KR100988479B1 - 복합 산화물 층이 형성된 태양전지 모듈용 유리 기판 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의하여 복합 산화물 층이 형성된 태양전지 모듈용 커버 기판이 개시된다. 본 발명의 태양전지 모듈용 커버 기판은 이산화티타늄, 이산화규소 및 무기산화물이 복합되어 형성되는 복합산화물층이 태양전지 모듈용 커버 기판에 형성된 것이며, 이것은 수열합성반응에 의하여 형성되는 광촉매 졸 및 수계합성반응에 의하여 형성되는 광촉매 졸을 혼합함으로써 높은 비율의 아나타제 형 결정을 포함하면서 또한 광촉매의 높은 분산성을 가지는 광촉매 졸을 형성하고 또한 여기에 콜로이드 상 실리카의 수용성 바인더 및 무기산화물을 첨가하고 또한 알코올의 첨가로 고형분 함량을 조절하여 분산성을 더욱 좋게 한 후 이것을 태양전지 모듈용 커버 기판에 코팅함으로써 얻어진다. 이러한 본 발명의 커버 기판은 복합산화물층이 없는 일반 기판에 비해 자외선 영역과 가시광 영역 및 적외선 영역에서 태양에너지 총 투과율을 증가시키고, 총 반사율을 저감시키며, 그리하여 태양전지 모듈의 최대출력량을 증가시킨다.

강화기판, 태양전지모듈, 복합 산화물, 광촉매, 콜로이드성 실리카, 무기산 화물

Description

복합 산화물 층이 형성된 태양전지 모듈용 유리 기판{Glass Substrate with Layer of Composite Oxides for Solar Cell Module}

본 발명은 복합 산화물 층이 형성된 태양전지 모듈용 커버 기판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화티타늄, 이산화규소 및 무기산화물이 복합되어 형성되는 복합 산화물 층을 태양전지 모듈용 커버 기판에 형성함으로써 일반 기판에 비해 자외선 영역과 가시광 영역 및 적외선 영역에서 태양에너지 총 투과율을 증가시키고, 총 반사율을 저감시키며, 그리하여 태양전지 모듈의 최대출력량을 증가시키는 태양전지 모듈용 커버 기판, 특히 태양전지 모듈용 커버 강화기판에 관한 것이다.

근래, 환경문제에 대한 의식이 높아짐으로부터 청정에너지 원천으로서의 태양전지(Solar cell)가 주목받고 있다.

태양전지 소재는 단결정 실리콘(silicon) 기판이나 다결정 실리콘 기판을 이용하고 제작하는 것이 많기 때문에 태양전지 소재는 물리적 충격에 약하고, 또 옥 외에 태양전지를 설치한 경우에는 비 등으로부터 이것을 보호할 필요가 있다. 또 태양전지 소재 1장에서 발생하는 전기출력이 작기 때문에 복수의 태양전지 소재를 직병렬에 접속하고, 실용적인 전기 출력을 꺼낼 수 있게 할 필요가 있다. 이 때문에 복수의 태양전지 소재를 접속하고, 투명기판 및 충전재로 봉입하고 태양전지 모듈을 제작하는 것이 통상 행해지고 있다.

일반적으로 태양전지모듈은 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 반도체 소자로서, 무공해, 무소음, 무한 공급 에너지라는 이유로 최근 들어 각광을 받고 있다. 특히 지구온난화를 막기 위하여 이산화탄소, 메탄가스 등의 온실가스 배출량을 규제하는 도쿄의정서가 2005년 2월 16일자로 발효되었고, 에너지원의 80% 이상을 수입에 의존하고 있는 우리나라로서는 태양에너지가 중요한 대체 에너지원 중의 하나로 자리 잡고 있다. 이와 같은 태양전지모듈은 전도성 리본을 통하여 직·병렬로 연결되는 다수의 태양전지 셀에 의해 사용자가 필요로 하는 전력을 발생시키고, 사용자는 이 전력을 이용하여 상용전원 등으로 사용할 수 있다. 최근 들어, 태양전지모듈은 건물 옥상, 건물 벽면, 산간지역, 섬, 공원, 신호등, 도로 안내판 등에 설치되어 건물 등에 전력을 공급하거나 또는 도로 안내판 등의 전력원으로 널리 이용되고 있다.

일반적으로 태양전지 모듈에 사용되는 기판인 저 철분 강화유리는 주로 태양전지 모듈(module)을 보호하기 위해, 기계강도가 우수하고 또한 내후성, 내가수분해성 등의 내구성을 가지는 것이 필요로 하며, 스펙트럼 투과율이 90% 이상인 것을 사용해야 한다.

모듈은 투명 전면기판, 충진재, 태양전지 소자, 충진재 및 이면 보호시트 등을 순차적으로 적층하고, 이것들을 진공 흡인하고 가열 압착하는 라미네이션법 등을 이용하고 제조한다.

