KR101293665B1 - 산화아연 나노 구조체 유리 및 이를 이용한 태양전지 모듈 및 이들의 제조 방법 - Google Patents

산화아연 나노 구조체 유리 및 이를 이용한 태양전지 모듈 및 이들의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

광투과율 및 자정작용(Self-cleaning)이 우수한 산화아연 나노 구조체 유리 및 이를 이용하여 발전효율이 우수한 태양전지 모듈, 및 이들의 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 태양전지; 상기 태양전지의 일측 및 타측에 형성되고, 적어도 하나가 산화아연 나노 구조체 유리를 포함하는 두 개의 보호층; 및 상기 두 개의 보호층을 상기 태양전지의 일면 및 타면에 부착시키는 두 개의 접착제층;을 포함하며, 상기 산화아연 나노 구조체 유리는 유리 기판과, 상기 유리 기판 상에 형성된 산화아연 시드층(ZnO seed layer)과, 상기 산화아연 시드층 상에 서로 이격 형성된 복수의 산화아연 나노로드(ZnO nanorod), 및 상기 복수의 산화아연 나노로드의 표면 및 상기 산화아연 시드층의 노출면 상에 형성되는 초소수성(superhydrophobic)을 갖는 자기조립 단분자막(SAM: Self assembled monolayer)을 포함하고, 상기 자기조립 단분자막의 표면이 외부로 노출되는 것을 특징으로 한다.

Description

산화아연 나노 구조체 유리 및 이를 이용한 태양전지 모듈 및 이들의 제조 방법{ＺｎＯ-NANO STRUCTURE GLASS AND SOLAR CELLS MODULE USING THE SAME AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 산화아연 나노 구조체 유리 및 이를 이용한 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광투과율 및 자정작용(Self-cleaning)이 우수한 산화아연 나노 구조체 유리 및 이를 이용하여 발전효율이 우수한 태양전지 모듈, 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
현재 양산되고 있는 태양전지의 대부분을 차지하고 있는 실리콘계 태양전지는 반도체기판으로서 실리콘을 사용하고 있다.
이러한 실리콘계 태양전지는 p형 반도체와 n형 반도체를 조합하여 만드는데, p형 반도체와 n형 반도체의 접한 부분에 빛이 들어오면, 빛 에너지에 의하여 반도체 내부에서 전자와 정공이 발생하게 된다. 이때, 태양전지를 구성하는 실리콘의 밴드갭 이상의 에너지를 갖는 빛만이 전자와 정공을 발생시킬 수 있다. 빛 에너지에 의해 발생된 전자와 정공은 내부 전계에 의하여 각각 n형 반도체 측과 p형 반도체 측으로 이동하여 양쪽의 전극 부분에 모아진다. 이러한 두 개의 전극을 도선으로 연결하면 전류가 흐르고 외부의 부하나 시스템에서 전력원으로 이용할 수 있게 된다.
그러나, 상술한 바와 같은 태양전지는 동작 중에 캐리어의 재결합에 의한 손실, 캐리어를 수집하는 전극 부분에서의 저항에 따른 손실, 태양전지 표면에서 발생하는 광학적 손실 등에 의하여 그 특성이 저하되는 것으로 알려져 있다. 그 중에서도 특히 태양전지 표면에 입사되는 빛의 반사에 의한 광학적 손실이 가장 큰 비중을 차지하고 있다.
이러한 광학적 손실을 줄이기 위하여, 태양전지 보호층에 요구되는 외층 형성에 사용되는 재료의 선정에 있어서 다양한 연구가 진행되고 있다. 이는 태양전지 보호층이 태양전지의 외층에서 외부의 환경, 즉, 강우나 먼지, 오염물질 등에 노출되는 부위기 때문이다.
태양전지의 효율을 떨어뜨리는 요인 중에는 앞서 말한 보호층의 반사에 따른 효율의 저감뿐만 아니라, 먼지 등의 오염물질과 같은 환경요인에 의한 광투과량의 감소로 인해 야기되는 저감효과가 전체 저감효과의 10%에 달하는 것으로 보고된 바가 있다(Wong, 2009. 3. 24. 미국화학회).
