KR101439426B1 - 태양전지용 봉지재 시트 및 이를 이용한 태양전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지 봉지재 시트용 에틸렌비닐아세테이트 공중합체(EVA) 수지 및 이를 적용한 태양전지 모듈에 관한 것이다.

Description

태양전지용 봉지재 시트 및 이를 이용한 태양전지 모듈 {A solar cell sealing sheet and a solar cell module using thereof}

본 발명은 태양전지 봉지재 시트용 에틸렌비닐아세테이트 공중합체(EVA) 수지 및 이를 적용한 태양전지 모듈에 관한 것이다.

태양광 발전에 사용되는 태양전지 모듈은 통상 셀을 보호하기 위해 양면에 EVA 시트가 사용되며, 추가적으로 태양광이 입사되는 쪽에 투명 유리기판과 그 반대편에는 기체 차단성 및 내후성이 우수한 시트로 라미네이팅 되어있다. 라미네이팅 방법은 상기 투명유리 기판, EVA 시트, 셀, EVA 시트, 기체 차단성 시트를 적층한 후 특정의온도, 압력하에 가열, 가교하여 접착시킨다.

일반적으로 태양전지 봉지재용 EVA 시트는 가교 후 높은 투명성과 접착성, 내후 안정성이 요구되기 때문에 수지 내에 피쉬아이나 이물질의 존재밀도가 극히 낮은 고순도 EVA 수지를 사용하며, 이 수지에 가교제, 가교조제, 실란 커플링제, 산화방지제, 광안정제, 자외선 흡수제 등 각종 첨가제를 혼합한 후 EVA 수지의 용융온도 이상이면서 가교제인 유기과산화물 분해온도 이하에서 용융 혼련하여 제조된다. 　

통상적으로 많이 사용되는 EVA 수지는 오토클레이브 반응기를 활용하여 제조된 수지로, 비닐아세테이트 함유량은 25~33중량%인데, 비닐아세테이트 함유량이 높을수록 투명성이 증가하나, 전기 절연성이 나쁘며, 끈적하여 취급하기가 곤란하고, 용융시 수지 점성이 낮아 라미네이팅시 유리기판과 백시트(back sheet)와의 사이로부터 수지가 유출되기 쉬운 문제가 발생되어, 시트 제조시 이의 단점을 보완하는 각종 첨가제를 혼합해야하거나 시트간의 블로킹을 방지하기 위한 별도의 방안을 강구해야하며, 반면에 비닐아세테이트 함유량이 적은 것은 시트의 블로킹, 수증기 투과율이 적고, 전기 절연성은 우수하나 투명성, 접착성이 나빠, 이의 단점을 보완하기 위해 시트제조시 각종 첨가제를 상대적으로 과량 처방해야하는 문제가 있었다.

한편, 종래의 태양전지용 봉지재에 대한 기술로는 주로 자외선 차단효과를 높이거나 투명성을 증가시키는 방향으로 발전해 왔다.

한국공개10-2012-0127669에서는, 분산매 수지와, 300~450 nm에서 흡수 파장 피크를 가지는 형광 물질을 포함하고, 상기 형광 물질 이외의 자외선 흡수제의 함유율이 상기 분산매 수지 100 질량부에 대하여 0.15 질량부 이하인,파장 변환형 태양 전지 봉지 시트를 개시하고 있다.

한국공개10-2012-0086356는, 옥외 등의 자외선에 의한 장기 폭로에 있어서도 황변이 생기기 어렵고, 크랙도 생기기 어려운, 높은 내후성을 갖는 태양전지용 봉지재 조성물을 개시하고 있다.