상기 태양전지는 그 성질상, 옥외에서 사용되는 것이 많기 때문에 태양전지 모듈을 구성하는 부재에는 높은 내구성이 요구된다. 태양전지 모듈에 사용되는 기판인 저 철분 강화유리는 주로 태양전지 모듈의 이면을 보호하기 때문에, 기계 강도가 우수하고 또한 내후성, 내가수분해성 등의 내구성을 가지는 것이 필요하다.

현재, 이와 같은 태양전지 모듈용 저 철분 유리는 일반적으로 중국에서 수입되는 철분함량이 150 ppm 이하인 강화유리를 사용하고 있다. 이 강화유리를 사용하여 제작한 모듈의 경우에는 표면에 이물질 및 오염물의 누적으로 인해 시간이 지남에 따라 투과율이 점점 떨어지고, 그에 따라 반사율도 증가하게 되며, 이로 인해 모듈의 최대 출력량이 낮아져 효율과 전기생산량이 떨어지는 문제점을 안고 있다. 또한 모듈의 이물질 등으로 인해 청소비용도 증가하게 된다.

본 발명자들은 이러한 단점들을 극복하기 위해 복합 산화물을 합성하고, 이 복합 산화물을 태양전지 모듈의 커버기판인 저 철분 유리에 코팅함으로써 코팅하지 않은 일반 기판에 비해 자외선 영역과 가시광 영역 및 적외선 영역에서 태양에너지 총 투과율을 증가시키고, 총 반사율을 저감시키며, 그리하여 태양전지 모듈의 최대출력량을 증가시키고, 복합 산화물의 친수성을 이용한 자가청소(self-cleaning) 기능을 통해 기판 표면의 오염물질을 제거하며, 내구성과 내후성이 우수한 보호기판을 개발하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 장기간을 사용해도 내구성과 내후성이 우수하고 기존 기판인 저 철분 유리에 비해 광 투과율과 모듈의 최대 출력량이 증가하고 반사율을 감소시키는 기판을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 목적은 상기한 기판 상에 코팅되어 복합산화물층을 형성할 수 있는 광촉매 조성물 그리고 그것의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 광촉매 조성물의 제조방법은 티타늄 화합물을 물로 가수분해한 다음, 알코올과 산을 첨가한 후 수열합성반응으로 이산화티탄의 입자를 성장시키는 단계, 티타늄 화합물을 물과 혼합한 다음, 가온 후 산을 첨가하는 수계합성반응을 통해 형성되는 이산화티탄 광촉매 졸의 분산성을 향상시키는 단계, 상기 수열 및 수계 합성 반응을 통해 얻어진 각 생성물을 혼합하여 광촉매 졸을 얻는 단계, 실리케이트 화합물을 산성 조건하에서 과량의 물로 가수분해함으로써 또는 과량의 물로 가수분해하고 무기산을 첨가함으로써 콜로이드 상 실리카 졸의 수용성 바인더를 합성하는 단계, 및 상기 광촉매 졸, 상기 수용성 바인더, 알코올 및 무기산화물 분말을 혼합하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 조성물에서, 산화티탄 함량은 중량비로 0.5~5 %이고, 실리카 함량은 중량비로 0.5~3 %이며, 무기산화물은 0.2 중량% 내지 3 중량%의 범위인 것이 바람직하다.

또한 본 발명은 상기한 제조방법에 의하여 제조되는 광촉매 조성물을 제공한다.

또한 본 발명은 상기한 광촉매 조성물을 태양전지 모듈용 커버 기판 상에 코팅한 후 열 경화하여 형성되는 복합 산화물 층을 포함하는 태양전지 모듈용 커버 기판을 제공한다.

본 발명의 태양전지 모듈용 커버 기판에서, 복합산화물층의 두께는 50~300 nm인 것이 바람직하고, 상기 복합 산화물 층은 TiO₂ 0.5~5 wt%, SiO₂ 0.5~3 wt%, 및 WO₃ 0.2~3 wt%의 고형분을 포함하고 물 및 알코올을 포함하는 조성물의 코팅 및 경화에 의하여 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 커버 기판은 상기 복합산화물층이 없는 기판과 대비하여 상기 복합산화물층이 형성된 기판의 가시광 투과율을 2~6% 이상 증가시키고, 자외 선 투과율을 2~7% 이상 증가시키며, 적외선 투과율을 1.5~7% 이상 증가시킨다.

또한 본 발명의 커버 기판은 상기 복합산화물층이 없는 기판과 대비하여 상기 복합산화물층이 형성된 기판의 가시광 반사율을 2~6% 이상 감소시키고, 자외선 반사율을 1~5% 이상 감소시키며, 적외선 반사율을 2~6% 이상 감소시킨다.

그리하여 본 발명의 커버 기판은 상기 복합산화물층이 없는 기판과 대비하여 상기 복합산화물층이 형성된 기판의 최대출력량을 1~7% 이상 증가시킨다.

