KR20140146620A - 광 지향 매체를 포함하는 광기전 모듈 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

광 지향 매체를 포함하는 광기전 모듈 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일반적으로 광기전 모듈 및 광기전 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다. 하나의 예시적인 광기전 모듈은 광기전 전지가 부재하는 영역을 형성하도록 서로 이격된 제 1 광기전 전지 및 제2 광기전 전지를 포함하는 복수의 광기전 전지; 적어도 제1 광기전 전지와 제2 광기전 전지를 연결하는 전기 커넥터; 및 제1 광기전 전지의 적어도 일부분 상에 위치된 광 지향 매체를 포함한다.

Description

광 지향 매체를 포함하는 광기전 모듈 및 이를 제조하는 방법{PHOTOVOLTAIC MODULES COMPRISING LIGHT DIRECTING MEDIUMS AND METHODS OF MAKING THE SAME}
재생가능 에너지는 일광(sunlight), 바람, 비, 조류(tide), 및 지열과 같은, 보충될 수 있는 천연 자원으로부터 유래된 에너지이다. 재생가능 에너지에 대한 요구가 기술의 발전 및 세계 인구의 증가에 따라 크게 증가하고 있다. 화석 연료가 오늘날 에너지 소비량의 대부분을 제공하지만, 이들 연료는 재생가능하지 않다. 이들 화석 연료에 대한 세계적인 의존은 그의 고갈에 관한 증가된 우려뿐만 아니라, 이들 연료를 연소시키는 것으로부터 기인하는 배출물과 관련된 환경적 우려를 갖는다. 이들 우려의 결과로서, 전 세계의 국가들은 대규모 재생가능 에너지 자원 및 소규모 재생가능 에너지 자원 둘 모두를 개발하기 위한 계획을 수립하고 있다. 오늘날 유망한 에너지 자원들 중 하나는 일광이다. 세계적으로, 수백만의 가정이 현재 태양광 광기전 시스템(solar photovoltaic system)으로부터 전력을 획득한다. 태양광 발전(solar power)에 대한 증가하는 요구는 이들 응용에 대한 요건들을 충족시킬 수 있는 장치 및 재료에 대한 증가하는 요구를 수반한다.
일광의 이용은 광전 변환(photoelectric conversion)에 사용되는 광기전(photovoltaic, PV) 전지(태양광 전지), 예를 들어 규소 광기전 전지의 사용에 의해 성취될 수 있다. PV 전지들은 크기가 비교적 작고, 전형적으로 상응하여 더 큰 전력 출력을 갖는 물리적으로 통합된 PV 모듈(태양광 모듈)로 조합된다. PV 모듈은 일반적으로 PV 전지들의 2개 이상의 "스트링(string)"으로부터 형성되며, 이때 각각의 스트링은, 일렬로 배열되며 주석 도금된 평평한 구리 와이어(전기 커넥터, 태빙 리본(tabbing ribbon) 또는 버스 와이어(bus wire)로 또한 알려짐)를 사용하여 직렬로 전기적으로 연결되는 복수의 전지로 이루어진다. 이들 전기 커넥터는 전형적으로 납땜 공정에 의해 PV 전지에 접착된다.
PV 모듈은 전형적으로 미국 특허 공개 제2008/0078445호(파텔(Patel) 등)에 개괄적으로 기술된 바와 같이, 봉지재(encapsulant)에 의해 둘러싸인 PV 전지를 포함하며, 이 미국 특허 공개의 개시내용은 본 명세서에 참고로 포함된다. 일부 실시예에서, PV 모듈은 PV 전지의 양측에 봉지재를 포함한다. 유리(또는 다른 적합한 중합체 재료)의 2개의 패널이 봉지재의 전면(front-side) 및 배면(backside)에 인접하게 위치되어 접합된다. 2개의 패널은 태양 방사선에 대해 투명하며, 전형적으로 전면 층 및 배면 층 또는 백시트로 지칭된다. 전면 층 및 백시트는 동일하거나 상이한 재료로 제조될 수 있다. 봉지재는, PV 전지를 봉지하고 또한 전지를 물리적으로 밀봉하도록 전면 층 및 백시트에 접합되는 광투과성 중합체 재료이다. 이러한 라미네이트형 구조물은 전지들에 기계적 지지를 제공하고, 또한 이들을 바람, 눈, 및 얼음과 같은 환경 요인으로 인한 손상으로부터 보호한다. PV 모듈은 전형적으로 금속 프레임 내로 끼워맞춤되며, 이때 모듈의 에지를 덮는 밀봉재(sealant)는 금속 프레임에 의해 맞물린다. 금속 프레임은 모듈의 에지를 보호하고, 추가의 기계적 강도를 제공하며, 태양 방사선의 수용을 최대화하기 위해 모듈을 적절한 각도로 유지하는 적합한 지지체에 장착될 수 있는 보다 큰 어레이 또는 태양광 패널을 형성하도록 모듈을 다른 모듈과 조합시키는 것을 용이하게 한다.
광기전 전지들을 제조하고 이들을 조합하여 라미네이트형 모듈을 제조하는 기술이, 예를 들어 하기의 미국 특허에 예시된다: 제4,751,191호(곤시오로우스키(Gonsiorawski) 등); 제5,074,920호(곤시오로우스키 등), 제5,118,362호(세인트 안젤로(St. Angelo) 등); 제5,178,685호(보렌스테인(Borenstein) 등); 제5,320,684호(아믹(Amick) 등); 및 제5,478,402호(하노카(Hanoka)). 이들 특허의 교시는 전체적으로 본 명세서에 포함된다.