그러나, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체는 내구성 측면이나 가격적 측면에서의 적합성으로 인하여 태양전지 모듈에 가장 오랜 기간 사용이 되어 왔으며, 현재도 대다수의 태양전지용 봉지재 시트로 사용이 되고 있으면서도, 절연성의 측면에서 다른 재료에 비하여 취약한 측면을 지니고 있다. 특히 최근 들어 태양전지 모듈에서 새로운 평가기준으로 적용되고 있는 PID (Potential Induced Degradation) 현상에 취약한 결과를 보여 그 개선책이 시급하게 요구되고 있다. PID 현상이란 태양광 모듈이 고온 고습한 조건의 환경에 노출되어 있을 때, 모듈에 가해지는 고전압의 전류로 인하여 절연성이 급격하게 악화되면서 모듈의 출력이 심각한 수준으로 저하되는 현상을 말한다. 이는 여러 원인이 있으나, 그 중에서도 태양광 모듈에 사용되는 봉지재의 절연성이 취약하기 때문이다. 절연성이 취약한 봉지재를 통해 태양광 모듈 내에서 생성된 전자들이 이동을 하게 되고 이로부터 전류가 외부로 유출되어 버리는 현상이 일어나게 된다.

이러한 에틸렌비닐아세테이트의 절연성을 개선시키기 위해서는 체적저항을 상승시켜야 하며, 이는 가교밀도를 증가시키거나, 봉지재 내부에서의 전자의 이동을 억제 시켜줌으로써 가능해진다. 기존에는 가교밀도를 증가시키기 위하여 가교제와 실란 커플링제를 보다 과량으로 투입하는 방법을 사용하였다(특개 JP 2011-228509). 하지만, 가교제와 실란 커플링제를 과량으로 투입할 경우 장기적인 내구성에 있어 황변이 발생하는 등의 문제점을 야기시킬 수 있으며, 절연성의 상승 또한 기대한 만큼의 효과를 나타내지 못했다.

본 발명은 에틸렌비닐아세테이트 공중합체를 봉지재로 사용하는 태양전지 모듈에서 봉지재 내에서의 전자의 이동을 억제 시키고 가교밀도를 증가시킴으로 인하여 봉지재의 체적저항을 상승시키고 이를 통해 절연성이 개선된 봉지재 및 이를 적용한 태양전지 모듈을 제공하고자 한다.

본 발명은 에틸렌 극성 모노머 공중합체 및 공가교제를 포함하는 태양전지용 봉지재 막으로서, 상기 공가교제는 아크릴레이트 작용기 또는 메타크릴레이트 작용기를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 태양전지용 봉지재 막을 제공한다.

본 발명에서는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체의 전자의 이동성을 억제하고 가교밀도를 증가시키기 위해 새로운 형태의 공가교제를 사용하였으며, 이를 통해 체적저항을 증가시켰고, 절연성을 개선하였다. 이렇게 제조된 에틸렌비닐아세테이트 공중합체를 봉지재로 사용한 태양전지 모듈에서는 PID 문제가 발생하지 않았으며, 또한 장기적인 내구성 관점에서 황변의 발생이 억제되었다.

도 1은 본 발명의 공가교제에 함유된 작용기로서 아크릴레이트기 또는 메타크릴레이트기를 도시한 것이다.

본 발명에서는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체의 가교밀도를 높이기 위하여 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트를 포함(도 1 참조)하는 공가교제를 이용한다. 아크릴레이트 기는 에틸렌비닐아세테이트 공중합체가 가교되는 과정에서 작용하여 고분자 구조를 보다 조밀하게 만들어주는 역할을 수행한다. 여기서 사용되는 공가교제는 아크릴레이트나 메타크릴레이트를 작용기로 지니고 있다면, 해당 작용기를 1 ~ 4개로 포함할 수 있다.

구체적으로 상기 공가교제는 R-O 구조를 포함하며 말단기가 아크릴레이트 또는 메타아크릴레이트인 것이 바람직하다.

보다 구체적으로는, 상기에 제시된 공가교제로는 에톡시화된 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트 또는 프로폭시화된 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트를 사용할 수 있다.