본 발명에 따른 광촉매 조성물은 티타늄 화합물로부터 수열합성법과 수계합성법에 의하여 제조되는 광촉매 졸 및 수용성 바인더와 무기산화물을 포함함으로써 광활성, 안정성, 분산성이 우수할 뿐만 아니라 코팅성이 양호하다. 또한 이러한 광촉매 조성물은 태양전지 모듈용 커버 기판, 특히 저 철분 강화유리 상에 코팅되어 복합산화물층을 형성한다. 이와 같이 복합산화물층이 형성된 태양전지 모듈용 커버 기판은 각종 유기물을 분해할 수 있는 능력이 탁월하여 태양전지 모듈의 내구성 및 내후성을 향상시킬 뿐만 아니라 커버 기판의 태양광 투과율을 증가시키고 반사율을 감소시켜서 태양전지 모듈의 최대출력량을 향상시킨다.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따라 복합산화물층이 형성된 태양전지 모듈용 커버 기판을 포함하는 태양전지 모듈의 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 태양전지 모듈은 투명 전면기판, 충진재, 태양전지 소자, 충진재 및 이면 보호기판을 순차적으로 적층하고, 이것들을 진공 흡인하고 가열 압착하는 라미네이션 방법 등에 의하여 제조될 수 있다. 이와 같이 구성되는 태양전지 모듈에서 투명 전면기판은 태양광을 받아들이는 창의 역할을 한다.

본 발명은 이러한 투명 전면기판 상에 복합산화물층을 코팅함으로써 태양전지 모듈의 내구성 및 내후성을 향상시킬 뿐만 아니라 커버 기판의 태양광 투과율을 증가시키고 반사율을 감소시켜서 태양전지 모듈의 최대출력량을 향상시키는 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 먼저 상기한 복합산화물층을 형성하기 위한 광촉매 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 광촉매 조성물은 수열합성반응에 의하여 제조되는 광촉매 졸 및 수계합성반응에 의하여 제조되는 광촉매 졸을 혼합한 혼합 광촉매 졸, 실리케이트 화합물을 가수분해하여 형성되는 콜로이드 상 실리카의 수용성 바인더 및 무기산화물을 포함한다. 본 발명의 광촉매 조성물에 사용되는 광촉매 졸로서 수열합성반응 및 수계합성반응에 의하여 제조되는 것들의 혼합물을 사용함으로써 우수한 아나타제 형 결정성 및 광촉매의 분산성에 의하여 우수한 광촉매 활성을 얻을 수 있게 된다. 또한 본 발명의 광촉매 조성물에서는 광촉매 졸에 더하여, 실리케이트 화합물의 가수분해에 의하여 얻어지는 콜로이드 상 실리카를 수용성 바인더로 사용함으로써 본 발명의 광촉매 조성물의 전체적 균일성 및 결합력을 높임으로써 태양전지 모듈용 커버 기판 상에 본 발명의 광촉매 조성물을 코팅할 때 균 일한 코팅이 이루어질 수 있도록 할 뿐만 아니라 형성되는 광촉매의 성능을 개선시킨다. 또한 본 발명의 광촉매 조성물에 포함되는 무기산화물은 본 발명의 광촉매 조성물로부터 형성되는 복합산화물층이 더욱 우수한 태양광 투과율 및 더욱 낮은 태양광 반사율을 가지도록 한다.

이하에서는 본 발명의 광촉매 조성물의 성분들 및 그것들의 제조방법을 항목별로 더욱 상세하게 설명한다.

1. 수열합성반응

본 발명에서는 아나타제 형 결정을 높은 비율로 얻어내기 위하여 수열합성반응을 이용하여 고온, 고압 하에서 이산화티탄 광촉매의 아나타제 형 결정을 성장시키는 방법을 사용한다. 본 발명에서는 고온, 고압반응을 수행하기 위하여 수열합성반응기를 이용하였다.

본 명세서에서 언급하는 수열합성반응은 이산화티탄 광촉매 졸을 얻기 위한 방법으로서, 티타늄 화합물을 물로 가수분해한 후에, 그것에 알코올과 산을 첨가하여 고온 및 고압의 조건 하에서 반응시킴으로써 광촉매의 아나타제 형 결정을 높은 비율로 가지는 입자를 형성하는 것을 의미한다.

여기에서 사용되는 알코올은 형성되는 광촉매 졸의 코팅성을 향상시키는 역할을 하므로 결정 성장을 방해하지 않는 정도로 첨가될 수 있으며, 예를 들어, 중량비로 10~95% 정도의 범위로 첨가될 수 있다.

본 발명의 수열합성조건에서의 온도범위는 100~300℃, 바람직하게는 200~250 ℃ 이고, 압력은 10~20 기압이며, 반응시간은 2~3시간이다. 온도와 압력이 너무 낮은 경우는 수열합성 반응이 일어나지 않고 너무 높은 경우에는 위험성이 커져 좋지 않다.