광기전 모듈 내의 전기 커넥터는 비활성 차폐 영역(inactive shaded area)(즉, 입사 광이 광기전 또는 광전 변환을 위해 흡수되지 않는 영역)을 생성한다. 총 활성 표면적(즉, 입사 광이 광기전 또는 광전 변환에 사용되는 총 면적)은 이들 비활성 차단 영역의 존재로 인해 100% 미만이다. 결과적으로, 전기 커넥터의 개수 또는 폭의 증가는 비활성 차폐 영역의 증가 때문에 광기전 모듈에 의해 생성될 수 있는 전류량을 감소시킨다.
본 출원의 발명자들은 PV 모듈의 전력 출력을 증가시키려고 노력하였다. 특히, 본 출원의 발명자들은, 그렇지 않으면 비활성 차폐 영역에 입사할 광을 활성 영역으로 지향시키는 하나 이상의 광 지향 매체를 포함하는 PV 모듈을 개발하려고 노력하였다. 이러한 방식으로, PV 모듈의 총 전력 출력은 증가될 수 있다. 일부 실시예에서, 본 출원의 발명자들은 전기 커넥터에 입사하였을 광을 PV 모듈의 활성 영역 내로 지향시키도록 광 지향 매체를 위치시킨다. 일부 실시예에서, 이는 전기 커넥터에 인접한 광 지향 매체의 배치를 수반하였다. 광 방향전환 매체의 존재는 광 방향전환 매체(들)를 갖지 않는 PV 모듈과 비교해 광기전 전지들의 어레이의 총 활성 표면적을 증가시킨다. 또한, 본 발명자들은 이들 PV 모듈을 제조하는 방법을 개발하려고 노력하였다.
일부 실시예는 광기전 모듈에 관한 것이며, 이 광기전 모듈은 광기전 전지가 부재하는 영역을 형성하도록 서로 이격된 제1 광기전 전지 및 제2 광기전 전지를 포함하는 복수의 광기전 전지; 적어도 제1 광기전 전지와 제2 광기전 전지를 연결하는 전기 커넥터; 및 제1 광기전 전지의 적어도 일부분 상에 위치된 광 지향 매체를 포함한다. 일부 실시예에서, 광 방향전환 매체는 또한 제2 광기전 전지 상에 또는 그에 인접하게 위치되고, 광기전 전지가 부재하는 영역의 적어도 일부분을 통해 연장된다.
일부 실시예는 광기전 전지가 부재하는 영역을 형성하도록 서로 이격된 제1 광기전 전지 및 제2 광기전 전지를 포함하는 복수의 광기전 전지를 포함하는 광기전 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이며, 본 방법은 제1 광기전 전지의 적어도 일부분에 인접하게 광 지향 매체를 위치시키는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 광 방향전환 매체는 또한 제2 광기전 전지 상에 또는 그에 인접하게 위치되고, 광기전 전지가 부재하는 영역의 적어도 일부분을 통해 연장된다.
일부 실시예는 광기전 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이며, 본 방법은 평면 표면 상에 복수의 광기전 전지를 형성하는 단계 - 복수의 광기전 전지는 행(row)들 및 열(column)들의 어레이로 서로 이격되고; 광기전 전지가 부재하는 복수의 영역이 인접 행들 및 열들 사이에 존재함 -; 제1 광기전 전지의 적어도 일부분 상에 전기 커넥터를 위치시키는 단계; 전기 커넥터 상에 접착제 조성물을 적용하는 단계; 및 접착제 조성물에 인접하게 광 지향 매체를 위치시켜, 전기 커넥터를 포함하는 광기전 모듈의 부분에 입사하는 광이 전기 커넥터 대신에 광 지향 매체에 입사하게 하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 광 방향전환 매체는 또한 제2 광기전 전지 상에 또는 그에 인접하게 위치되고, 광기전 전지가 부재하는 영역의 적어도 일부분을 통해 연장된다. 일부 실시예는 광기전 모듈을 가열하여 접착제를 용융시키고 광 지향 매체를 전기 커넥터에 효과적으로 접착시키는 단계를 추가로 포함한다.
일부 실시예에서, 광 지향 매체는 전기 커넥터에 바로 인접하고/하거나 접착된다. 일부 실시예에서, 광 지향 매체는 접착제에 의해 전기 커넥터에 접착된다. 일부 실시예에서, 접착제는 고온 용융 접착제 및/또는 감압 접착제 중 하나일 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 커넥터는 코팅된 구리 와이어이다. 일부 실시예에서, 광 지향 매체는 입사 광을 복수의 광기전 전지 중의 광기전 전지들 중 적어도 하나의 광기전 전지의 광학적 활성 영역 상으로 지향시키는 가요성 중합체 필름이다. 일부 실시예에서, 가요성 중합체 필름은 연속 스트립(continuous strip)의 형태로 제공된다. 일부 실시예에서, 광 지향 매체는 구조화된 주 표면(structured major surface) 반대편의 대체로 평평한 주 표면을 포함한다. 일부 실시예에서, 광기전 모듈은 반사성 코팅을 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 광 지향 매체는 대체로 평면인 가요성 중합체 층; 및 구조화된 층을 포함하는 다층 구조물이다. 일부 실시예에서, 광기전 모듈은 반사성 코팅을 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 전기 커넥터를 포함하는 광기전 모듈의 부분에 입사하는 광은 전기 커넥터 대신에 광 지향 매체에 입사한다.
