 태양 전지 / 무색 EVA 필름 / 흑색 TPT 필름 / 무색 EVA 필름 / 유리.
3. 전면 유리 / 녹색 효과 안료를 함유하는 EVA 필름 / 무색 EVA 필름 / 버스 바를 갖는 태양 전지 / 흑색 EVA 필름 / 유리.
4. 전면 유리 / 녹색 효과 안료를 함유하는 EVA 필름 / 무색 EVA 필름 / 버스 바를 갖는 태양 전지 / 무색 EVA 필름 / 흑색 TPT 필름.
스택 1 내지 4을, 상단 라멜라 및 고온 플레이트가 가열될 수 있는 상부 챔버의 진공 수준 제어를 통해 조정 가능한 핀 및 라멜라 압력을 갖는 고전적인 라멜라 라미네이터에 배치한다.
스택 1 내지 4을 상기 라미네이터에 나란히 한 번에 배치하고, 스택을 20초 400밀리바 / 20초 700밀리바 / 650초 900밀리바의 압력 프로파일로 145℃에서 처리한다. 적층 후 모듈을 실온으로 냉각한다.
결과
도 3은 비교예 1, 스택 2에 따라 제조된 태양전지 모듈을 나타낸다.
도 4는 실시예 1, 스택 2에 따라 제조된 태양전지 모듈을 나타낸다.
예비-적층 단계 a) 없이 비교예 1에 따라 제조된 모듈은 뚜렷한 패턴을 보이는 반면(도 3), 예비-적층 단계 a)가 있는 실시예 1에 따른 공정으로 제조된 모듈은 이러한 패턴을 나타내지 않는다(도 4).
예비-적층 단계를 포함하는 실시예 1의 공정에 따라 제조된 태양광 모듈의 경우, 기후 챔버 고습 고온 1000 시험(http://sinovoltaics.com/learning-center/testing/damp-heat-test/에 설명됨)이 장기 안정성에 영향을 미치지 않는다는 것을 보여준다.
상기 결과는 본 발명에 따른 제조 방법이 높은 수준의 장기 안정성을 갖는 전기적으로 상호 연결된 복수의 태양 전지로 구성된 태양 전지 모듈의 고효율 착색을 가능하게 하는 동시에, 전지 및 버스 바의 바람직하지 않는 어두운 패턴의 외관을 감소시킬 수 있음을 입증한다.

Claims (22)

