KR102097213B1 - 축광기능을 가지는 태양전지모듈의 백시트 - Google Patents

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박지수
윤종국
박종세
장현태
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Abstract

본 발명은 낮에는 태양전지 셀의 발전을 위해 태양 광을 반사시킴과 동시에, 주간에 태양 광을 축적했다가 야간에 발광하여 태양전지 셀이 야간에도 발전할 수 있도록 함으로써 태양 광의 이용 효율을 높여 발전 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 축광기능을 가지는 태양전지모듈의 백시트를 제공한다. 본 발명의 태양전지모듈의 백시트는, 접착제로 부착된 축광 폴리에틸렌(PE) 필름, PET 또는 PBT 필름(120) 및 불소 또는 W.PET 필름(130)으로 이루어지고, 축광 PE 필름은 폴리에틸렌(PE)에 축광안료를 마스터배치(M/B)하여 제조된다.

Description

축광기능을 가지는 태양전지모듈의 백시트{BACKSHEET OF SOLAR CELL MODULE HAVING PHOSPHORESCENT FUNCTION}
본 발명은 축광기능을 가지는 태양전지모듈의 백시트에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주간에 태양 광을 축적했다가 야간에 발광하여 태양전지모듈이 주간뿐만 아니라 야간에도 발전할 수 있도록 함으로써 탱양광의 이용 효율을 높여 발전 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 축광기능을 가지는 태양전지모듈 백시트에 관한 것이다.
최근 환경오염과 기존자원 고갈에 대한 우려로 대체자원 및 미래 에너지원의 다원화가 제시되는 가운데, 무한정한 자원인 태양을 이용한 태양전지가 주목받고 있다. 태양전지는 태양 빛을 전기적 에너지로 바꾸어 주는 장치로서, 무공해, 무소음, 무한공급 에너지라는 관점에서 많은 연구 개발이 이루어지고 있다.
도 1은 일반적인 태양전지모듈(10)의 구성을 설명하기 위한 단면도로서, 도시된 바와 같이 태양전지모듈(10)은 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지 셀(11)을 구비한다. 태양전지 셀(11)은 주로 산업적으로는 결정질 또는 비결정질 실리콘이 쓰이며, 광전효과를 이용하여 빛에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로서 태양전지모듈의 가장 안쪽에 위치해 있는 핵심적인 소재이다.
태양전지는 사막, 열대 우림 등 다양하고도 혹독한 환경에서 수십 년 이상의 수명이 보증되어야 하므로 충격, 수분, 산소, 화학물질 등 각종 요소에 약한 태양전지 셀(11)은 에틸렌 비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate; EVA) 시트(12)와 같은 열가소성 플라스틱 봉지재로 진공 접착되어 둘러싸여지고, 가장 앞면에는 투명재질의 보호 부재(13), 예를 들면 유리로 보호되고, 가장 뒷면에는 기계적 강도뿐 아니라, 상기한 각종 외부 요인으로부터 태양전지 셀(11)을 보호하는 백시트(14)가 구비된다.
백시트(14)는 도 2에 도시된 바와 같이, 접착제(144)로 부착된 폴리에틸렌(PE) 필름(141), PET 필름(142) 및 불소 필름(143)으로 이루어진다.
그러나 이러한 백시트(14)를 가지는 태양전지모듈(10)은 태양 빛을 이용하여 발전하는 것이므로, 낮에는 발전이 가능하지만 야간에는 발전을 할 수 없기 때문에 빛의 이용 효율이 저하되어 발전 성능이 낮은 단점이 있다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 낮에는 태양전지 셀의 발전을 위해 태양 광을 반사시킴과 동시에, 주간에 태양 광을 축적했다가 야간에 발광하여 태양전지 셀이 야간에도 발전할 수 있도록 함으로써 태양 광의 이용 효율을 높여 발전 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 축광기능을 가지는 태양전지모듈의 백시트를 제공하는데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 태양전기모듈의 백시트는, 베이스 필름; 및 상기 베이스 필름 상에 적층되는 폴리에틸렌 필름층에 형성되어 보호기능 및 야간에 발광기능을 수행하는 표면 보호층을 포함하며, 상기 베이스 필름은, 폴리에스테르 필름 또는 불소 필름을 포함한다.
