KR101417426B1 - 자외선 경화형 실링제 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 장기 내구성 향상을 위해 사용되는 실링제 제조 및 이를 이용한 차량용 염료감응 태양전지 제조에 관한 것이다. 구체적으로는 자외선 경화형 광경화형 소재와 모듈 전극의 간격을 균일하게 유지시킬 수 있는 마이크로 크기의 입자를 함유한 실링제 및 이를 이용하여 제조되는 염료감응 태양전지에 관한 것이다. 자외선 경화형 실링제는 경화 후 기공이 없어서 전해질 침투가 어려워 실버그리드 부식을 방지할 수 있으며, 마이크로 크기의 입자를 사용하여 전극의 간격을 균일하게 유지시켜 전극간 쇼트를 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 태양전지의 장기 내구성 향상을 위해 사용되는 실링제 제조 및 이를 이용한 차량용 염료감응 태양전지 제조에 관한 기술이다.
최근 지구 온난화 문제가 심각하게 대두되면서 친환경 에너지를 활용하기 위한 기술 개발이 각광받고 있다. 그 중 가장 관심을 기울이는 분야는 신재생 에너지를 활용하는 태양전지 분야이다. 이 분야에는 실리콘계 태양전지, CIGS (Cu(InGa)Se2; copper indium gallium selenide)와 같은 무기물을 이용하는 박막 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 태양전지 그리고 유-무기 하이브리드 태양전지 등이 있다. 그 중 가격이 저렴하고, 효율이 상용화 수준까지 이른 염료감응 태양전지는 건물일체형 태양광 발전시스템(BIPV) 산업 분야뿐 만 아니라 휴대용 전자 산업 분야에서도 각광 받고 있다.
염료감응 태양전지는 다른 태양전지들과는 달리 가시광선의 빛을 흡수하여 광전 변환 메커니즘 (Photoelectric conversion mechanism)에 의해 전기를 생산할 수 있는 태양전지 시스템을 갖고 있다. 일반적으로 염료감응 태양전지는 액체전해질 (liquid electrolyte)를 사용하거나 겔 형태의 고분자 전해질(Gel electrolyte)을 사용한다. 이러한 액체 및 겔 형태의 전해질은 태양전지 기판의 파손에 의해 누수가 발생할 우려가 있다. 이러한 누수에 의해 상품성 저하뿐만 아니라 사용되는 전해액의 유해성으로 인해 소비자들의 건강을 해칠 가능성이 있다.
이러한 이유 때문에 최근 실링제에 대한 관심이 높아지고 있다. 일반적으로 태양전지용 실링제는 듀폰사에서 생산하는 열경화형 고분자 필름을 많이 사용하거나 열 소결형 글라스 프릿을 사용한다. 고분자 필름은 태양전지의 모듈을 접합하기 매우 간단하지만 장기내구성을 만족시키지 못한다는 치명적인 단점이 있다. 또한 글라스 프릿은 소결 후 다공성 형성으로 인해 액체 전해질이 내부로 침투되어 글라스프릿 내부에 있는 실버그리드가 부식되는 단점이 있다. 차량 내구 평가의 경우 일반적인 태양전지 모듈 평가 스펙보다 어려운 항목들이 많기 때문에 새로운 차량용 실링제 개발이 시급하다.
관련된 종래의 특허문헌으로는 한국등록특허 제1109175호에서 염소화 폴리올레핀, 모노(메타)아크릴레이트, 폴리프로필렌 글리콜 디(메타)아크릴레이트, 디(메타)아크릴레이트 및 (메타)아크릴로일 성분에 광중합 개시제를 함유하는 자외선 경화형 수지 조성물 및 상기 조성물을 유효성분으로 하는 실링제를 개시하고 있는바, 본원기술과 달리 고분자 비드가 스페이서 역할을 하여 전극간 두께를 제어할 수 없는 한계가 있다.
한국등록특허 제1081497호는 지방족 우레탄 아크릴레이트 올리고머, (메타)아크릴레이트계 모노머, 실란화합물 및 광개시제를 포함하는 자외선 경화형 수지 조성물에 의해 형성되는 자동차 ECM용 실링재료를 개시하는바, 본원기술과 달리 자외선 경화형 수지 조성물이 비드 형태로 이루어지지 않았으며 실란화합물을 함유하고 있다는 한계가 있다.