그러나, 기존 태양전지 보호층에 주로 사용되고 있는 일반 유리는 먼지 등의 오염물질에 대한 자정기능이 없기 때문에 광학적 손실에 따른 효율 저감이 불가피한 실정이다. 따라서, 광투과 효율이 우수하면서도 먼지나 외부의 오염원에 대해 보다 효과적으로 자정작용을 수행할 수 있는 태양전지 보호층의 재료가 절실히 요구되고 있다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제2012-0077596호(2012.07.10. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 수열합성법으로 표면 처리된 질화물계 반도체층 표면에 산화아연으로 이루어진 나노 구조물을 형성하는 단계를 포함하는 발광다이오드의 제조방법에 대하여 개시하고 있다.
본 발명의 하나의 목적은 광투과율 및 자정작용(Self-cleaning)이 우수한 산화아연 나노 구조체 유리 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 태양전지 보호층으로 광투과율 및 자정작용이 우수한 산화아연 나노 구조체 유리를 채용하여 발전효율을 높일 수 있는 태양전지 모듈 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노 구조체 유리는 유리 기판; 상기 유리 기판 상에 형성된 산화아연 시드층(ZnO seed layer); 상기 산화아연 시드층 상에 서로 이격 형성된 복수의 산화아연 나노로드(ZnO nanorod); 및 상기 복수의 산화아연 나노로드의 표면 및 상기 산화아연 시드층의 노출면 상에 형성된 초소수성(superhydrophobic)을 갖는 자기조립 단분자막(SAM: Self assembled monolayer);을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법은 유리 기판 상에 산화아연 시드층(ZnO seed layer)을 형성하는 단계; 수열(hydrothermal)법을 이용하여 상기 산화아연 시드층으로부터 상기 산화아연 시드층 상에 서로 이격 형성되도록 복수의 산화아연 나노로드를 성장시키는 단계; 및 상기 복수의 산화아연 나노로드의 표면 및 상기 산화아연 시드층의 노출면 상에 초소수성을 갖는 자기조립 단분자막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지 모듈은 태양전지; 상기 태양전지의 일측 및 타측에 형성되되, 적어도 하나가 산화아연 나노 구조체 유리를 포함하는 두 개의 보호층; 및 상기 두 개의 보호층을 상기 태양전지의 일면 및 타면에 부착시키는 두 개의 접착제층;을 포함하며, 상기 산화아연 나노 구조체 유리는 유리 기판과, 상기 유리 기판 상에 형성된 산화아연 시드층과, 상기 산화아연 시드층 상에 서로 이격 형성된 복수의 산화아연 나노로드, 및 상기 복수의 산화아연 나노로드의 표면 및 상기 산화아연 시드층의 노출면 상에 형성되는 초소수성을 갖는 자기조립 단분자막을 포함하고, 상기 자기조립 단분자막의 표면이 외부로 노출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 산화아연 나노 구조체 유리는 유리 기판 상에 산화아연 나노로드의 초미세 패턴을 형성하고, 그 위에 초소수성을 갖는 자기조립 단분자막을 형성함으로써, 광투과율 뿐만 아니라 먼지 등의 오염물질에 대한 자정작용이 우수하다.
본 발명에 따른 태양전지 모듈은 광투과율 및 자정작용이 우수한 산화아연 나노 구조체 유리를 태양전지 보호층으로 채용함으로써 태양전지로의 광 흡수량을 증가시켜 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
수열법(hydrothermal method)을 이용하여 유리 기판 상에 패턴 불량 없이 산화아연 나노로드를 성장시킬 수 있어, 광투과율 및 자정작용이 우수한 산화아연 나노 구조체 유리와 이를 이용하여 발전효율이 우수한 태양전지 모듈의 제작이 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노 구조체 유리를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법을 설명하기 위한 공정순서도이다.
도 3 내지 도 5는 도 1의 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노 구조체 유리를 태양전지 보호층에 채용한 태양전지 모듈의 일례를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예 1의 TEM 사진, SEM 사진, 수접촉각과 비교예 1의 수접촉각을 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1의 초소수성 관찰 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1의 파장별 투과도를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1~2의 발전시간에 따른 충전양을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 실시예 1 및 비교예 1의 자정능력 관찰 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 본 명세서에서 어떤 막이 다른 막 또는 기판의 "위"에 있다라고 기재된 경우, 상기 어떤 막이 상기 다른 막 또는 기판의 위에 직접 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 다른 막이 개재될 수도 있다. 첨부 도면에서, 막들 및 영역들의 두께 및 크기는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 나타낸 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부 도면에 도시된 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다. 첨부 도면에서 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 광투과율 및 자정작용(Self-cleaning)이 우수한 산화아연 나노 구조체 유리 및 이를 이용하여 발전효율이 우수한 태양전지 모듈, 및 이들의 제조 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노 구조체 유리를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노 구조체 유리(100)는 유리 기판(110), 유리 기판(110) 상에 형성된 산화아연 시드층(ZnO seed layer, 115), 산화아연 시드층(115) 상에 서로 이격 형성된 복수의 산화아연 나노로드(ZnO nanorod, 120), 및 복수의 산화아연 나노로드(120)의 표면 및 산화아연 시드층(115)의 노출면 상에 형성된 자기조립 단분자막(SAM; Self assembled monolayer, 130)을 포함할 수 있다.