본 출원의 다른 특징들 및 이점들이 첨부된 4개의 도면과 함께 고려되어야 하는 다음의 상세한 설명에 기술되거나 기재된다.
본 명세서는 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시예의 하기 상세한 설명을 고려할 때 보다 완전히 이해될 수 있다.
<도 1>
도 1은 종래 기술의 모놀리식(monolithic) 광 지향 매체의 개략도.
<도 2>
도 2는 본 교시에 따른 PV 모듈의 일 실시예의 길이방향 단면도.
<도 3>
도 3은 본 교시에 따른 PV 전지의 일 실시예의 단면도.
<도 4>
도 4는 본 교시에 따른 광 지향 매체의 일 실시예의 단면도.
도면들은 반드시 일정한 축척으로 도시된 것은 아니다. 주어진 도면에서 구성요소를 지시하기 위한 도면 번호의 사용은 동일한 도면 번호로 표기된 다른 도면 내의 그 구성요소를 한정하도록 의도되지 않음이 이해될 것이다.
하기의 상세한 설명에서, 본 명세서의 일부를 이루는 첨부 도면 세트를 참조할 수 있으며, 첨부 도면 세트에는 몇 개의 구체적인 실시예가 예시로서 도시된다. 본 발명의 범주 또는 사상으로부터 벗어남이 없이 다른 실시예들이 고려되고 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다.
구조화된 주 표면(11) 및 대체로 평평한 반대편 주 표면(12)을 포함하는 종래 기술의 모놀리식 패턴화된 전기 커넥터(10)가, 예를 들어 미국 특허 공개 제2007/0125415호(삭스(Sachs))에 기술되었으며, 도 1에 도시된다. 구조화된 표면(11)은 광을 다시 광기전 전지로 반사시키는 광 지향 매체로서 거동한다. 이러한 유형의 구조와 관련된 하나의 불리한 점은 전기 커넥터를 광기전 전지에 부착하는 데 사용되는 납땜 공정과 관계된다. 땜납이 모놀리식 전기 커넥터(10)의 구조화된 표면(11)과 접촉하면, 그것은 구조물의 적어도 일부분을 파괴하여, 비활성 영역을 생성한다.
모놀리식(즉, 여기서 구조화된 표면은 평평한 주 표면에 인접하고 그와 일체형임) 구조물의 다른 불리한 점은 가요성과 관련된다. 일부 경우에, 평평한 주 표면은 가요성이고 구조화된 표면은 적절한 내후 특성(weathering property)을 제공하도록 덜 가요성인 것이 바람직하다. 또한, 일부 실시예에서, (PV 전지에 인접하게 위치된) 평평한 주 표면이 PV 전지에 대한 양호한 접착력을 갖고, 이에 따라 구조화된 표면과는 상이한 재료로 제조될 수 있음이 바람직하다.
본 발명자들은 예를 들어 상기의 확인된 결점들을 극복하는 PV 모듈을 개발하려고 노력하였다. 본 발명자들은 또한 예를 들어 증가된 효율, 증가된 에너지 생성, 및 증가된 활성 영역 중 적어도 하나를 갖는 PV 모듈을 개발하려고 노력하였다. 본 출원의 PV 모듈은 납땜 공정에 의해 손상되지 않는 전기 커넥터 및 광 지향 매체를 포함한다. 본 발명자들은 또한 이들 PV 모듈을 제조하는 방법을 개발하려고 노력하였다.
도 2는 본 출원에 따른 PV 모듈의 하나의 예시적인 실시예의 단면도이다. PV 모듈(20)은 복수의 직사각형 PV 전지(22a, 22b, 22c)를 포함한다. 임의의 PV 전지가 본 출원의 PV 모듈에 사용될 수 있다. 광기전 전지의 일부 예는 (구리 인듐 갈륨 다이-셀레나이드(CIGS)와 같은) 박막 광기전 전지, CIS(CuInSe2) 전지, a-Si(비정질 규소) 전지, c-Si(결정질 규소), 및 유기 광기전 소자(organic photovoltaic device, OPV)를 포함한다. 가장 통상적으로 은 잉크의 스크린 인쇄에 의해, 금속화 패턴이 PV 전지에 적용된다. 이러한 패턴은 미세한 평행 그리드 라인(gridline)들의 어레이(핑거(finger)로 또한 알려짐)(도시되지 않음)로 이루어진다. 예시적인 PV 전지는 미국 특허 제4,751,191호(곤시오로우스키 등), 제5,074,920호(곤시오로우스키 등), 제5,118,362호(세인트 안젤로 등), 제5,320,684호(아믹 등) 및 제5,478,402호(하노카)에 예시되고 기술된 바와 같이 실질적으로 제조된 것들을 포함하며, 이 미국 특허들 각각은 전체적으로 본 명세서에 포함된다. 전기 커넥터(24)는 PV 전지 위에 배치되고 전형적으로 그에 납땜되어, 핑거로부터 전류를 수집한다. 일부 실시예에서, 전기 커넥터(24)는 코팅된(예컨대, 주석 도금된) 구리 와이어의 형태로 제공된다. 도시되지는 않았지만, 일부 실시예에서, 각각의 PV 전지가 그의 후방 표면 상에 후방 접점을 포함함이 이해되어야 한다.