더욱 구체적으로는, 상기 공가교제는 스테아릴아크릴레이트, 2-메톡시에틸아크릴레이트, 에틸카비톨아크릴레이트, 메톡시트라이프로필렌글리콜아크릴레이트 등의 모노아크릴레이트, 세틸메타크릴레이트, 스테아릴메타크릴레이트, 메톡시에틸렌글리콜메타크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜메타크릴레이트 등의 모노메타크릴레이트, 네오펜틸글리콜다이아크릴레이트, 다이에틸렌글리콜다이아크릴레이트, 테트라에틸렌글리콜다이아크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜다이아크릴레이트, 트라이프로필렌글리콜다이아크릴레이트, 폴리프로필렌글리콜다이아크릴레이트 등의 다이아크릴레이트, , 네오펜틸글리콜다이메타크릴레이트, 에틸렌글리콜다이메타크릴레이트, 다이에틸렌글리콜다이메타크릴레이트, 트라이에틸렌글리콜다이메타크릴레이트, 폴리에틸렌글리콜다이메타크릴레이트 등의 다이메타크릴레이트, 트라이메틸올프로페인트라이아크릴레이트, 테트라메틸올메테인트라이아크릴레이트, 펜타에리트리톨트라이아크릴레이트 등의 트라이아크릴레이트, 트라이메틸올프로페인트라이메타크릴레이트, 트라이메틸올에테인트라이메타크릴레이트 등의 트라이메타크릴레이트, 펜타에리트리톨테트라아크릴레이트, 테트라메틸올메테인테트라아크릴레이트 등의 테트라아크릴레이트일 수 있다.

에틸렌비닐아세테이트 공중합체의 절연성을 개선하기 위해서는 체적저항이 증가되어야 하는데, 경화형 고분자의 체적저항을 증가시키는 방법으로는 경화과정에서 고분자의 사슬구조가 보다 조밀해지게 만드는 방법이다. 또는, 고분자 내에서 전자의 이동을 억제시켜줌으로써 체적저항을 증가시킬 수도 있다. 상기의 공가교제를 사용한 결과 에틸렌비닐아세테이트의 체적저항은 1 x 10¹⁴Ωㆍcm 에서 3 x 10¹⁴Ωㆍcm 수준이던 것이 1x10¹⁵Ωㆍcm 에서 1x10¹⁶Ωㆍcm 수준까지 대폭 상승하는 것을 확인하였다. 체적저항을 개선시킨 에틸렌비닐아세테이트 공중합체를 봉지재로 사용하여 태양전지 모듈을 제작한 후 PID 평가를 실시한 결과 에틸렌비닐아세테이트 공중합체의 체적저항은 1x10¹⁵Ωㆍcm 이상이면 확실한 개선효과가 있는 것으로 확인 되었다.

상기와 같은 효과를 내기 위해서는 상기에 제시된 공가교제의 양이 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 중량 대비하여 0.01 내지 1.0 중량부 범위에서 첨가되어야 한다. 공가교제 함량이 0.01 중량부 미만일 경우, 체적저항 증가 효과가 미미하며, 1.0 중량부를 초과할 경우 황변현상이 발생하는 문제점과 더불어 과량의 첨가제로 인하여 첨가제가 에틸렌비닐초산 공중합체 수지에 효과적으로 침투되지 못하는 현상이 발생한다.

상기의 공가교제는 단독으로 사용할 수도 있으며, 기존의 공가교제로 널리 사용된 트리알릴 시아누레이트 또는 트리알릴 이소시아누레이트와 혼용으로 사용할 수 있다.

또한, 상기에 제시된 에틸렌비닐아세테이트 공중합체가 태양전지용 봉지재막으로 사용되기 위해서는 그 외에 첨가제인 개시제, 실란커플링제, 광흡수제, 안정제, 산화방지제 등이 추가적으로 첨가될 수 있다.

이하 본 발명을 하기의 실시예로 더욱 구체적으로 설명하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아님을 주지한다.

실험 방법

본 발명에서의 개선 효과를 확인하기 위하여 다음과 같은 실험이 진행되었다.

1) 체적저항 측정

- 체적저항은 ASTM D257 규정에 맞추어 실시하였으며, 측정 환경 조건은 23℃, 60% RH 이고, 인가전압은 DC 1000V, 인가시간은 120초였다. 총 7회 측정 하였으며, 초기 2회의 수치는 제외하고 나머지 5회의 수치를 기준으로 평균값을 구했다. 각 측정 횟수 사이마다 120초의 지연시간을 주었다.