이때, 유리 기판(110)은 통상의 표시장치, 태양전지, 자동차, 건물 외벽, 유리창 등에 사용되는 일반적인 박형의 유리 기판뿐만 아니라, 대략 50~500㎛ 두께의 플렉서블(Flexible)한 합성수지(폴리머)기판일 수 있다.
산화아연 나노로드(120)는 저절로 나노로드 형태로 자라나므로 표면적을 넓 게하는 효과가 매우 크며, 또한 표면에 자기조립 단분자막(130)의 형성이 용이하게 이루어져, 산화아연 나노 구조체 유리(100)의 표면에 초소수성을 부여하는 초미세 돌기 패턴이다.
산화아연 나노로드(120)는 나노로드 형태의 단결정 산화아연(ZnO)으로 이루어지며, 직경은 시드층(seed layer)의 결정립 크기와 산화아연 나노로드 성장조건에 따라 변화하며 그 길이는 공정시간에 비례하여 증가한다. 본 발명에서 산화아연 나노로드(120)의 직경은 대략 10nm에서 500nm정도인 돌기 구조 형상일 수 있다.
이때, 산화아연 나노로드(120)의 직경이 10nm 미만일 경우, 초미세 돌기 패턴 형성에 의한 표면적의 증가효과가 크지 않아 초소수성을 갖지 못하여 산화아연 나노 구조체 유리(100)의 자정작용(Self-cleaning)이 미미할 수 있다. 반면에, 산화아연 나노로드(120)의 직경이 500nm를 초과할 경우, 표면 접착성이 떨어질 수 있으며, 또한 공정 시간이 길어져 제조 비용이 상승될 수 있다.
한편, 산화아연 나노로드(120)는 도 1에서는 복수개로 도시되었으나, 적어도 하나 이상을 만족하는 한 특별히 이에 한정되지는 않는다.
자기조립 단분자막(130)은 산화아연 나노로드(120)의 표면 및 산화아연 시드층(115)의 노출면 상에 자발적으로 정렬되는 대략 1nm 내지 3nm의 두께의 유기 단분자막으로서, 이들 표면의 성질이 초소수성(superhydrophobic)을 띠게 한다.
이러한 자기조립 단분자막(130)을 형성하는 분자는 세 개의 부분으로 이루어져 있다. 먼저, 기질과 결합하는 머리부분의 반응기, 규칙적인 분자 막 형성을 가능하게 하는 몸통 부분의 긴 알칸(alknoic) 사슬, 그리고 분자 막의 기능을 좌우하는 꼬리 부분의 작용기로 나누어진다.
이와 같은 자기조립 단분자막(130)은 기질의 표면과 막을 이루게 되는 분자들 사이에 직접적인 화합결합을 형성하여 매우 튼튼한 분자막을 만들 수 있고, 기질의 모양이나 크기에 영향을 받지 않아 복잡한 모양의 기질 위에서도 제조가 가능하며 대면적화에도 용이하다.
본 발명에서 사용되는 자기조립 단분자막(130)은 꼬리부분의 작용기가 불화계 물질로 형성되어서 소수성을 띠게 되면 산화아연 나노로드(120)에 의한 표면적의 증대효과와 맞물려 결과적으로 표면이 초소수성을 띠게 한다.
이러한 자기조립 단분자막(130)은 헵타데카플루오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실 트리클로로실란((heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane))으로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 자기조립 단분자막(130)은 테프론(Teflon, 미국 듀폰(Dupont)社제) 등으로 형성되어도 헵타데카플루오로- 1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실 트리클로로실란(heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane)으로 형성되는 경우와 비슷한 효과를 낼 수 있다.