이러한 수열합성반응에서 사용되는 상기 티타늄 화합물은 이산화티탄 광촉매를 제조하기 위한 것으로서, 티타늄 알콕사이드, 티타늄 카르복실레이트, 티타늄 할라이드, 티타늄 나이트레이트, 티타늄 술페이트, 티타늄 아미노옥살레이트, 이들의 혼합물 등을 포함하고, 구체적인 예로는 티타늄(Ⅳ) 이소프로폭사이드 (테트라이소프로판올티탄), 티타늄(Ⅳ) 부톡사이드, 티타늄(Ⅳ) 에톡사이드 (티탄테트라에탄올레이트), 티타늄(Ⅳ) 메톡사이드, 티타늄(Ⅳ) 스티어레이트, 티타늄클로라이드, 티타늄나이트레이트, 티타늄술페이트 혹은 티타늄아미노옥살레이트 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.

상기 산으로는 포름산, 초산, 프로피온산, 부티르산, 락트산, 시트르산, 푸마르산 등 유기산 혹은 인산, 황산, 염산, 질산, 불화수소산, 클로로설포닉산, 파라-톨루엔설포닉산, 3염화초산, 폴리포스포릭산, 아이오딕산, 요오드산 무수물, 과염소산 등 무기산 모두 가능하나 특히 질산, 염산, 불화수소산, 황산 등과 같은 무기산이 바람직하다.

상기 알코올로는 특별히 한정되지 않으나, 메탄올, 에탄올 또는 이소프로필알코올이 바람직하다.

2. 수계합성반응

본 명세서에서 수계합성반응이라 함은 이산화티탄 광촉매 졸을 제조하는 한 방법으로서, 티타늄 화합물을 물과 혼합한 후 가온 상태에서 산을 첨가하여 광촉매 졸을 형성하는 반응을 의미하며, 이러한 수계합성반응에 의하면 광촉매의 분산성이 향상된다.

본 발명에서 채용하는 수계합성조건의 온도범위는 80~90℃인 것이 바람직하며, 반응시간은 예를 들어, 2시간 합성반응 후 12시간 동안 교반하여 자연냉각시켰다.

상기 수계합성반응에 사용되는 티타늄 화합물 및 산은 상기에서 언급한 바와 같이 선택될 수 있다.

3. 광촉매 졸의 혼합

상기 수열합성반응 및 수계합성반응을 통해 얻어진 각 생성물을 혼합하여 혼합 광촉매 졸을 얻는다. 이 때, 수열합성반응에 의하여 생성되는 광촉매 졸과 수계합성반응에 의하여 생성되는 광촉매 졸의 혼합 비율은 혼합 광촉매 졸에서 광촉매의 아나타제 형 결정의 유지와 분산성의 유지가 가능한 수준에서 정하여지며, 포함된 산화티타늄의 중량을 기준으로 20:80 ~ 80:20의 범위에서 선택될 수 있다.

산화티타늄의 양은 본 발명에 따른 최종 광촉매 조성물에서 중량비로 0.5 ~ 5%가 되는 것이 바람직하므로, 이러한 광촉매 졸에 포함되는 산화티타늄의 양은 다른 성분들, 즉 광촉매 졸 성분 이외에 무기산화물과 분산성을 조절하기 위하여 첨가되는 알코올의 양을 고려하여 적절하게 선정될 수 있다.

한편, 혼합 광촉매 졸에서 광촉매의 분산성을 유지하기 위하여, 물의 양은 중량 대비 5~20%가 적당하다. 그리하여 혼합 광촉매 졸에서는 이산화티탄 광촉매는 0.5~10%으로 포함될 수 있고, 나머지는 알코올 성분일 수 있다. 광촉매 제조시에 첨가되는 산은 산도를 조절하기 위하여 첨가되는 것으로 그 양은 무시할 수 있을 정도의 적은 양이다.

4. 수용성 바인더 합성

이 단계에서 제조되는 수용성 바인더는 콜로이드 상 실리카 용액으로서, 본 발명의 광촉매 조성물에서 조성물의 성분들 간의 결합력을 향상시켜서 그 조성물의 코팅 성능을 우수하게 하는 역할을 한다. 따라서 본 명세서에서는 수용성 바인더로 부르기로 한다.

이러한 콜로이드 상의 실리카를 얻기 위하여 본 발명에서는 실리케이트 화합물을 과량의 물로 가수분해한 후 무기산을 첨가하거나, 무기산의 존재 하에서 과량의 물로 가수분해한다. 만약 무기산이 없다면 실리케이트 화합물은 부분적으로 가수분해가 일어나더라도 실온에서 매우 불안정하여 겔화되기 때문에 콜로이드 상의 실리카를 실질적으로 얻을 수 없게 된다. 따라서, 무기산은 실리케이트 화합물의 겔화를 방지하는 해교제 역할을 한다.