일실시예에서, 상기 표면 보호층은 상기 폴리에틸렌 필름층을 구성하는 축광 폴리에틸렌 조성물을 포함한다. 상기 축광 폴리에틸렌 조성물의 축광제는, 전위금속족을 가지는 원소 소재이며, 상기 원소 소재는 아연(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 징크(Zn)에서 선택되는 적어도 하나 이상의 소재를 포함한다. 상기 축광 폴리에틸렌 조성물에 주력으로 사용되는 소재는 희토류원소이다. 상기 희토류원소의 소재는 스칸듐(Sc), 이트늄(Y), 라탄늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메티움(Pm), 사마리움(Sm), 유로피움(Eu), 가돌리늄(Gd), 터븀(Td), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴리움(Tm), 이터븀(Yb) 및 레테듐(Lu)의 17개 원소에서 선택되는 적어도 1종 이상이다.
일실시예에서, 상기 축광 폴리에틸렌 조성물에 주력으로 사용되는 소재는 유로피늄(Eu), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb) 및 이터늄(Yb)으로 소정량 선택된 희토류 원소가 도핑된 알카리 희토류 금속과 알루미나 성분의 복합물 분말을 포함한다. 상기 알카리 희토류 금속과 알루미나 성분의 복합물은 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 산화스트론튬(SrO), 또는 산화마그네슘(MgO)으로 이루어진 염들의 복합체로서, Al2O3CaO, Al2O3MgO, SrAl2O4, SrAl2O4(OH), 또는 Al2O3SrO3B2O3의 축광분말을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 베이스 필름과 상기 표면 보호층을 포함한 적층구조를 접합하는데 사용되는 접합제는, 1액형, 2액형 및 3액형 중 어느 하나 이상을 가지며 우레탄계열, 아크릴계열, 접착제 군에서 1종 이상이다.
일실시예에서, 상기 축광 폴리에틸렌 조성물의 축광 안료는 고형분 10~90% 마스터 배치화하여 폴리에틸렌 필름에 적용될 수 있다.
일실시예에서, 상기 축광 안료는 단독, 혼합물 또는 합성물로 이루어진 1종 이상이다.
일실시예에서, 상기 축광 폴리에틸렌 조성물은 고분자수지 선형 저밀도폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 메탈로센 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 에틸렌비닐아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.
일실시예에서, 태양전지 보호용 백시트는, 상기 폴리에틸렌 필름층 상에 배치된 접착제 또는 코팅액에 함유되는 축광제를 더 포함할 수 있다.
일실시예에서, 상기 표면 보호층은 태양광이 입사되지 않는 시간에 1시간 내지 6시간 발광한다.
일실시예에서, 상기 백시트는 롤투롤(roll to roll) 공정으로 만들어진 것이다.
일실시예에서, 상기 폴리에스테르 필름은 투명, 헤이즈 또는, 백색을 가지며 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리뷰틸렌 테레프탈레이트(PBT) 수지 1종 이상이다.
일실시예에서, 상기 불소 필름은 백색 필름이거나 일정 이상의 광투과율을 가진 투명도를 가지고, 불화비닐수지(Polyvinyl fluoride), 플루오르화 폴리비닐리덴(Poly vinylidene fluoride), ETFE(Ethylene Tetra fluoro Ethlene), 및 폴리에틸렌 ㅌ테텔테레프탈레이트(polythylene terephthalate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이다.
상기한 특징적 구성을 가지는 본 발명의 축광기능을 가지는 태양전지모듈의 백시트에 의하면, 낮에는 백시트의 반사율로 태양전지 셀이 발전을 하며, 백시트의 축전기능에 의해 주간에는 빛을 축적했다가 야간에 발광함으로써 야간에도 태양전지 셀이 발전할 수 있게 되므로, 태양 광의 이용 효율을 높여 발전 성능을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 태양전지모듈 구성을 나타낸 단면도.
도 2는 종래에 따른 태양전지모듈의 백시트 구성을 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 백시트 구성을 나타낸 단면도.