소수성을 띠는 자기조립 단분자막(130)이 산화아연 나노로드(120) 표면 위에 형성되면 물에 대해 대략 150° 내지 170°의 접촉각을 가져 표면이 초소수성을 띠게 된다.
따라서, 산화아연 나노 구조체 유리(100)는 표면의 초소수성에 기인한 수분차단효과와 동시에, 먼지 등의 오염물질이 표면에 앉지 않고 실시간으로 습기에 씻겨져서 늘 청결한 상태를 유지하도록 하기 때문에 오염물질을 효과적으로 제거할 수 있는 우수한 자정능력을 갖게 된다.
특히, 자기조립 단분자막(130)은 산화아연 나노로드(120) 표면에 헵타데카플루오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실 트리클로로실란((heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane)) 대신 테프론으로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 통상의 테프론은 불소와 탄소의 강력한 화학적 결합으로 인해 매우 안정된 화합물을 형성함으로써, 거의 완벽한 화학적 비활성 및 내열성, 비점착성(Non-sticking), 비유성(Non-wetting), 우수한 절연 안정성, 낮은 마찰계수 등의 특성들을 가지고 있는 것으로 알려져 있다.
따라서, 자기조립 단분자막(130)이 테프론으로 형성될 경우, 표면 위에 거의 모든 물질이 달라붙지 않기 때문에 산화아연 나노 구조체 유리(100) 표면에 오염원이 달라붙거나 앉는 것을 원천적으로 제거할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노 구조체 유리(100)는 태양전지의 표면을 보호하는 커버유리, 세차를 요하지 않는 자동차, 낮은 오염도를 원하는 건물외벽이나 창문 등에 활용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법을 설명하기 위한 공정순서도이고, 도 3 내지 도 5는 도 1의 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법을 설명하기 위한 공정단면도들이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 도시된 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법은 유리 기판 상에 산화아연 시드층을 형성하는 단계(S210), 수열법(hydrothermal method)으로 산화아연 나노로드를 성장시키는 단계(S220) 및 초소수성 자기조립 단분자막을 형성하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 산화아연 시드층 형성 단계(S210)에서는 유리 기판(110) 상에 후속한 산화아연 나노로드(도 4의 120 참조)의 시드(seed)로 사용하기 위한 산화아연 시드층(115)을 형성한다.
이때, 산화아연 시드층(115)은 RF(Radio frequency) 스퍼터링(sputtering)을 이용하여 형성할 수 있다. 일례로, RF 스퍼터링은 파워를 대략 10~1000W으로 하고, 압력을 대략 1mTorr~100mTorr로 하여 실시할 수 있으며, 형성하고자 하는 산화아연 시드층(115)의 두께나 결정 크기에 따라 파워와 압력을 다양하게 변형할 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 산화아연 나노로드 성장 단계(S220)에서는 수열(hydrothermal)법을 이용하여 산화아연 시드층(115)으로부터 산화아연 시드층(115) 상에 서로 이격 형성되도록 복수의 산화아연 나노로드(120)를 성장시킨다.
구체적으로, 산화아연 나노로드 성장 단계(S220)에서는, 먼저, ZnO 시드층(115)이 형성된 유리 기판(110)을 함침조(400)에 담겨진 영양액(410)에 침지시킨다.
본 발명에서 영양액(410)은 물(H2O), 물(H2O)과 반응하여 아연이온(Zn2+)을 공급하는 아연이온 공급원, 및 물(H2O)과 반응하여 수산화이온(OH-)을 공급하는 수산화이온 공급원을 포함할 수 있다.
이때, 아연이온 공급원은 아세트산 아연(Zinc acetate : Zn(O2CCH3)2), 질산 아연(Zinc nitrate : Zn(NO3)2), 황산 아연(Zinc sulfate : ZnSO4), 염화 아연(Zinc Chloride : ZnCl2) 등에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.
수산화이온 공급원은 NH4OH, KOH, LiOH, NaOH 등에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. 일례로, 수산화이온 공급원으로 90mM의 NaOH가 사용될 수 있다.
일례로, 영양액(410)으로 1mM의 Zn(NO3)2, 90mM의 NaOH 및 물(H2O)을 포함하는 혼합 용액이 사용될 수 있다.
그런 다음, 영양액이 50℃ 내지 90℃의 온도를 유지할 수 있도록, 산화아연 시드층(115)이 형성된 유리 기판(110)이 침지된 영양액(410)에 열을 가한다.