  1. a) 하나 이상의 효과 안료(effect pigments)를 함유하는 중합체 필름을 전면 시트(front sheet)에 적층하는 단계,
    b) 임의적으로, 효과 안료를 함유하는 적층된 중합체 필름을 갖는 전면 시트를 냉각시키는 단계,
    c) C1) 임의적으로 하나 이상의 전면 봉합재(encapsulant) 필름 층,
    C2) 전도성 부품, 바람직하게는 버스 바(bus bar)에 의해, 전기적으로 상호 연결된 하나 이상의 태양 전지(cells), 또는 태양 전지 어레이(array) 층,
    C3) 임의적으로 하나 이상의 후면 봉합재 필름 층,
    C4) 후면 시트 층
    을 포함하는 스택을, 상기 효과 안료를 함유하는 적층된 중합체 필름을 갖는 전면 시트의 상부에 제공하거나, 또는
    상기 효과 안료를 함유하는 적층된 중합체 필름을 갖는 전면 시트를 상기 층 C1 내지 C4의 스택의 상부에 제공하는 단계,
    d) 상기 효과 안료를 함유하는 적층된 중합체 필름을 갖는 전면 시트에 상기 층 C1 내지 C4의 스택을 적층하는 단계
    를 포함하는, 착색 태양 전지 또는 착색 태양 전지 모듈(modules)의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 c)에서의 스택이 상기 효과 안료를 함유하는 중합체 필름과 상기 태양 전지(들) 또는 태양 전지 어레이 사이에 전면 봉합재 필름을 포함하고, 이때 상기 전면 봉합재 필름은 효과 안료를 함유하지 않는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 후면 시트가 흑색 또는 암색(dark color)을 갖고/갖거나, 단계 c)에서의 스택이 상기 태양 전지(들) 또는 태양 전지 어레이와 상기 후면 시트 사이에 제공된 추가 시트 또는 봉합재 필름을 포함하고, 이때 상기 추가 시트 또는 봉합재 필름은 흑색 또는 암색을 갖는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 태양 전지를 상호 연결하는 상기 전도성 부품이 흑색 또는 암색으로 착색된 후에 상기 효과 안료를 갖는 중합체 필름이 적용되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 암색의 그리드가 상기 태양 전지(들) 또는 태양 전지 어레이에 통합되고, 상기 그리드는 상기 태양 전지와 상기 전도성 부품 사이의 공간을 포함하지만 이에 제한되지 않는 밝은 영역을 덮는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 효과 안료를 함유하는 중합체 필름 및 상기 전면 및 후면 봉합재 필름이 폴리올레핀 필름, 바람직하게는 EVA, EBA, EMA, EEA, POE 및 BPO 필름으로부터 선택되는 폴리에틸렌 공중합체(copolymer), 또는 PVB 또는 TPU 필름, 매우 바람직하게는 EVA 필름으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전면 시트 및/또는 후면 시트가 유리 시트인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전면 시트 및/또는 후면 시트가 중합체 시트인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 태양 전지 또는 태양 전지 모듈이 비정질, 단결정질 및 다결정질(multicrystalline) 실리콘(silicon) 태양 전지, CIGS-, CdTe-, Ⅲ/V- 또는 Ⅱ/Ⅵ-태양 전지, 페로브스카이트(perovskite) 태양 전지, 양자점(quantum dot) 태양 전지, 유기 태양 전지 및 염료 감응형(sensitized) 태양 전지로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 적층 단계 a) 및 d)가 바람직하게는 진공 프레스에서, 열 및/또는 압력을 가하거나, 또는 접착제 또는 결합제 또는 결합층을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 적층 단계 a) 및 d)에서의 가열 온도가 130℃ 내지 160℃ 범위인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 효과 안료 및/또는 상기 효과 안료를 함유하는 중합체 필름이 태양광 스펙트럼의 가시광 범위에서 선택적 반사 최대치를 갖는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 효과 안료 및/또는 상기 효과 안료를 함유하는 중합체 필름이 260 내지 1200 nm 범위의 방사선에 대해 60% 이상의 총 투과율을 갖는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 효과 안료 및/또는 효과 안료를 함유하는 중합체 필름이 260 내지 1200 nm 범위의 방사선에 대해 40% 미만의 총 반사율을 갖는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 효과 안료가 진주 광택 안료, 간섭 안료 및 다층 안료로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 효과 안료가 합성 또는 천연 운모, 플레이크(flake)형 유리 기재, 플레이크형 SiO2 기재 또는 플레이크형 Al2O3 기재를 기반으로 하는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 플레이크형 기재가 Ti, Sn, Si, Al, Zr 및 Zn의 금속 산화물 및/또는 금속 산화물 수화물의 하나 이상의 층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 필름 내 효과 안료의 양이 0.2 내지 40 중량% 범위인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 효과 안료를 함유하는 중합체 필름의 두께가 5 내지 1000 μm 범위인 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 효과 안료를 함유하는 중합체 필름이 유기 중합체 재료의 용융 압출에 의해 제조되고, 이때 상기 효과 안료가 압출 전에 중합체 용융물에 첨가되는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 효과 안료를 함유하는 중합체 필름이 둘 이상의 층의 공-압출된 필름이고, 그 중 하나가 상기 효과 안료를 함유하는 것을 특징으로 하는, 제조 방법.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조된 착색 태양 전지 또는 착색 태양 전지 모듈.
KR1020220052861A 2021-04-30 2022-04-28 착색 태양 전지의 제조 방법 KR20220149453A (ko)

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