일반적으로, 광 지향 매체(23)는 입사 일광을 다시 PV 전지의 하나 이상의 활성 영역 상으로 반사시킨다. 일부 실시예에서, 광 방향전환 매체(23)는 하나 이상의 전기 커넥터(24) 또는 전기 커넥터(24)의 부분들에 인접하게 위치된다. 예를 들어, 광 방향전환 매체는 하나 이상의 광기전 전지 상의 전기 커넥터에 인접할 수 있거나, 하나 이상의 광기전 전지에뿐만 아니라 광기전 전지가 부재하는 영역에 인접할 수 있다.
예시적인 적합한 광 지향 매체는, 예를 들어 광 반사 코팅으로 코팅된 복수의 평행한 홈을 갖는 열가소성 필름으로 제조된 것들을 포함한다. 일부 실시예에서, 광 지향 매체(23)는 전기 커넥터(24)에 접합된다. 일부 실시예에서, 이들은 접착제(25)에 의해 접합된다. 일부 실시예에서, 접착제는 열-활성화(thermally-activated) 접착제이다(예컨대, 고온 용융 접착제). 일부 실시예에서, 접착제는 감압 접착제(PSA)이다. 일부 실시예에서, 접착제는 전기 커넥터(24) 상에의 접착 전에 광 지향 매체에 라미네이팅된다. 일부 실시예에서, 접착제는 하나 이상의 광 지향 매체(23)의 적용 전에 전기 커넥터(24) 위에 적용된다.
PV 모듈(20)은, 종종 백시트(28)의 형태의 배면 보호기 부재를 또한 포함한다. 일부 바람직한 실시예에서, 백시트(28)는 유리, 중합체 층, 보강 섬유(예컨대, 유리, 세라믹 또는 중합체 섬유)로 보강된 중합체 층, 또는 목재 파티클 보드(wood particle board)와 같은 전기 절연성 재료이다. 일부 실시예에서, 백시트(28)는 유리 또는 석영의 유형을 포함한다. 일부 실시예에서, 유리는 열적으로 템퍼링된다. 일부 예시적인 유리 재료는 소다-라임-실리카계 유리를 포함한다. 다른 실시예에서, 백시트(28)는 중합체 필름이다. 예시적인 백시트는 다층 중합체 필름을 포함한다. 백시트의 하나의 구매가능한 예는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)로부터 구매가능한 쓰리엠(3M)™ 스카치쉴드(Scotchshield)™ 필름이다. 예시적인 백시트는 압출된 PTFE를 포함하는 것들이다. (예를 들어, 건물 통합형 태양광 발전(building integrated photovoltaics, BIPV)에서) 백시트는 건축 재료, 예를 들어 지붕형성 멤브레인(roofing membrane)에 연결될 수 있다.
위에 놓이는 PV 전지(22a, 22b, 22c)는 대체로 평면인 광 투과성 및 전기 비전도성 전면 층(30)이며, 이는 또한 광기전 전지에 지지를 제공한다. 일부 실시예에서, 전면 층(30)은 유리 또는 석영의 유형을 포함한다. 일부 실시예에서, 유리는 열적으로 템퍼링된다. 일부 예시적인 유리 재료는 소다-라임-실리카계 유리를 포함한다. 일부 실시예에서, 전면 층은 낮은 철분 함량(예컨대, 약 0.10% 미만의 총 철분, 보다 바람직하게는 약 0.08, 0.07 또는 0.06% 미만의 총 철분) 및/또는 광 투과율을 최적화하기 위한 그 상의 반사방지 코팅을 갖는다. 다른 실시예에서, 전면 층은 배리어 층(barrier layer)이다. 일부 예시적인 배리어 층은, 예를 들어 미국 특허 제7,186,465호(브라이트(Bright)), 제7,276,291호(브라이트), 제5,725,909호(쇼우(Shaw) 등), 제6,231,939호(쇼우 등), 제6,975,067호(맥코믹(McCormick) 등), 제6,203,898호(쾰러(Kohler) 등), 제6,348,237호(쾰러 등), 제7,018,713호(파디야스(Padiyath) 등), 및 미국 공보 제2007/0020451호 및 제2004/0241454호에 기술된 것들이며, 이들 모두는 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
일부 실시예에서, 적합한 광-투명, 전기 비전도성 재료로 제조된 봉지재(32)가 백시트(28)와, 전면 층(30)과, 주위 전지(22a, 22b, 22c)와 전기 커넥터(24) 사이에 개재된다. 일 실시예에서, 봉지재(32)는 에틸렌 비닐 아세테이트 공중합체(EVA) 또는 이오노머이다. 하나의 예시적 방법에서, 봉지재(32)는 PV 전지(22a, 22b, 22c)의 어레이의 아래 및/또는 위에 위치되는 분리된(discrete) 시트들의 형태로 제공되며, 이때 그 구성요소들은 차례로 백시트(28)와 전면 층(30) 사이에 개재된다. 후속하여, 라미네이트 구조물은 진공 하에서 가열되어, 봉지재 시트가 PV 전지 주위로 유동하여 이를 봉지하면서 동시에 전면 층과 백시트 사이의 공간 내의 임의의 공극(void)을 충전하기에 충분히 액화되게 한다. 냉각 시, 액화된 봉지재는 고화된다. 일부 실시예에서, 봉지재는 투명 고체 매트릭스를 형성하도록 현장에서 추가로 경화될 수 있다. 봉지재는 전면 층(30) 및 백시트(28)에 접착되어 라미네이팅된 부조립체를 형성한다.