한국공개특허 제2005-0029612호는 에폭시 수지와 개시제를 함유한 자외선 경화 실란트에 있어서, 아크릴 수지와 광개시제를 더 포함하는 자외선 경화 실란트를 개시하고 있으며, 본원발명과 달리 아크릴 수지뿐만 아니라 열경화 수지인 에폭시 수지를 함유한다는 한계가 있다.
한편, 일본등록특허 제 4884824 호는 양이온 중합형의 자외선 경화성 성분, 래디칼 중합형의 자외선 경화성 성분, 점착 부여 수지 및 열가소성 엘라스토머를 포함하고 래디칼 중합형의 자외선 경화성 성분이 양 말단에 아크릴레이트기를 가지며, 자외선 중합 개시제가 배합된 자외선 경화성의 핫멜트형 실링재를 개시하고 있으나, 불활성 가스를 포함한 용융상태에서 실링재를 도공하는 핫멜트형 실링재라는 점에서 본원발명과는 상이하다.
본 발명은 태양전지의 장기 내구성 향상을 위해 사용되는 실링제 제조 및 이를 이용한 차량용 염료감응 태양전지 제조에 관한 것이다. 구체적으로는 자외선 경화형 광경화형 소재와 모듈 전극의 간격을 균일하게 유지시킬 수 있는 마이크로 크기의 입자를 함유한 실링제 및 이를 이용하여 제조되는 염료감응 태양전지에 관한 것이다. 자외선 경화형 실링제는 경화 후 기공이 없어서 전해질 침투가 어려워 실버그리드 부식을 방지할 수 있으며, 마이크로 크기의 입자를 사용하여 전극의 간격을 균일하게 유지시켜 전극간 쇼트를 방지할 수 있다.
본 발명은 액상 전해질 사용으로 인한 염료감응 태양전지 모듈의 장기내구성 향상에 목적을 두고 있다. 일반적으로 태양전지 내부의 액체전해질은 기존 고분자 필름형 및 글라스 프릿형 실링제에 의해 모듈 외부로 흘러나와 태양전지의 전류밀도와 효율을 감소시키는 문제점이 빈번히 발생했다. 결국 이러한 문제는 소자의 수명을 줄일 뿐만 아니라 상품화에도 큰 장애가 되고 있다.
본 발명은 자외선 경화형 실링제 내부에 마이크로 입자를 적용하여 모듈의 두께를 균일하게 유지하고 밀봉을 하여 차량용 태양전지의 내구를 만족시킬 수 있다.
이에 본 발명은 자외선 경화형 염료감응 태양전지 실링제, 이를 이용한 염료감응 태양전지 및 이를 이용한 염료감응 태양전지 제조 방법을 제공한다. 또한 본 발명은 스페이서를 함유하는 자외선 경화형 실링제에 관한 것으로 보다 상세하게는 태양전지의 상대전극과 광전극의 두께 제어가 가능하고, 기존 고분자 필름형 실링제 대비 우수한 물성을 갖는 태양전지 실링에 적합한 자외선 경화형 실링제 조성물 및 이 실링제를 이용하여 제조되는 광학 필름을 제공하고자 한다. 보다 상세하게는 기존 고분자 실링제는 두께 제어가 어려운 반면, 본 발명의 실링제는 스페이서의 직경 및 함량에 따라 두께 제어가 용이하고, 장기 내구성 평가 결과 효율이 지속적으로 유지되는 특징을 갖는다. 본 발명에 따른 자외선 경화형 실링제 조성물은 아크릴 수지, 광개시제, 고분자 마이크로 크기의 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 자외선 경화형 모노머 수지는 비닐모노머, 라우릴(메타)아크릴레이트, 스테아릴(메타)아크릴레이트, 브톡시에틸(메타)아크릴레이트, 에톡시디에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 메톡시트리에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 메톡시디플로필렌글리콜(메타)아크릴레이트, 시클로헥실(메타)아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것이 바람직하다.
상기 자외선 경화형 모노머 수지는 용액 총 중량에 대해서 10 ~ 80 중량부가 바람직하다. 상기 자외선 경화형 모노머의 함량이 10 미만일 때는 필름의 가교도가 너무 높아 물성 제어가 어려우며, 80 중량부를 초과할 경우에는 필름의 경화도를 제어가 어려워 태양전지 모듈 실링제 필름 제조가 어려워 바람직하지 못하다.