그 결과, 산화아연 시드층(115) 표면 위로 영양액(410) 중에 녹아있는 물질이 석출되면서 산화아연 나노로드(120)와 같은 결정으로 성장하게 된다. 산화아연 나노로드(120)의 경우, 도시된 바와 같이 나노 돌기 형태로 결정이 성장된다.
영양액(410)을 이용한 산화아연 나노로드(120)의 성장과 관련된 반응식의 일례를 하기 [식 1]에 나타내었다.
[식 1]
Zn(NO3)2 + 2NaOH + H2O -> ZnO(산화아연 나노로드) + 2NaNO3 + 2H2O
상기 산화아연 나노로드 성장 단계(S220)에서 영양액(410)의 온도가 50℃ 미만으로 유지일 경우, 산화아연 나노로드(120)의 성장이 불충분 할 수 있고, 반면에 90℃를 초과하는 경우, 산화아연 나노로드(120)의 과성장으로 인해 초미세 나노 돌기 패턴의 형성이 어려울 수 있다.
한편, 산화아연 나노로드 성장 단계(S220)는 교반(stirring)을 추가로 수반하여 산화아연 나노로드(120)의 성장을 촉진시킬 수 있고, 대략 1~3시간 동안 산화아연 나노로드(120)를 성장시켜 직경이 대략 10nm 내지 500nm이고, 높이가 대략 100nm 내지 1000nm인 나노 돌기 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 초소수성 자기조립 단분자막 형성 단계(S230)에서는 복수의 산화아연 나노로드(120)의 표면 및 산화아연 시드층(115)의 노출면 상에 초소수성을 갖는 자기조립 단분자막(130)을 형성하여 산화아연 나노 구조체 유리(100)를 완성한다.
이때, 헵타데카플루오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실 트리클로로실란((heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane)) 또는 테프론(Teflon, 미국 듀폰(Dupont)사제) 등이 분산된 자기조립 단분자 용액을 산화아연 나노로드(120) 상에 코팅(coating)하여 대략 1nm 내지 3nm의 두께의 자기조립 단분자막(130)을 형성할 수 있다. 이외에도, 자기조립 단분자막(130)은 공지된 기상증착법(evaporation)이나 디핑(dipping) 등의 다양한 방법을 통해 형성할 수 있음은 물론이다.
이렇듯, 본 발명에 따르면 수열법을 통해 유리 기판(110) 상에 패턴 불량 없이 초미세 패턴인 산화아연 나노로드(120)를 성장시킬 수 있어, 광투과율의 저하없이 표면이 초소수성을 띠어 자정작용이 우수한 산화아연 나노 구조체 유리(100)의 제작이 용이하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 산화아연 나노 구조체 유리를 태양전지 보호층에 채용한 태양전지 모듈의 일례를 도시한 단면도이다.
도 6을 참조하면, 도시된 태양전지 모듈(600)은 태양전지(610), 태양전지(610)의 일측 및 타측에 형성되는 제1 및 제2 보호층(620, 630), 및 제1 및 제2 보호층(620, 630)을 상기 태양전지(610)의 일면 및 타면에 부착시키는 제1 및 제2 접착층(640, 650)을 포함할 수 있다.
이때, 태양전지(610)는 단결정 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지 등의 실리콘계 태양전지일 수 있다.
태양전지(610)는 광흡수층의 소재에 따라 Si 또는 SiGe 태양전지, 구리-인듐-갈륨-셀레늄(copper indium gallium selenium; CIGS) 또는 CdTe계 화합물 태양전지, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 태양전지, 염료반응형 태양전지 및 유기물 태양전지 등이 될 수 있다.
제1 보호층(620)은 태양전지(610)의 일측(상부로 도시됨)에 형성될 수 있고, 제2 보호층(630)은 태양전지(610)의 타측(하부로 도시됨)에 형성될 수 있다. 제1 및 제2 보호층(620, 630)은 외부환경으로부터 태양전지(610)를 보호한다.
제1 보호층(620)은 유리로 형성되거나, 혹은 우레탄(urethane) 수지, 실리콘 수지, EVA(Ethylene vinyl acetate), EMA(Ethylene methyl acrylate), EEA(Ethylene ethyl acrylate), 부티랄(Butyral) 수지 등의 폴리올레핀(polyolefin)계 수지 등으로 형성될 수 있으며, 이외에도 다양한 공지 물질들을 이용하여 형성될 수 있다.