임의의 봉지재가 본 발명의 방법 및 구조물에 사용될 수 있다. 일부 예시적인 봉지재 유형은 경화가능한 열경화성 물질, 열경화성 플루오로중합체, 및 아크릴을 포함한다. 일부 예시적인 봉지재는 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리올레핀, 열가소성 우레탄, 투명 폴리비닐클로라이드, 및 이오노머를 포함한다. 하나의 예시적인 구매가능한 폴리올레핀 봉지재는 쓰리엠 컴퍼니에 의해 판매되는 PO8500™이다. 열가소성 폴리올레핀 봉지재 및 열경화성 폴리올레핀 봉지재 둘 모두가 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 미국 특허 출원 제61/555,892호 및 제61/555,912호에 개괄적으로 기술된 유형의 봉지재가 사용될 수 있으며, 이 미국 특허 출원들 각각의 개시내용은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 일부 실시예에서, 봉지재는 광기전 전지 및 관련 회로 위에 그리고 그 주위에 적용될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 PV 전지(22a)는 전기 커넥터(24)에 의해 제2 전지(22b)에 전기적으로 연결된다. 도 2에 도시된 구체적인 실시예에서, 제1 전지 및 제2 전지가 서로에 직접 인접하지만, 직접 인접하지 않은 전지들이 본 출원의 범주 내에 속한다. 도 2에 도시된 구체적인 실시예에서, 전기 커넥터(24)는 제1 전지(22a)의 길이 전체에 걸쳐 그리고 그 위에서 연장되고, 제1 전지(22a)의 에지를 넘어 연장되고, 하향으로 그리고 제2 전지(22b) 아래로 구부러진다. 전기 커넥터(24)는 이어서 제2 전지(22b)의 길이 전체에 걸쳐 그리고 그 아래에서 연장된다. 광 지향 매체(23)가 전기 커넥터(24)에 인접하게 위치된다. 일 실시예에서, 광 지향 매체(23)는 가요성 중합체 필름의 연속 스트립의 형태로 제공되며, 이는 PV 모듈(20)의 길이 전체 위에 배치된다. 다른 실시예에서, 광 지향 매체에는 전지 길이 크기가 제공된다.
도 3은 본 발명에 따른 PV 모듈(50)의 예시적인 실시예의 단면도이다. PV 모듈(50)은 다수의 전기 커넥터(24)를 포함한다. 일부 실시예에서, 전기 커넥터(24)는 PV 전지의 전체 길이 위에 배치된다. 광 지향 매체(23)는 하나 이상의 전기 커넥터(24) 위에 배치된다. 일부 실시예에서, 광 지향 매체(23)는 PV 모듈의 효율을 최대화하기 위해 전기 커넥터(24)와 완전히 중첩된다. 대안적인 실시예에서, 광 지향 매체(23)는 전기 커넥터(24)와 완전히 중첩되지는 않는다.
일부 실시예에서, 광 지향 매체는 전기 커넥터보다 약간 폭이 더 넓은 연속 스트립의 형태로 제공된다. 일부 실시예에서, 각각의 전기 커넥터의 폭은 약 1.5 mm이고 각각의 광 지향 매체의 폭은 약 1.5 mm이다. 일부 실시예에서, 광 지향 매체의 폭은 약 1.5 mm 내지 약 3.0 mm의 범위이다.
미국 특허 제5,994,641호(카르다우스카스(Kardauskas)), 제4,235,643호(아믹), 제5,320,684호(아믹 등), 제4,246,042호(나셀(Knasel) 등), 및 미국 공개 제2006/0107991호(바바(Baba)), 및 제2010/0200046호(사우아르(Sauar) 등), 및 제2010/0330726호(곤시오로우스키)에 기술된 것들을 포함하지만 이로 제한되지 않는 임의의 광 지향 매체가 본 출원에 사용될 수 있으며, 이들 각각의 개시내용은 전체적으로 본 명세서에 포함된다. 하나의 예시적인 광 지향 매체는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 다층 구조물이다. 광 지향 매체(23)는 제1의 대체로 평평한 주 표면(35a) 및 제2의 대체로 평평한 주 표면(35b)을 갖는 가요성 중합체 층(34)을 포함한다. 구조화된 표면(36)이 가요성 중합체 층(34)의 제1 주 표면(35a)에 인접해 있다. 일부 실시예에서, 가요성 중합체 층(34)은 폴리올레핀(예컨대, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌), 폴리에스테르(예컨대, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)), 및 폴리아크릴레이트(예컨대, 폴리메틸(메트)아크릴레이트)(PMMA)) 중 하나이다. 일부 실시예에서, 구조화된 표면(36)은 열가소성 중합체 및 중합성 수지 중 하나로 제조된다. 일부 실시예에서, 구조화된 표면은 금속화 층(예컨대, 알루미늄, 은)과 같은 반사성 코팅(38)을 추가로 포함한다.