도 4는 축광제품과 야광재료의 특성을 나타낸 그래프.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 태양전지모듈의 백시트의 작동 원리를 설명하기 위한 단면도들.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 백시트 구성을 나타낸 단면도로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 백시트(100)는, 접착제(140)로 부착된 축광PE필름(110), PET(또는 PBT)필름(120) 및 불소(또는 W.PET) 필름(130)으로 이루어진다. 여기서, 축광PE필름(110)은 폴리에틸렌 필름층에 형성되어 보호기능 및 야간에 발광기능을 수행하는 표면 보호층에 대응한다. 그리고, PET 필름이나 PBT 필름(120)과 불소 필름이나 백색 PET(W.PET) 필름(130)의 적층 구조는 베이스 필름에 대응할 수 있다. 베이스 필름에는 접착제(140)가 포함될 수 있다.
축광PE필름(110)은, 폴리에틸렌(PE)에 축광안료를 마스터배치(M/B)하여 제조되는 것으로, 축광기능을 가진다.
축광기능에 사용된 소재로는 주로 전위금속족을 가지는 원소소재이며 아연(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 징크(Zn), 등 구성되어 있고, 주력으로 사용되는 소재는 희토류원소 이며 소재는 스칸듐(Sc), 이트늄(Y), 라탄늄(La), 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 네오디뮴(Nd), 프로메티움(Pm), 사마리움(Sm), 유로피움(Eu), 가돌리늄(Gd), 터븀(Td), 디스프로슘(Dy), 홀뮴(Ho), 에르븀(Er), 툴리움(Tm), 이터븀(Yb), 레테듐(Lu) 등 란탄계열의 15원소를 합친 17원소를 말하며, 바람직하게는 소량의 희토류 원소, 유로피늄(Eu), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb) 및 이터늄(Yb)으로 소량 선택된 희토류 원소가 도핑된 알카리 토류금속의 알루미나 성분의 복합물 분말이 사용된다.
알카리토류금속 알루미나 성분의 복합물은 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼륨(CaO), 산화스트론튬(SrO), 또는산화마그네슘(MgO)로 이루어진 염들의 복합체로서, Al2O3CaO, Al2O3MgO, SrAl2O4, SrAl2O4(OH), 또는 Al2O3SrO3B2O3의 축광분말이 사용되는 것이 바람직하다.
주지된 바와 같이, 물질에 빛을 쪼이면 그물질이 빛을 흡수하고, 제거했을 때 흡수한 빛을 천천히 다시 방출하는 것을 야광이라 하며, 야광보다 발광시간이 길고 휘도가 높은 것을 축광이라 부른다.
도 4에 도시된 바와 같이, 국내에 많이 보급되어있는 야광재료는 약 20분 정도의 수준이나, 축광은 5~8시간 정도를 유지할 수 있는 재료이며 또한 내구성이 매우 좋아 어지간한 조건에서도 빛에너지의 흡수 및 방출이 연속적으로 이루어지고 그 성능이 저하되지 않는다. 축광은 처음 높은 에너지의 빛을 흡수하여 낮은 에너지의 빛으로 발산하는 특징이 있다. .
축광은 빛이 차단된 후 20~30분간은 20mcd/㎡ 이상이며 잔광의 지속시간 5~8시간동안 3mcd/㎡ 이상의 휘도를 유지할 수 있다.
축광의 원리는 인광체가 빛을 받으면 바닥상태의 에너지준위가 들뜬상태로 전환이 되는데 이때 불안전한 상태가 된다. 그래서 그보다 안정한 상태인 계간전이(intersystem crossing)로 되었다가 천천히 바닥상태로 돌아오는데 이때 발광을 하는데 이것이 인광 혹은 야광, 축광의 빛을 내는 원리이다.
이러한 축광기능을 가지는 축광PE필름(110)은 축광 마스터배치(M/B) 필러 고형분 함량 10~90%함량을 가지고 폴리에틸렌과 축광 마스터배치(M/B) 무게비 0:10, 1:1, 1:9, 3:7의 비율로 만들어진다.
위와 같이 만들어지는 축광PE필름(110)의 생산방식은 블로운 방식과 T-die방식이며 이중 블로운 방식으로 생산하는 것이 바람직하다. 용융온도는 170~200℃에서 압출하여 두께 50~100㎛를 가지는 것을 특징으로 한다.
위와 같은 축광PE필름(110)을 적용한 백시트(100)의 제조방법으로는 롤투롤(Roll to Roll) 방식으로 라미네이션공정을 통해 만들어지는 것이 바람직하다.