상기 모노머 수지의 중량평균분자량은 1,000 내지 20,000인 것이 바람직하다. 고분자 중량 평균 분자량이 1,000 미만일 경우에는 필름 형성을 못하므로 바람직하지 못하고, 고분자 중량 평균 분자량이 20,000을 초과할 경우에는 필름의 물성이 나빠지는 문제점이 있다.
본 발명에 사용된 광중합 개시제는 수지조성물 전체에 대한 함유량으로서 1.0 ~ 10중량%가 바람직하다. 예로는, 1-히드록시-시클로헥실페닐케톤, 메틸벤조일포르메이트, 2,4,6-트리메틸벤조일디페닐-포스핀옥사이드, 비스(2,4,6-트리메틸벤조일)-페닐포스틴옥사이드, 2-히드록시-1-{4-[4-(2-히드록시-2-메틸-프로피오닐)-벤질]-페닐}-2-메틸-프로판-1-온, 올리고[2-히드록시-2-메틸-1-[4(1-메틸비닐)페닐]프로판논] 혼합물 등을 들 수 있다. 상기 광개시제는 단독 사용 또는 혼합형태로 사용할 수 있다.
1.0 중량% 미만에서는 광경화성이 이뤄지지 않아 패턴형상이 형성되지 않은 tacky 성분으로 존재하며, 10 중량%를 넘게 레진 조성물의 광경화가 빠르게 진행이 되긴 하지만 부산물로 분자량이 작은 레진성분이 발생이 되어 최종 경화물의 물성에 악영향을 미치게 된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 종래의 스페이서가 없는 실링제 대비 스페이서를 포함하는 실링제는 액체전해질의 용매 누액를 막고, 상하 전극의 간격을 균일하게 유지하여 태양전지의 단락을 방지하여 장기내구성을 향상시킬 수 있다.
도면 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 스페이서를 포함하는 실링제를 적용하여 제조된 염료감응 태양전지의 단면도를 도시한 것이다. 도면 1은 본 발명에 따라 제조되는 염료감응 태양전지의 구조를 도시한 단면도이다.
도면 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 실링제에 포함된 스페이서를 나타낸 사진을 도시한 것이다. 도면 2는 고분자 비드 스페이서 광학현미경 사진이다.
도면 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 실링제에 포함된 스페이서를 나타낸 사진을 도시한 것이다. 도면 2는 고분자 비드 스페이서 광학현미경 사진이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조되는 염료감응 태양전지의 제조 공정을 살펴보면 다음과 같다.
제조예 : 스페이서를 포함하는 자외선 경화제 제조
자외선 경화제를 제조하기 위하여 자외선 차단 유리 반응기에 자외선 경화형 모노머 80 중량부, 자외선 경화형 가교제를 10중량부 개시제 1 중량부를 1시간 동안 교반하였다. 용융된 액에 스페이서 역할을 하는 고분자 (PMMA) 비드 9 중량부를 넣고 1시간 동안 교반하였다.
실시예 1~3: 상기 제조예로부터 제조된 스페이서를 포함하는 자외선 경화제 적용 태양전지 셀 제조
스크린 프린팅 장비를 사용하여 FTO (fluorine doped tin oxide) 코팅된 유리기판에 스크린 프린팅용 이산화티탄 패이스트 (Solaronix사)를 코팅하였다. 300℃에서 1시간 가열 후 500℃에서 3시간 동안 소성하였다. 제조된 전극에 염료 (Solaronix사, N3)를 24시간 상온에서 흡착시켰다. 염료가 흡착된 TiO2 코팅층이 있는 광전극 외곽에 스페이서가 포함된 자외선 경화제를 바르고 백금 상대전극 기판을 위에 올려 자외선 경화 장비를 활용하여 경화를 시켰다. 전해질 (Solaronix社, AN50)을 주입 후 주입구도 동일한 자외선 경화로 밀봉하였다.
비교 제조예 : 스페이서를 포함하지 않는 경화제 제조
자외선 경화제를 제조하기 위하여 자외선 차단 유리 반응기에 자외선 경화형 모노머 89 중량부, 자외선 경화형 가교제를 10중량부 개시제 1 중량부를 1시간 동안 교반하였다.