광 지향 필름의 임의의 원하는 폭이 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 광 지향 필름의 최적 폭은, 예를 들어 다음의 인자들 중 적어도 하나에 기초해 결정될 수 있다: 소면(facet) 디자인, 유리와 봉지재 사이의 굴절률 일치, 및 전면 유리 또는 전면 재료의 두께. 일부 실시예에서, 광 지향 매체는 약 5 mm 내지 약 30 mm의 폭을 갖는다. 일부 실시예에서, 광 지향 매체는 약 10 mm 내지 약 25 mm의 폭을 갖는다. 일부 실시예에서, 광 지향 매체는 약 12 mm 내지 약 20 mm의 폭을 갖는다. 일부 실시예에서, 광 지향 매체는 약 13 mm 내지 약 18 mm의 폭을 갖는다.
구조화된 표면을 형성하기에 적합한 중합성 수지는 광개시제와 아크릴레이트 기를 갖는 적어도 하나의 화합물의 블렌드(blend)를 포함한다. 바람직하게는, 수지 블렌드는 조사(irradiation) 시에 가교-결합된 중합체 네트워크의 형성을 보장하기 위해 1작용성, 2작용성, 또는 다작용성 화합물을 함유한다. 본 발명에서 사용될 수 있는 자유 라디칼 메커니즘에 의해 중합될 수 있는 수지의 예시적인 예는 에폭시, 폴리에스테르, 폴리에테르, 및 우레탄으로부터 유도된 아크릴계 수지, 에틸렌계 불포화 화합물, 적어도 하나의 펜던트 아크릴레이트 기를 갖는 아이소시아네이트 유도체, 아크릴레이트화 에폭시 이외의 에폭시 수지, 및 이들의 혼합물과 조합을 포함한다. 용어 "아크릴레이트"는 본 명세서에서 아크릴레이트 및 메타크릴레이트 둘 모두를 포함하는 것으로 사용된다. 미국 특허 제4,576,850호(마르텐스(Martens))(전체적으로 본 명세서에 포함됨)는 광 지향 매체(23)의 구조화된 표면을 형성하는 데 사용될 수 있는 가교결합된 수지의 예를 개시한다. 일부 실시예에서, 수지는 비-할로겐화 수지이다. 비-할로겐화 수지의 사용의 몇몇 이익은 보다 환경 친화적이고 금속을 부식시키지 않는다는 사실을 포함한다.
광 지향 매체의 일부 실시예는 반사성 코팅을 포함한다. 일부 실시예에서, 반사성 코팅은 미러 코팅(mirror coating)이다. 반사성 코팅 또는 미러 코팅은 몇 가지 이점을 갖는다. 예를 들어, 이들 코팅은 입사 일광의 반사율을 제공할 수 있으며 이에 따라 입사 일광이 (UV 노출로 인해 열화될 수 있는) 중합체 재료에 입사하는 것을 차단할 수 있다. 임의의 원하는 반사성 코팅 또는 미러 코팅 두께가 사용될 수 있다. 일부 예시적인 두께는 광학 밀도 또는 %투과율에 의해 측정된다. 명백히, 보다 두꺼운 코팅이 보다 많은 UV 광을 차단한다. 그러나, 너무 두꺼운 코팅은 코팅 내의 증가된 응력을 유발하여, 코팅 균열을 초래할 수 있다. 추가적으로, 보다 두꺼운 코팅은 종종 습열 시험(damp heat testing) 및/또는 압력솥 시험(pressure cooker testing)에 노출된 때 내구성이 덜하다. 일부 광 지향 매체는 약 35 nm 내지 약 60 nm의 반사성 또는 미러 코팅 두께를 갖는다.
본 명세서에 기술된 바와 같은 PV 모듈을 제조하는 하나의 예시적인 방법은, 광기전 전지들의 스트링을 제공하는 단계, 광기전 전지 위에 전기 커넥터를 납땜하는 단계, 및 전기 커넥터 위에 광 지향 매체를 접착하는 단계를 포함한다.
PV 모듈의 라미네이션 공정 동안, 전기 커넥터와 광 지향 매체 간의 정합(resgistration)을 유지하는 것이 중요할 수 있다. 본 출원의 PV 모듈을 제조하는 하나의 예시적인 방법에서, 광 지향 매체는 접착제를 이용하여 미리 라미네이팅된다. 일부 실시예에서, 접착제는 고온-용융 접착제이다. 일부 실시예에서, 고온-용융 접착제는 에틸렌 비닐 아세테이트 중합체(EVA)이다. 적합한 고온-용융 접착제의 다른 유형은 폴리올레핀을 포함한다. 광 지향 매체가 전기 커넥터 위에 위치되고 열이 그에 인가되어 고온-용융 접착제를 용융시켜서, 광 지향 매체를 전기 커넥터에 효과적으로 접합시킨다. 일부 실시예에서, 다른 층들이 가열 단계 전에 PV 모듈(예컨대, 백시트, 봉지재, 전면 층) 상에 라미네이팅되거나 코팅될 수 있다. 가열 단계는 예를 들어 히트 건(heat gun) 또는 적외선 히터와 같은 임의의 적합한 가열 기구를 사용하여 수행될 수 있다. 일부 실시예에서, 가열 기구는 라미네이트 구조물 아래에(예컨대, 백시트에 인접하게) 배치된다. 일부 실시예에서, 가열 기구는 라미네이트 구조물 위에(예컨대, 광 지향 매체에 인접하게) 배치된다.