여기에서, 실리케이트 화합물의 고형분 함량은 중량비로 5~20%가 되도록 하는 것이 바람직하고, 상기 가수분해 시에 첨가되는 물의 양은 중량대비 50~70%가 바람직하다. 그리고 나머지의 양(10~45%)은 아래에서 설명하는 바와 같은 알코올이 차지할 수 있다.

그리고 이렇게 하여 생성되는 콜로이드 상 실리카를 안정화시키기 위하여 즉시 알코올을 더욱 첨가하여 생성되는 콜로이드 상 실리카의 농도가 20% 이하의 농도로 되도록 희석하는 것이 바람직하다. 여기에서 사용되는 알코올은 에틸알코올이나 메틸알코올이 바람직하고, 또한 알콕시알코올이 바람직하다. 바람직한 알콕시알코올의 예는 2-부톡시에탄올, 2-부톡시메탄올, 2-부톡시부탄올 등을 들 수 있다. 이러한 알코올의 첨가는 겔화를 방지할 뿐만 아니라 본 발명의 광촉매 조성물에서 성분들 간의 바인딩력을 강화함으로써 본 발명의 광촉매 조성물이 기판 상에 더욱 잘 코팅될 수 있게 해준다.

상기 실리케이트 화합물로는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예로는 메틸트리클로로실란, 메틸트리메톡시실란, 메틸트리에톡시실란, 메틸트리부톡시실란, 에틸트리메톡시실란, 에틸트리이소프로폭시실란, 에틸트리부톡시실란, 부틸트리메톡시실란, 펜타플루오로페닐트리메톡시실란, 페닐트리메톡시실란, 노나플루오로부틸에틸트리메톡시실란, 트리플루오로메틸트리메톡시실란, 디메틸디아미노실란, 디메틸디클로로실란, 디메틸디아세톡시실란, 디메틸디메톡시실란, 디페닐디메톡시실란, 디부틸디메톡시실란, 트리메틸클로로실란, 비닐트리메톡시실란, (메트)아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 글리시딜옥시트리메톡시실란, 3-(3-메틸-3-옥세탄메톡시)프로필트리메톡시실란, 옥사시클로헥실트리메톡시실란, 메틸트리(메트)아크릴옥시실란, 메틸[2-(메트)아크릴옥시에톡시]실란, 메틸-트리글리시딜옥시실란, 메틸트리스(3-메틸-3-옥세탄메톡시)실란을 들 수 있다. 이들은, 1 종 단독 또는 2 종 이상 을 조합하여 사용할 수 있으며, 특히 메틸실리케이트 또는 에틸실리케이트가 바람직하다.

5. 광촉매 조성물의 제조

상기와 같이 제조된 혼합 광촉매 졸 및 수용성 바인더를 무기산화물 및 알코올과 함께 혼합하여 본 발명의 광촉매 조성물을 제조한다. 본 발명의 광촉매 조성물은 TiO₂ 0.5~5 중량%, SiO₂ 0.5~3 중량%, 및 WO₃ 0.2~3 중량%를 포함하는 것이 바람직하다. 이 단계에서 사용되는 알코올은 본 발명의 조성물에서 고형분 함량을 조절하고 고형분의 분산성을 좋게 하기 위하여 첨가되는 것이다.

상기 무기 산화물 분말로는 산화텅스텐, 알루미나, 산화지르코늄, 산화리튬 등을 들 수 있다. 이들은, 1 종 단독 또는 2 종 이상을 조합하여 사용할 수 있으며, 특히 산화텅스텐 또는 알루미나 분말이 바람직하다.

6. 태양전지 모듈용 커버 기판 상에의 코팅

상기와 같이 제조된 본 발명의 광촉매 조성물은 상기에서 설명한 바와 같은 태양전지 모듈용 커버 기판 상에 코팅한 후 열 경화함으로써 태양전지 모듈용 커버 기판 상에 복합산화물층을 형성한다. 여기에서 코팅방법으로는 특별히 제한되지 않으며, 스프레이 코팅, 딥 코팅, 정전도장 코팅 등을 사용할 수 있다. 열 경화는 통상적으로 100 ℃ 이상, 바람직하게는 150 ℃ 이상의 온도에서 수행될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 200℃에서 수행하였다. 열 경화 시간은 온도에 따라 적절하게 선택할 수 있으며, 200℃에서는 대략 10분 정도이면 경화가 완료된다. 본 발명에서 사용되는 태양전지 모듈용 커버 기판은 투명 유리, 저 철분 유리 또는 저 철분 강화유리인 것이 바람직하고, 그 중에서 저 철분 강화유리인 것이 더욱 바람직하다.

이렇게 형성되는 복합산화물층의 두께는 50~300nm인 것이 바람직하다.