2) PID 평가

- PID 평가는 IEC 685 평가방법에 맞추어 진행되었으며, 모듈에 1000V 전압을 가한 후 발전효율을 측정하고 이를 60℃ 85% RH 의 환경조건에서 96시간을 놓은 후 출력을 측정하여 출력의 감소율을 계산하였다.

비교예 및 실시예 1 ~ 12를 하기 표1의 조성으로 제조하여 체적저항 및 PID평가결과를 나타내었다.

개시제 A : t-부틸페록시-2-에틸헥실 카르보네이트

개시제 B : 2,5-비스(t-부틸페록시)-2,5-디메틸헥산

공가교제 1 :트리알릴 이소시아누레이트

공가교제 2 :트리메틸올프로판 트리메타크릴레이트

공가교제 3 :에톡시화된 트리메틸올프로판 아크릴레이트

공가교제 4 :프로폭시화된 트리메틸올프로판 아크릴레이트

본 발명에서 사용한 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 시트는 T-die 압출법에 의하여 성형이 되었다.

		개시제 A (중량부)	개시제 B (중량부)	공가교제 1 (중량부)	공가교제 2 (중량부)	공가교제 3 (중량부)	공가교제 4 (중량부)	체적 저항	PID 평가 결과 (출력 감소율)	황변 현상 (O : 발생, X : 미발생)	첨가제의 침투 여부 (O: 양호 △: 침투되나 장시간 걸림 X: 불량)
비교예	1	1.5	0.5	1	-	-	-	2.5x1014	67%	X	O
	2	1.5	0.5	1	1.5	-	-	4.1x1015	1.98%	O	X
	3	1.5	0.5	1	-	1.5	-	5.2x1015	2.3%	O	X
	4	1.5	0.5	1	-	-	1.5	6.3x1015	1.95%	O	X
실시예	1	1.5	0.5	1	0.1	-	-	1.3x1015	4.70%	X	O
	2	1.5	0.5	1	0.3	-	-	2.9x1015	3.20%	X	O
	3	1.5	0.5	1	0.5	-	-	3.5x1015	2.10%	X	O
	4	1.5	0.5	1	1	-	-	3.9x1015	2.30%	X	△
	5	1.5	0.5	1	-	0.1	-	1.5x1015	3.90%	X	O
	6	1.5	0.5	1	-	0.3	-	3.1x1015	2.30%	X	O
	7	1.5	0.5	1	-	0.5	-	5.5x1015	1.20%	X	O
	8	1.5	0.5	1	-	1	-	5.2x1015	1.58%	X	△
	9	1.5	0.5	1	-	-	0.1	1.8x1015	3.40%	X	O
	10	1.5	0.5	1	-	-	0.3	4.5x1015	3.10%	X	O
	11	1.5	0.5	1	-	-	0.5	7.9x1015	1.10%	X	O
	12	1.5	0.5	1	-	-	1	7.3x1015	1.05%	X	△

본 발명에서 제작된 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 시트의 평가 결과 기존의 공가교제 이외에 메타아크릴레이트기 또는 아크릴레이트기를 포함하고 있는 공가교제를 추가로 사용한 경우 시트 자체의 체적저항이 증가함은 물론 그에 따라 PID 현상에 따른 출력감소 현상도 크게 사라지는 것을 확인할 수 있었다. 특히 에톡시화된 트리메틸올프로판아크릴레이트와 프로폭시화된 트리메틸올프로판아크릴레이트를 사용한 경우 체적저항의 상승효과가 더 크게 일어나며 PID 현상에 의한 출력감소 또한 적어지는 것을 확인할 수 있다.

Claims (10)

1. 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 및 공가교제를 포함하는 태양전지용 봉지재 막으로서, 에틸렌비닐아세테이트 공중합체 100중량부에 대해 상기 공가교제로
   트리알릴 시아누레이트 또는 트리알릴 이소시아누레이트 0.01 ~ 1.0중량부; 와
   에톡시화된 트리메티롤프로판 아크릴레이트 및 프로폭시화된 트리메티롤프로판 아크릴레이트 중에서 선택된 하나 이상의 공가교제 0.01 ~ 0.6 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지용 봉지재 막.
   
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10. 제1항의 태양전지용 봉지재 막을 사용한 태양전지모듈.

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