일부 실시예에서, 접착제는 감압 접착제(PSA)이다. 적합한 유형의 PSA는 아크릴레이트, 실리콘, 폴리아이소부틸렌, 우레아, 및 이들의 조합을 포함하지만, 이로 제한되지 않는다. 일부 실시예에서, PSA는 아크릴 또는 아크릴레이트 PSA이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "아크릴" 또는 "아크릴레이트"는 아크릴 또는 메타크릴 기 중 적어도 하나를 갖는 화합물을 포함한다. 유용한 아크릴 PSA는, 예를 들어 2종 이상의 상이한 단량체(제1 단량체와 제2 단량체)를 조합함으로써 제조될 수 있다. 예시적인 적합한 제1 단량체는 2-메틸부틸 아크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 아이소옥틸 아크릴레이트, 라우릴 아크릴레이트, n-데실 아크릴레이트, 4-메틸-2-펜틸 아크릴레이트, 아이소아밀 아크릴레이트, sec-부틸 아크릴레이트, 및 아이소노닐 아크릴레이트를 포함한다. 예시적인 적합한 제2 단량체는 (메트)아크릴산(예컨대, 아크릴산, 메타크릴산, 이타콘산, 말레산, 및 푸마르산), (메트)아크릴아미드(예컨대, 아크릴아미드, 메타크릴아미드, N-에틸 아크릴아미드, N-하이드록시에틸 아크릴아미드, N-옥틸 아크릴아미드, N-t-부틸 아크릴아미드, N,N-다이메틸 아크릴아미드, N,N다이에틸 아크릴아미드, 및 N-에틸-N-다이하이드록시에틸 아크릴아미드), (메트)아크릴레이트(예컨대, 2-하이드록시에틸 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트, 사이클로헥실 아크릴레이트, t-부틸 아크릴레이트, 또는 아이소보르닐 아크릴레이트), N-비닐 피롤리돈, N-비닐 카프로락탐, 알파-올레핀, 비닐 에테르, 알릴 에테르, 스티렌 단량체, 또는 말레에이트를 포함한다. 아크릴 PSA는 또한 제형 중에 가교-결합제를 포함시킴으로써 제조될 수 있다.
일부 실시예에서, 접착제는 전기 커넥터에 선택적으로 적용되며, 이때 광 지향 매체의 폭은 전기 커넥터의 폭과 동일하거나 그보다 약간 더 크다. 바람직하게는, 접착제는 투명하다. 원하는 투명도는 가시광에 대해 80% 이상의 투명도이다. 일부 실시예에서, 원하는 투명도는 가시광에 대해 90% 이상이다. 다른 실시예에서, 투명 접착제는 PV 전지의 표면 전체 위에 적용된다(예컨대, 플러드 코팅됨(flood coated)). 이어서 광 지향 매체가 전기 커넥터 위에, 그리고 그와 정합하여 조심스럽게 위치된다. 이어서 구조물 전체가 가열되어 접착제를 용융시키고 전기 커넥터에의 광 지향 매체의 적절한 접합을 보장한다.
본 명세서에 언급된 모든 참고문헌은 참고로 포함된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단어 "상에" 및 "인접하게"는 직접적으로 어떤 것 상에 있는 층 및 간접적으로 어떤 것 상에 있는 층 둘 모두를 포함하며, 이때 다른 층들이 아마도 그들 사이에 위치된다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "주 표면" 및 "주 표면들"은 3개 세트의 대향 표면들을 갖는 3차원 형상에 관하여 가장 큰 표면적을 갖는 표면(들)을 말한다.
달리 지시되지 않는 한, 본 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는, 특징부의 크기, 양, 및 물리적 특성을 표현하는 모든 수치는 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는 한, 상기 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기재된 수치적 파라미터들은 본 명세서에 개시된 교시를 이용하여 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 다를 수 있는 근사치들이다.
본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an", "the")는, 그 내용이 명확히 달리 지시하지 않는 한, 복수의 지시 대상들을 갖는 실시예를 포함한다. 본 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, 용어 "또는"은 일반적으로 그 내용이 명백히 달리 지시하지 않는 한 "및/또는"을 포함하는 의미로 사용된다.
본 발명의 다양한 실시예 및 구현예가 개시되어 있다. 개시된 실시예는 제한이 아닌 예시의 목적으로 제공된다. 전술된 구현예 및 다른 구현예가 하기의 특허청구범위의 범주 내에 속한다. 당업자는 본 발명이 개시된 것들 이외의 실시예 및 구현예로 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 당업자는 전술된 실시예 및 구현예의 기본 원리로부터 벗어남이 없이 그러한 실시예 및 구현예의 상세사항에 대해 많은 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명은 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예 및 예에 의해 부당하게 제한되도록 의도되지 않고, 그러한 예 및 실시예는 단지 예로서 제시되며, 이때 본 발명의 범주는 하기와 같이 본 명세서에 기재된 특허청구범위에 의해서만 제한되도록 의도됨을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 다양한 변형 및 변경이 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 당업자에게 명백해질 것이다. 따라서, 본 출원의 범주는 하기의 특허청구범위에 의해서만 결정되어야 한다.