제1 접착제층(640)은 제1 보호층(620) 태양전지(610)의 일면(상부면으로 도시됨)에 부착시키고, 제2 접착제층(650)은 제2 보호층(630)을 태양전지(610)의 타면(하부면으로 도시됨)에 부착시킬 수 있다. 일례로, 제1 및 제2 접착제층(640, 650)은 공지된 열가소성 접착제, 감압성 접착제 등을 포함하여 형성될 수 있으며, 이외에도 다양한 공지 물질들을 이용하여 형성될 수 있다.
도시된 것처럼, 제2 보호층(630)은 유리 기판(632), 산화아연 시드층(634), 복수의 산화아연 나노로드(636) 및 초소수성을 갖는 자기조립 단분자막(638)을 포함하는 산화아연 나노 구조체 유리로 형성될 수 있다.
유리 기판(632), 산화아연 시드층(634), 산화아연 나노로드(636) 및 자기조립 단분자막(638)의 구성은 도 1의 유리 기판(110), 산화아연 시드층(115), 산화아연 나노로드(120) 및 자기조립 단분자막(130)의 구성과 동일할 수 있으므로, 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.
상기한 바와 같이, 제2 보호층(630)이 산화아연 나노 구조체 유리로 형성될 경우, 초소수성을 갖는 자기조립 단분자막(638)의 표면이 외부로 노출되므로, 태양전지 모듈(600)은 우수한 수분차단 및 자정작용 효과를 갖게 된다. 따라서, 태양전지 모듈(600)은 환경요인에 의한 광학적 손실을 줄여 태양전지(610)로의 광 흡수량을 증가시킴으로써 기존의 일반 유리를 이용하는 것에 비해 발전효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 도 6에서는 설명의 편의를 위하여, 제2 보호층(630)에만 산화아연 나노 구조체 유리를 채용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 선택적으로 제1 보호층(620)에만 산화아연 나노 구조체 유리를 채용하거나, 제1 보호층(620) 및 제2 보호층(630) 모두에 산화아연 나노 구조체 유리를 채용할 수 있음은 물론이다.
본 발명의 산화아연 나노 구조체 유리를 채용한 태양전지 모듈은 도 2 내지 도 5를 통하여 초소수성에 의한 자정작용이 우수한 산화아연 나노 구조체 유리를 제조하고, 이를 마련된 태양전지의 일면 또는 타면 중 적어도 어느 한 면에 접착제를 통해 부착시키고, 태양전지의 일면 또는 타면 중 나머지 한 면에 유리나 유기물로 형성된 보호층을 접착제를 통해 부착시켜 형성할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예들을 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편의 제조
실시예1
유리 기판 위에 파워 50W, 압력 5mTorr 조건의 RF 스퍼터링을 이용하여 두께 100nm인 ZnO 시드층을 형성한 후, 수열법을 이용하여 직경 100nm, 높이 500nm인 복수개의 ZnO 나노로드를 ZnO 시드층 위에 성장시켰다. 수열법은 1mM의 Zn(NO3)2, 90mM의 NaOH 및 물(H2O)을 혼합한 영양액에 ZnO 시드층이 형성된 유리 기판을 침지한 후 50℃로 가열 및 교반하여 2시간 동안 실시하였다.
이후, ZnO 나노로드이 형성된 유리 기판 표면에 자기조립 단분자막(SAM) 용액의 코팅을 통하여 자기조립 단분자막(SAM)을 2nm 두께로 형성시켰다. SAM 용액으로는 JSI사 제품인 헵타데카플루오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실 트리클로로실란((heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane)을 헥산에 1000배 희석해서 사용하였다. 이를 통해, 최종 ZnO 나노 구조체 유리를 제조하였다.
비교예1
실시예 1의 ZnO 나노로드 및 자기조립 단분자막이 형성되지 않은 일반 유리 (독일 Schott회사 제품, 제품명:pyrex boro33)를 이용하였다.
비교예2
비교예 1에 분필가루를 뿌려 유리 표면 위에 먼지가 가라앉게 함으로써 비교예 2를 얻었다.
2. 접촉각 평가
실시예 1 및 비교예 1의 수접촉각(water contact angle)을 측정하고, 이를 도 7에 나타내었다. 도 7의 (a), (b), (c) 각각은 실시예 1에 대한 TEM 사진, SEM 사진 및 수접촉각 측정 사진이고, (d)는 비교예 1의 수접촉각 측정 사진이다.