여기서, 셀 측(cell side)의 상부층은 축광PE필름(110)이며, 그 두께는 50~100㎛이다. 코어측의 중간층은 투명 또는 헤이즈를 가지는 내후성 강화 PET 필름 또는 PBT 필름(120)이며, 그 두께는 125~285㎛이다. 그리고 대기측(air side) 하부층은 불소필름(130)으로서 백색 투명을 가지며 불화비닐수지(Polyvinyl fluoride), 플루오르화 폴리비닐리덴(Poly vinylidene fluoride), ETFE(Ethylene Tetra fluoro Ethlene), 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polythylene terephthalate)로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종을 사용하며, 그 두께는 15 ~ 70㎛를 사용한다.
각 축광PE필름(110), PET필름(120), 불소필름(130)을 부착하기 위한 접착제(140)로 1액형, 2액형, 3액형을 사용하며, 우레탄계열 접착제에서 사용된 사슬연장제는 에틸렌 글리콜 또는 에틸렌 글리콜 축합물, 부탄-1,3-디올, 부탄-1, 4-디올, 부텐디올, 프로판-1, 2-디올, 프로판-1, 3-디올, 네오펜틸 글리콜, 헥산디올, 비스-히드록시메틸 시클로헥산, 디옥시-에톡시히드로퀴논, 테레프탈산-비스-글리콜 에스테르, 숙신산 디-2-히드록시에틸 아미드, 숙신산 디-N-메틸-(2-히드록시에틸)-아미드, 1,4-디-(2-히드록시메틸메르캅토)-2, 3, 5, 6-테트라클로로벤젠, 2-메틸렌프로판-1, 3-디올, 2-메틸프로판-1,3-디올을 포함하는 포화 및 불포화 글리콜;
에틸렌 디아민, 헥사메틸렌 디아민, 1,4-시클로헥실렌 디아민, 피페라진, N-메틸프로필렌 디아민, 디아미노디페닐술폰, 디아미노디페닐 에테르, 디아미노디페닐 디메틸 메탄, 2, 4-디아미노-6-페닐 트리아진;
이소포론디아민, 이량체 지방산 디아민, 디아미노디페닐 메탄 또는 페닐렌 디아민의 이성질체를 포함하는 지방족, 치환족 및 방향족 디아민; 카르보히드라지드 또는 디카르복실산의 히드라지드; 및
에탄올아민, 프로판올아민, 부타놀아민, N-메틸 에탄올아민, N-메틸 이소프로판올아민과 같은 아미노알콜; 디에탄올아민, 트리에탄올아민 및 디- 또는 트리-(알카놀아민); 글리신, 1- 및 2-알라닌, 6-아미노카프로산, 4-아미노부티르산, 이성화 모노- 및 디아미노벤조산, 이성화 모노-및 디아미노나프트산을 포함하는 지방족, 치환족, 방향족 및 헤테로시클릭 모노- 및 디아미노카르복실; 중에서 하나를 사용한다.
용제로는 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트, 톨루엔, 알코올, 뷰틸아세테이트, 이소프로필알콜, 메틸에테르 중 하나 또는 하나 이상을 사용하며 고형분 함량 10~50%인 접착제를 사용하며, 주제와 경화제의 비율로는 1:0.1 ~ 1:0.007 비율을 사용할 수 있다.
위와 같은 우레탄계열 접착제의 코팅된 두께는 2 ~ 20㎛일 수 있다.
아크릴계열 접착제에서 사용된 사슬연장제는 메틸메타아크릴레이트, 메틸아크릴레이트, 에틸아크릴레이트, 라우릴아크릴레이트, 2-에틸헥실아크릴레이트, 에틸메타아크릴레이트, 부탈메타아크릴레이트, 2-에틸헥실메타아크릴레이트, 라우릴메타아크릴레이트, 스타일렌, 아크릴로니트릴, 메타아크릴로니트릴, 및 알파메틸스타일렌 중에서 선택된 1종 이상을 사용한다.
용제로는 메틸에틸케톤, 에틸아세테이트, 톨루엔, 알코올, 뷰틸아세테이트, 이소프로필알콜, 메틸에테르 중 하나 또는 하나 이상을 사용하며 고형분 함량 10~50%인 접착제를 사용하며 주제, 경화제 비율로는 1:0.1 ~ 1:0.007 비율로 한다. 위와 같은 우레탄계열 접착제 두께 2 ~ 20㎛ 코팅한다.