Claims (26)

  1. 광기전 모듈(photovoltaic module)로서,
    광기전 전지(photovoltaic cell)가 부재하는 영역을 형성하도록 서로 이격된 제1 광기전 전지 및 제2 광기전 전지를 포함하는 복수의 광기전 전지;
    적어도 제1 광기전 전지와 제2 광기전 전지를 연결하는 전기 커넥터; 및
    제1 광기전 전지의 적어도 일부분 상에 위치된 광 지향 매체(light directing medium)를 포함하는, 광기전 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 광 지향 매체는 제1 광기전 전지의 상기 적어도 일부분 상에 그리고 제2 광기전 전지의 적어도 일부분 상에 위치되며, 광기전 전지가 부재하는 상기 영역의 적어도 일부분을 가로질러 연장되는, 광기전 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광 지향 매체는 전기 커넥터에 바로 인접하고/하거나 접착되는, 광기전 모듈.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 광 지향 매체는 접착제에 의해 전기 커넥터에 접착되는, 광기전 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 접착제는 고온-용융 접착제 및/또는 감압 접착제 중 하나인, 광기전 모듈.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 커넥터는 코팅된 구리 와이어인, 광기전 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 광 지향 매체는 입사 광을 복수의 광기전 전지 중의 광기전 전지들 중 적어도 하나의 광기전 전지의 광학적 활성 영역 상으로 지향시키는 가요성 중합체 필름인, 광기전 모듈.
  8. 제7항에 있어서, 가요성 중합체 필름은 연속 스트립(continuous strip)의 형태로 제공되는, 광기전 모듈.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 광 지향 매체는 구조화된 주 표면(structured major surface) 반대편의 대체로 평평한 주 표면을 포함하는, 광기전 모듈.
  10. 제9항에 있어서, 반사성 코팅을 추가로 포함하는, 광기전 모듈.
  11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 광 지향 매체는,
    대체로 평면인 가요성 중합체 층; 및
    구조화된 층
    을 포함하는 다층 구조물인, 광기전 모듈.
  12. 제11항에 있어서, 반사성 코팅을 추가로 포함하는, 광기전 모듈.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 커넥터를 포함하는 광기전 모듈의 부분에 입사하는 광은 전기 커넥터 대신에 광 지향 매체에 입사하는, 광기전 모듈.
  14. 광기전 전지가 부재하는 영역을 형성하도록 서로 이격된 제1 광기전 전지 및 제2 광기전 전지를 포함하는 복수의 광기전 전지를 포함하는 광기전 모듈을 제조하는 방법으로서,
    제1 광기전 전지의 적어도 일부분에 인접하게 광 지향 매체를 위치시키는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    광 지향 매체를 제2 광기전 전지에 인접하게 그리고 광기전 전지가 부재하는 상기 영역의 적어도 일부분을 통해 연장되도록 위치시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 제1 광기전 전지와 제2 광기전 전지를 전기 커넥터로 전기적으로 연결하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  17. 제14항 또는 제15항에 있어서, 광 지향 매체는 전기 커넥터에 바로 인접하고/하거나 접착되는, 방법.
  18. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 광 지향 매체는 접착제에 의해 전기 커넥터에 접착되는 필름의 연속 스트립인, 방법.
  19. 제17항에 있어서, 접착제는 고온-용융 접착제인, 방법.
  20. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    광기전 모듈을 가열하여 접착제를 용융시키고 광 지향 매체를 전기 커넥터에 효과적으로 접착시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  21. 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 광 지향 매체는 입사 광을 복수의 광기전 전지 중 하나의 광기전 전지의 광학적 활성 영역 상으로 지향시키는 가요성 중합체 필름인, 방법.
  22. 제14항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 광 지향 매체는 구조화된 주 표면 반대편의 대체로 평평한 주 표면을 포함하는, 방법.
  23. 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 광 지향 매체는,
    대체로 평면인 가요성 중합체 층; 및
    구조화된 층
    을 포함하는 다층 필름인, 방법.
  24. 제23항에 있어서, 광 지향 매체는 반사성 코팅을 추가로 포함하는, 방법.
  25. 광기전 모듈을 제조하는 방법으로서,
    평면 표면 상에 복수의 광기전 전지를 형성하는 단계 - 복수의 광기전 전지는 행(row)들 및 열(column)들의 어레이로 서로 이격되고; 광기전 전지가 부재하는 복수의 영역이 인접 행들 및 열들 사이에 존재함 -;
    제1 광기전 전지의 적어도 일부분 상에 전기 커넥터를 위치시키는 단계;
    전기 커넥터 상에 접착제 조성물을 적용하는 단계; 및
    접착제 조성물에 인접하게 광 지향 매체를 위치시켜, 전기 커넥터를 포함하는 광기전 모듈의 부분에 입사하는 광이 전기 커넥터 대신에 광 지향 매체에 입사하게 하는 단계를 포함하는, 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    광 방향전환 매체가 광기전 전지가 부재하는 영역의 일부분을 통해 연장되도록 광 지향 매체를 제2 광기전 전지에 인접하게 위치시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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