이러한 복합산화물층이 형성된 본 발명의 태양전지 모듈용 커버 기판은 상기 복합산화물층이 없는 기판과 대비하여 상기 복합산화물층이 형성된 기판의 가시광 투과율을 2~6% 이상 증가시키고, 자외선 투과율을 2~7% 이상 증가시키며, 적외선 투과율을 1.5~7% 이상 증가시킨다. 또한 본 발명의 커버 기판은 상기 복합산화물층이 없는 기판과 대비하여 상기 복합산화물층이 형성된 기판의 가시광 반사율을 2~6% 이상 감소시키고, 자외선 반사율을 1~5% 이상 감소시키며, 적외선 반사율을 2~6% 이상 감소시킨다. 그리하여 본 발명의 커버 기판은 상기 복합산화물층이 없는 기판과 대비하여 상기 복합산화물층이 형성된 기판의 최대출력량을 1~7% 이상 증가시킨다. 복합산화물층의 복합산화물 미립자의 평균 입경은 15~60 nm인 것이 바람직하다.

이하, 상기와 같은 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 본 발명의 목적의 범위 내에서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.

[실시예 1 - 수열합성반응]

티타늄 화합물 중 하나인 테트라티타늄이소프로폭사이드(TTIP) 600g에 순수 63g을 첨가하여 가수분해 반응을 실시한 다음, 95% 에틸알코올 6L와 HNO₃ (67%) 25g을 투입한 후 교반기의 회전속도를 1000rpm으로 고정한 후 다음과 같이 온도조건을 설정하였다.

250℃ 승온까지 3시간, 250℃에서 2시간 동안 수열합성을 실시한 후 실온까지 냉각시킨 후 배출구를 통해 3% 정도의 백색 산화티탄 분산 졸을 제조하였다. 250℃에서 가해지는 용기 내 압력은 15~17기압으로 확인되었다.

[실시예 2 - 수계합성반응]

수계 졸 합성을 위해 5L 반응기에 순수 2Kg에 티타늄 화합물 중 하나인 TTIP 200g을 투입하고 30분 동안 교반을 실시하며 가열장치(heating mantle과 hot plate)를 통해 온도를 조절하여 90℃까지 상승시켰다. 90℃에서 4시간을 유지시킨 후 HNO₃ 20g을 첨가한 후 2시간 동안 교반을 실시하였고, 이후에 24시간 동안 교반을 하면서 자연냉각을 시켜 백색의 수계 졸을 제조하였다.

[실시예 3 - 수열합성+수계합성]

상기 실시예 1과 실시예 2에서 얻어진 각 화합물을 50:50(중량비)로 혼합하 여 원하는 본 발명의 광촉매 졸을 얻었다.

[실시예 4 - 수용성 바인더 합성]

수용성 바인더를 합성하기 위해 5L 반응기에 질산으로 pH 4를 조절한 순수 1.2kg을 투입하고 실리케이트 화합물(테트라메틸오르소실리케이트, TMOS) 0.3kg을 적하하면서 30분간 교반한다. 그 후에 2-부톡시에탄올(2-butoxyethanol)을 0.5kg을 투입한 후 70도 온도에서 2시간 동안 500rpm으로 교반하면서 콜로이드 상의 SiO₂ 졸을 합성하였다.

[실시예 5 - 복합 산화물 합성]

상기 실시예 3에서 얻어진 화합물 : 실시예 4에서 얻어진 화합물 : 무기산화물인 산화텅스텐 분말 : 에틸알코올을 20:20:2:58(중량비)로 혼합하여 원하는 본 발명의 조성물을 얻었다.

[실시예 6 - 복합 산화물 코팅]

상기 실시예 5에서 얻어진 조성물을 태양전지모듈 보호기판인 저 철분 강화유리에 코팅하기 위해 1.3mm 크기의 다홀의 와류형 노즐이 장착된 자동 스프레이 장치로, 4Kg/cm²의 콤프레셔 압력 하에, 저 철분 강화유리로부터 0.2~0.5m 거리를 두고 2~3회 분사하여 그 표면에 복합 산화물 층을 형성한 후, 상온에서 10분 정도 건조시키고, 200도에서 10분 이상 열 경화시켰다.

상기 실시예 6에서 얻어진 기판에 대해 하기와 같이 실험을 실시하였으며, 기존에 AR(Anti-reflection)코팅의 재료로 사용되는 SiO₂와의 비교시험도 실시하였다.

[실험예 1 - 복합 산화물 조성 분석]

복합 산화물의 조성을 알아보기 위해 EDS를 이용하여 성분분석을 실시하였다. 그 결과 도 2에 나와 있는 것처럼 TiO₂-SiO₂-WO₃의 조성임을 확인할 수 있었다.

[실험예 2 - 복합 산화물 조성 분석]

복합 산화물의 코팅 두께를 알아보기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)을 이용하여 관찰하였다. 도 3은 본 발명에서 제조한 복합 산화물 층이 형성된 저 철분 강화유리의 두께 분석 결과 사진을 나타낸다. 그 결과 코팅두께는 약 100nm 사이즈로 확인할 수 있었다.

[실험예 3 - 투과율 및 반사율 측정]

본 발명에서는 복합 산화물 조성물이 코팅된 태양전지모듈 기판의 투과율 및 반사율을 알아보기 위해 한국에너지기술연구원에 실험을 의뢰하였다. 도4는 발명에 서 제조한 조성물이 형성된 강화기판의 투과율 측정결과 그래프이다.