이때, 수접촉작은 접촉각 측정기(Phoenix 300, SEO)를 사용하여 측정하였다.
도 7의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 경우, 유리 기판의 표면 위에 ZnO 나노로드가 잘 형성된 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도 7의 (c)를 참조하면, 실시예 1의 경우, 157°의 수접촉각(θ1)을 나타내어, 실시예 1의 표면은 초소수성이 구현되었음을 알 수 있다.
이에 반해, 도 7의 (d)를 참조하면, ZnO 나노로드가 성장되지 않은 일반 유리인 비교예 1의 수접촉각(θ2)은 21°를 나타내어, 전혀 소수성을 띠지 않음을 알 수 있었다.
3. 초소수성 평가
실시예 1 및 비교예 1에 노란색 분필가루를 뿌린 후 물을 분무하여 유리 표면의 초소수성을 관찰하고, 물 분무 전· 후의 결과를 도 8에 도시하였다.
도 8을 참조하면, 실시예 1의 경우, 표면이 초소수성을 나타내며, 그 결과 ZnO 나노 구조체 유리는 물방울의 구름에 따른 자정능력을 갖게 된 것을 확인할 수 있었다.
이에 반해, 비교예 1의 일반 유리 표면은 초소수성을 띠지 않으며, 자정능력을 보이지 않았다.
4. 투과도 평가
실시예 1 및 비교예 1의 파장별 투과도를 측정하고, 이를 도 9에 나타내었다. 투과도는 기초과학연구원에 의뢰하여 UV-vis로 측정하였다.
도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예 1의 투과도는 전 파장대에서 비교예 1인 일반유리의 투과도의 98%에 달하였다.
즉, 실시예 1과 비교예 1을 비교한 결과, ZnO 나노 구조체 유리와 일반유리의 투과도 차이는 거의 없거나 매우 작았다.
5. 태양전지의 발전효율 평가
실시예 1 및 비교예 1~2를 각각의 태양전지에 얹은 후 동일한 조건에서 태양에 노출시켜 리튬전지를 충전시킨 후 리튬전지의 충전량을 측정하고, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
이때, 리튬전지로는 갤럭시 S(대한민국 삼성전자社제)의 전지를 이용하였고 전지의 충전량은 갤럭시 S의 밧데리 모니터링 앱(Bateru)을 이용하여 전압과 충전량을 측정하였다.
도 10을 참조하면, 실시예 1 및 비교예 1의 충전량은 각각 63%와 65%로서, 이들 간 발전량의 차이가 매우 작았다. 이는 도 9를 통해 전술한 바와 같이, 실시예 1의 ZnO 나노 구조체 유리와 비교예 1의 일반유리 간 투과도의 차이가 매우 작은 것에 기인한 것이라 볼 수 있다.
또한, 일반유리 위에 먼지가 덮인 비교예 2의 경우, 일반유리 위에 먼지가 없는 비교예 1에 비해 먼지에 의한 투과도 저하로 인하여 발전량이 2배 정도 현저히 감소하였다.
한편, 실시예 1의 경우, ZnO 나노 구조체 유리 표면의 초소수성으로 인해 발전 중에 먼지 같은 표면의 오염물질이 쉽게 제거되므로, 장시간 발전 시 일반유리에 비하여 태양전지의 효율이 향상될 것으로 기대된다.
6. 태양전지의 자정능력 평가
실시예 1 및 비교예 1을 동일한 태양전지에 얹은 후 유리 위에 붉은 분필가루를 뿌렸다. 그런 다음, 분무기로 유리 위에 물을 분사하여 자정능력을 관찰하고, 그 결과를 도 11에 도시하였다.
도 11에 도시된 것처럼, 물 분사 전, 분필가루로 인하여 실시예 1 및 비교예 1 모두에서 유리의 투과도가 급감하였다. 도시하지 않았으나, 실시예 1 및 비교예 1를 얹은 태양전지는 더 이상 발전이 없었다.
그러나, 물 분사 후, 실시예 1을 얹은 태양전지의 경우, 초소수성을 띠는 ZnO 나노 구조체 유리에 의해 대부분의 분필가루가 쉽게 제거되어 정상적인 발전이 이루어졌다.