또한 각 필름층에 합지 및 접착제 코팅하기 전에 코로나 혹은 프라즈마 표면처리를 한 이후 합지를 한다.
접착제 건조 조건은 건조로 온도 110도에서 열풍건조 하며 건조시간은 1분으로 한다.
이와 같이 축광기능을 가지는 본 발명의 태양전지모듈 백시트(100)는, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 주간에는 백시트(100)의 반사율로 태양전지 셀(11)이 발전을 하며, 주간에 백시트(100)에서 빛을 축적한 후 도 5b에 도시된 바와 같이 야간에 발광하여 태양전지 셀(11)이 야간에도 발전하는 것이 가능하게 되므로, 태양 광의 이용 효율을 높여 발전 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.
지금까지 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
본 연구는 산업통산자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구 결과입니다 (NO. 20183010014270). (This work was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) and the Ministry of Trade, Industry & Energy(MOTIE) of the Republic of Korea (No. 20183010014270).)
10 : 태양전지모듈 11 : 태양전지 셀
12 : EVA 시트 13 : 보호부재
14,100 : 백시트 110 : 축광PE필름
120 : PET(또는 PBT) 필름 130 : 불소(또는 W.PET) 필름
140 : 접착제

Claims (12)

  1. 태양전지의 셀 측(cell side)으로 위치하는 축광PE필름, 및
    상기 축광PE필름과 적층되는 베이스 필름을 포함하고,
    상기 축광PE필름은 표면 보호층으로서 축광 폴리에틸렌 조성물을 포함하고,
    상기 축광 폴리에틸렌 조성물은 고분자수지 선형 저밀도폴리에틸렌, 저밀도 폴리에틸렌, 고밀도 폴리에틸렌, 메탈로센 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 및 에틸렌비닐아세테이트로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상이고 유로피늄(Eu), 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 터븀(Tb) 및 이터늄(Yb)으로 소량 선택된 희토류 원소가 도핑된 알카리 토류금속의 알루미나 성분의 복합물 분말을 포함하며,
    상기 축광 폴리에틸렌 조성물의 축광제는 전위금속족을 가지는 원소소재로서 아연(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni) 및 징크(Zn)에서 선택되는 하나 이상의 소재를 포함하고,
    상기 축광PE필름은 상기 복합물 분말의 고형분 10~90%로 폴리에틸렌 필름에 마스터배치하고 용융압출하여 형성되며,
    상기 베이스 필름은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 필름 또는 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT) 필름을 구비하는 코어층으로서의 중간층과, 백색 투명의 불소 필름 또는 백색 폴리에틸렌테레프탈레이트(W.PET) 필름을 구비하는 대기측(air side) 하부층이 순차적으로 적층되어 이루어지고,
    상기 표면 보호층, 상기 코어층 및 상기 하부층 사이에는 우레탄계열 또는 아크릴계열의 접착제가 구비되며, 상기 접착제는 1액형, 2액형 및 3액형 중 어느 하나 이상을 가지며,
    상기 복합물 분말의 복합물은 산화알루미늄(Al2O3), 산화칼슘(CaO), 산화스트론튬(SrO), 또는 산화마그네슘(MgO)으로 이루어진 염들의 복합체로서, Al2O3CaO, Al2O3MgO, SrAl2O4, SrAl2O4(OH), 또는 Al2O3SrO3B2O3의 축광분말을 포함하는, 태양전지 보호용 백시트.
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  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 접착제에 함유되는 상기 축광제를 더 포함하는, 태양전지 보호용 백시트.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 표면 보호층은 태양광이 입사되지 않는 시간에 1시간 내지 6시간 발광하는, 태양전지 보호용 백시트.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 백시트는 롤투롤(roll to roll) 공정으로 만들어진 것인, 태양전지 보호용 백시트.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 불소 필름은 백색 필름이거나 일정 이상의 광투과율을 가진 투명도를 가지고, 불화비닐수지(Polyvinyl fluoride), 플루오르화 폴리비닐리덴(Poly vinylidene fluoride), ETFE(Ethylene Tetra fluoro Ethlene), 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polythylene terephthalate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인, 태양전지 보호용 백시트.
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