비교예 1~3: 상기 비교 제조예로부터 제조된 스페이서를 포함하지 않는 자외선 경화제 적용 태양전지 셀 제조
스크린 프린팅 장비를 사용하여 FTO (fluorine doped tin oxide) 코팅된 유리기판에 스크린 프린팅용 이산화티탄 패이스트 (Solaronix사)를 코팅하였다. 300℃에서 1시간 가열 후 500℃에서 3시간 동안 소성하였다. 제조된 전극에 염료 (Solaronix사, N3)를 24시간 상온에서 흡착시켰다. 염료가 흡착된 TiO2 코팅층이 있는 광전극 외곽에 상기 자외선 경화제를 바르고 백금 상대전극 기판을 위에 올려 자외선 경화 장비를 활용하여 경화를 시켰다. 전해질 (Solaronix社, AN50)을 주입 후 주입구도 동일한 자외선 경화로 밀봉하였다.
실시예1~3과 비교예1~3을 통해 제조된 각각의 염료감응 태양전지에 대한 두께 및 효율을 하기 표 1에 정리하였다. 스페이서를 적용한 태양전지의 경우 균일한 두께를 보이는 반면 스페이서를 적용하지 않는 태양전지는 전극간 두께가 균일하지 않은 특징을 보였다. 이는 효율에 영향을 미치는 요인으로 작용하였음을 광전변환 효율을 통해 확인하였다.
| 샘플 | 태양전지 두께 (㎛) |
에너지변환효율 (%) |
| 실시예 1 | 100 | 3.5 |
| 실시예 2 | 105 | 3.4 |
| 실시예 3 | 98 | 3.5 |
| 비교예 1 | 50 | 4.1 |
| 비교예 2 | 150 | 2.5 |
| 비교예 3 | 200 | 2.3 |
본 발명에 따라 자외선 경화형 실링제에 스페이서를 포함시켜 얻어지는 장점은 다음과 같다. 실링제 내부의 스페이서는 상대전극과 광전극간의 일정한 갭을 유지시켜 단락을 방지하며, 태양전지 모듈의 두께를 균일하게 유지시며 전류와 전압이 일정한 태양전지를 제조할 수 있다. 이는 균일한 전류를 확보하기 위한 태양전지 패널을 제조하기 위해 필수 사항으로 차종별 필요 전력을 미리 예측할 수 있는 역할을 할 수 있다.
도면 1의 주요 부분에 대한 부호 설명은 다음과 같다.
101: 제 1기판
102: 스페이서 적용 자외선 경화제
103: 무기 산화물층
104: 전해질층
105: 상대전극층
106: 제 2기판
101: 제 1기판
102: 스페이서 적용 자외선 경화제
103: 무기 산화물층
104: 전해질층
105: 상대전극층
106: 제 2기판
Claims (7)
- 염료감응 태양전지의 전극 간격 유지를 위한 스페이서로서 고분자 비드를 사용하여 제조된 자외선 경화형 실링제에 있어서, 상기 고분자 비드는 전체 수지 조성물의 1 ~ 10 중량%인 것이고, 상기 자외선 경화형 실링제의 모노머 수지는 전체 수지 조성물의 80 ~ 89 중량%인 것이고, 상기 자외선 경화형 실링제의 광중합 개시제는 전체 수지 조성물의 1.0 ~ 10 중량%인 것인 자외선 경화형 실링제.
- 제 1항에 있어서, 상기 고분자 비드는 아크릴계 고분자로써 10 ~ 1,000㎛ 크기의 입자인 것인 염료감응 태양전지용 자외선 경화형 실링제.
- 삭제
- 제 1항에 있어서, 상기 자외선 경화형 실링제의 모노머 수지는 비닐모노머, 라우릴(메타)아크릴레이트, 스테아릴(메타)아크릴레이트, 브톡시에틸(메타)아크릴레이트, 에톡시디에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 메톡시트리에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 메톡시폴리에틸렌글리콜(메타)아크릴레이트, 메톡시디플로필렌글리콜(메타)아크릴레이트 및 시클로헥실(메타)아크릴레이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상인 것인 염료감응 태양전지용 자외선 경화형 실링제.
- 삭제
- 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항의 실링제를 적용한 염료감응 태양전지.
- 제 6항에 있어서, 상기 자외선 경화 실링제 두께는 10 ~ 100㎛인 것인 염료감응 태양전지.
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