이에 반해, 일반유리인 비교예 1을 얹은 태양전지의 경우, 물을 분무해도 분필가루가 제거되지 않아 투과도는 낮은 상태를 유지하였으며 발전이 이루어지지 않았다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 산화아연 나노로드 구조체 유리
110, 632 : 유리 기판 115, 634 : 산화아연 시드층
120, 636 : 산화아연 나노로드 130, 638 : 자기조립 단분자막
400 : 함침조 410 : 영양액
600 : 태양전지 모듈 610 : 태양전지
620 : 제1 보호층 630 : 제2 보호층
640 : 제1 접착제층 650 : 제2 접착제층

Claims (14)

  1. 유리 기판;
    상기 유리 기판 상에 형성된 산화아연 시드층(ZnO seed layer);
    상기 산화아연 시드층 상에 서로 이격 형성되며, 10nm 내지 500nm의 직경을 갖는 복수의 산화아연 나노로드(ZnO nanorod); 및
    상기 복수의 산화아연 나노로드의 표면 및 상기 산화아연 시드층의 노출면 상에 형성된 초소수성(superhydrophobic)을 갖는 자기조립 단분자막(SAM: Self assembled monolayer);을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노 구조체 유리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기조립 단분자막은
    물에 대한 접촉각이 150° 내지 170°인 것을 특징으로 하는 산화아연 나노 구조체 유리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자기조립 단분자막은
    헵타데카플루오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실 트리클로로실란((heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane)) 또는 테프론(Teflon)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노 구조체 유리.
  4. 삭제
  5. 유리 기판 상에 산화아연 시드층(ZnO seed layer)을 형성하는 단계;
    수열(hydrothermal)법을 이용하여 상기 산화아연 시드층으로부터 상기 산화아연 시드층 상에 서로 이격 형성되도록, 10nm 내지 500nm의 직경을 갖는 복수의 산화아연 나노로드를 성장시키는 단계; 및
    상기 복수의 산화아연 나노로드의 표면 및 상기 산화아연 시드층의 노출면 상에 초소수성을 갖는 자기조립 단분자막을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산화아연 나노로드 성장 시,
    상기 산화아연 시드층이 형성된 유리 기판을 영양액에 침지한 후 상기 유리 기판이 침지된 영양액을 가열하되,
    상기 영양액은 물, 상기 물과 반응하여 아연이온을 공급하는 아연이온 공급원 및 상기 물과 반응하여 수산화이온을 공급하는 수산화이온 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 아연이온 공급원은
    아세트산 아연(Zinc acetate: Zn(O2CCH3)2), 질산 아연(Zinc nitrate: Zn(NO3)2), 황산 아연(Zinc sulfate: ZnSO4) 및 염화 아연(Zinc Chloride: ZnCl2) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 수산화이온 공급원은
    NH4OH, KOH, LiOH 및 NaOH 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 산화아연 시드층이 형성된 유리 기판이 침지된 영양액은
    50℃ 내지 90℃의 온도가 유지되도록 가열되는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 유리 기판 상에 산화아연 시드층을 형성하는 단계는
    RF 스퍼터링을 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 자기조립 단분자막은
    헵타데카플루오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실 트리클로로실란((heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane)) 또는 테프론(Teflon)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 산화아연 나노 구조체 유리의 제조 방법.
  12. 태양전지;
    상기 태양전지의 일측 및 타측에 형성되되, 적어도 하나가 산화아연 나노 구조체 유리를 포함하는 두 개의 보호층; 및
    상기 두 개의 보호층을 상기 태양전지의 일면 및 타면에 부착시키는 두 개의 접착제층;을 포함하며,
    상기 산화아연 나노 구조체 유리는 유리 기판과, 상기 유리 기판 상에 형성된 산화아연 시드층과, 상기 산화아연 시드층 상에 서로 이격 형성되고 10nm 내지 500nm의 직경을 갖는 복수의 산화아연 나노로드, 및 상기 복수의 산화아연 나노로드의 표면 및 상기 산화아연 시드층의 노출면 상에 형성되는 초소수성을 갖는 자기조립 단분자막을 포함하고, 상기 자기조립 단분자막의 표면이 외부로 노출되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 자기조립 단분자막은
    헵타데카플루오로-1, 1, 2, 2-테트라하이드로데실 트리클로로실란((heptadecafluoro-1, 1, 2, 2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane)) 또는 테프론(Teflon)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  14. 제5항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조된 산화아연 나노 구조체 유리를 태양전지 표면 상에 보호층으로 사용하되, 초소수성을 갖는 자기조립 단분자막의 표면을 외부로 노출시키는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈 제조 방법.
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