그 결과 기존에 사용 중인 기판인 저 철분 강화유리에 비해서 자외선 영역에서는 평균 3.6%, 가시광 영역에서는 평균 4.1%, 적외선 영역에서는 평균 3.5%의 광투과율이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

도 5는 본 발명에서 제조한 조성물이 형성된 강화기판의 반사율 측정결과 그래프이다. 그 결과 기존에 사용 중인 기판인 저 철분 강화유리에 비해서 자외선 영역에서는 평균 5.1%, 가시광 영역에서는 평균 4.9%, 적외선 영역에서는 평균 3.8%의 반사율이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.

[실험예 4 - 코팅된 표면의 평균 입경]

본 발명에서는 태양전지모듈 기판인 저 철분 강화유리에 코팅된 복합 산화물의 코팅입경을 측정하기 위해 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM)을 이용하여 관찰하였다. 도 6은 본 발명에서 제조한 조성물이 형성된 강화기판 표면의 입자사이즈 사진이다. 측정결과 평균 입경은 25~30nm 정도로 균일하게 코팅이 되어있음을 확인할 수 있었다.

[비교예 1 - SiO₂ 코팅 층과의 비교]

상기 실시예 6에서 얻어진 기판에 대해, 기존에 AR(Anti-reflection)코팅의 재료로 사용되는 SiO₂ 코팅 층이 형성된 강화유리와의 광 투과율 비교 시험도 실시 하였다. 도 7은 복합 산화물 층이 형성된 저 철분 강화유리와 SiO₂ 층이 형성된 저 철분 강화유리의 광 투과율을 비교한 그래프이다. 비교 시험 결과 복합 산화물 층이 형성된 강화유리가 SiO₂ 층이 형성된 저 철분 강화유리에 비해 광 투과율이 평균 2% 이상 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

이상의 물성 및 필드 시험으로부터 수열 및 수계합성반응을 통해 얻은 이산화티타늄 졸, 실리케이트 수용성 바인더 졸과 무기 산화물 분말을 혼합하여 제조된 본 발명의 복합 산화물의 결정도 및 광촉매 활성이 우수함을 관찰하였고, 더욱이 분산성이 양호하여 기재에 효과적으로 코팅 및 담지 시킬 수 있다.

또한 코팅하지 않은 일반 저 철분 강화유리에 비해 광 투과율이 증가하고, 반사율이 감소하며, 태양전지 모듈의 최대출력량이 증가함을 나타내었으며, 기존의 AR 코팅재료인 SiO₂ 조성물 보다 투과율이 더욱 증가함을 확인할 수 있어 본 발명의 목적에 부합한다고 할 수 있겠다.

[실험예 5 - 내구성 및 내후성 확인]

한편, 본 발명에 따라 복합산화물층이 형성된 태양전지 모듈용 커버 기판이 장시간 사용 후에도 여전히 각종 유기물을 분해할 수 있는 자가청소 기능을 유지하고 아울러 그 복합산화물층의 박리가 없는지를 확인하기 위하여 아래와 같이 실험을 수행하였다. 다만, 이 실험에서는 상기에서 언급한 광촉매 조성물에서 무기산 화물이 첨가되지 않은 조성의 광촉매 조성물을 사용하였다. 여기에서 사용한 광촉매 조성물이 충분한 내구성 및 내후성이 있다면 무기산화물이 더 추가된 조성물도 충분한 내구성 및 내후성이 있을 것으로 합리적으로 예상할 수 있으므로, 본 발명에 따른 광촉매 조성물에 대해서는 내구성 및 내후성 확인 실험을 생략하였다.

[촉진내후성 시험]

태양전지 모듈에 위에서 언급한 조성물을 코팅한 후 옥외폭로 시험과 더불어 실내에서 QUV(Accelerated weathering meter, Q-Panel사, USA)를 이용하여 2000시간 동안 가속시험을 실시하였다.

그 결과 2000시간 후에도 표면의 박리나 부풀음의 현상이 나타나지 않고 친수성도 우수하게 나타났다. 2000시간 후의 접촉각 측정사진은 도 8에 나타내었다.(좌측 : 초기 접촉각, 우측 : 2000시간 후 접촉각)

[필드시험]

위 조성물이 코팅된 태양전지모듈의 환경변화에 따른 전기적 광학적 특성 분석 분석을 하였다. 태양전지 모듈을 외부에 노출하여 환경변화에 따른 최대 출력 값의 변화를 측정하였다.

100일 동안 외부에 노출하는 동안 총 4회에 걸쳐 모듈의 최대 출력을 측정한 결과 일반 유리를 사용한 경우 시간에 따라 출력 감소가 나타났는데 초기 값에 비하여 4.5% 감소하였으며 본 조성물을 코팅한 시료의 경우에는 평균 0.4% 감소하였 다. 그 결과를 도 9에 나타내었다.

또한, 태양전지모듈 표면의 오염 정도는 육안 검사와 광투과율 측정을 통하여 비교하였는데 일반유리의 경우 오염정도는 광촉매 코팅된 시료에 비하여 오염 물질의 밀도가 크며 응집된 간격이 매우 조밀한 특성을 나타내었다. 그리고 광투과율에서는 일반유리는 초기 값에 비하여 3.5%의 감소가 나타났으며 본 조성물을 코팅한 유리는 일반유리의 1/4 수준인 0.8%의 감소가 나타났다. 그 결과를 도 10에 나타내었다.

이상의 물성 및 필드 시험으로부터 수열 및 수계합성반응과 수용성 바인더를 혼합하여 제조된 위 조성물 졸의 결정도 및 광촉매 활성이 우수함을 관찰하였고, 더욱이 분산성이 양호하여 기재에 효과적으로 코팅 및 담지 시킬 수 있으므로 본 발명의 목적에 부합함을 확인하였고, 아울러 본 발명에 따른 무기산화물을 더 포함하는 광촉매 조성물도 위와 같은 내구성 및 내후성이 있을 것으로 추정하였다.

도 1은 본 발명에서 제조한 조성물에 의하여 복합산화물층이 형성된 강화기판을 사용한 태양전지 모듈의 단면도이다.

도 2는 본 발명에서 제조한 조성물의 성분분석(EDS) 결과 사진이다.

도 3은 본 발명에서 제조한 조성물이 형성된 강화기판의 코팅두께 분석결과 사진이다.

도 4는 본 발명에서 제조한 조성물이 형성된 강화기판의 투과율 측정결과 그래프이다.

도 5는 본 발명에서 제조한 조성물이 형성된 강화기판의 반사율 측정결과 그래프이다.

도6은 본 발명에서 제조한 조성물이 형성된 강화기판 표면의 입자사이즈 사진이다.

도7은 본 발명에서 제조한 조성물이 형성된 강화기판과 AR 코팅으로 사용 중인 SiO₂ 층이 형성된 강화기판의 광 투과율을 비교, 측정한 결과 그래프이다.

도 8은 본 발명의 광촉매 조성물 중에서 무기산화물이 첨가되지 않은 조성물의 초기 접촉각과 촉진내후성 2000시간 시험 후의 접촉각 분석결과 사진이다.

도 9는 본 발명의 광촉매 조성물 중에서 무기산화물이 첨가되지 않은 조성물을 코팅한 태양전지 모듈의 최대출력량 시험 결과이다.

도 10은 본 발명의 광촉매 조성물 중에서 무기산화물이 첨가되지 않은 조성 물을 코팅한 태양전지 모듈 보호 유리의 투과율 측정 결과이다.

Claims (20)

1. 복합 산화물 층이 적어도 한 면에 형성되며, 상기 복합 산화물 층의 조성은 TiO₂, SiO₂ 및 WO₃를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 유리 기판
2. 제 1항에 있어서, 형성된 복합 산화물 층의 두께가 10~500 nm인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 유리 기판
3. 제 1항에 있어서, 유리 기판의 재료가 저 철분 유리 혹은 저 철분 강화유리인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 유리 기판
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 TiO₂가 10~40 wt%, 상기 SiO₂가 50~80 wt%, 상기 WO₃가 10~20 wt% 포함되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 유리 기판
7. 제 1항 내지 제 3항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 복합 산화물이 형성되지 않은 기판에 비해서 복합 산화물이 형성된 기판의 가시광 투과율이 0.5~7% 증가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 유리 기판
8. 제 1항 내지 제 3항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 복합 산화물이 형성되지 않은 기판에 비해서 복합 산화물이 형성된 기판의 가시광 투과율이 2~6%, 자외선 투과율이 2~7% 및 적외선 투과율이 1.5~7% 증가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 유리 기판
9. 제 1항 내지 제 3항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 복합 산화물이 형성되지 않은 기판에 비해서 복합 산화물이 형성된 기판의 가시광 반사율이 0.5~7%가 감소하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 유리 기판
10. 제 1항 내지 제 3항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 복합 산화물이 형성되지 않은 기판에 비해서 복합 산화물이 형성된 기판의 가시광 반사율이 2~6%, 자외선 반사율이 1~5% 및 적외선 반사율이 2~6% 감소하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 유리 기판
11. 제 1항 내지 제 3항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 복합 산화물이 형성되지 않은 기판에 비해서 복합 산화물이 형성된 기판의 가시광 투과율이 0.5~7% 증가하고, 가시광 반사율이 2~6%가 저감되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 유리 기판
12. 제 1항 내지 제 3항 및 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 복합 산화물이 형성되지 않은 기판을 사용한 모듈에 비해서 복합 산화물이 형성된 기판을 사용한 모듈의 효율이 0.5~10% 증가하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈용 유리 기판
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

Images