KR102293742B1 - 태양전지용 보호필름 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 태양전지용 보호필름은 탈부착이 가능한 분리형으로, 태양전지의 표면이 오염되거나 손상되었을 시 기존의 방법처럼 태양전지 전체를 교체할 필요 없이, 보호필름 만을 교체하여 태양전지 표면의 상태를 항상 최상으로 유지할 수 있게 하고, 동시에 빛의 반사를 억제하고 이에 따라 입사광량을 증가시켜 태양전지의 에너지 변환 효율을 현저히 상승시켜주는 효과도 가진다. 뿐만 아니라 기존에 반사방지막용으로 널리 사용되던 패턴효과 자체가 필요하지 않기 때문에, 비용적 측면에서 그리고 유지보수 측면에서 많은 이점이 있다.

Description

태양전지용 보호필름 및 이의 제조방법{Protective film for Solar Cell and preparation method thereof}
본 발명은 태양전지용 보호필름에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일정한 두께의 층이 복층으로 구비되는, 태양전지에 부착된 일체형이 아닌 탈부착이 가능한 분리된 형태의 보호필름으로, 외부 환경으로부터 보호함과 동시에, 반사방지로서 흔히 사용되는 패턴을 생략하였음에도 에너지 변환 효율을 현저히 증가시킬 수 있는 보호필름과 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 환경 문제가 사회적 이슈로 대두되고 있다. 이를 해결할 수 있는 대체 에너지로 수력 발전, 풍력 발전 및 태양광 발전이 지목되어, 많은 관심을 받아왔다. 그 중에서도 태양 에너지를 이용한 태양광 발전은 가장 청정하고 유용한 에너지원으로 주목받고 있으며, 다양한 연구 개발이 이루어져 왔다. 대표적으로 태양전지(solar cell)가 있으며, 이는 태양광을 흡수하는 태양광 흡수 셀(cell)에서 흡수한 태양광을 반도체의 성질을 이용하여 전기 에너지로 변환시키는 기술이다. 일반적으로 태양전지모듈은 태양광 흡수 셀을 구성하는 물질에 따라 크게 실리콘 태양전지, 박막형 태양전지, 염료감응형 태양전지 및 유기고분자형 태양전지로 구분될 수 있으며, 현재까지 결정질 실리콘(Bulk형)을 이용한 태양전지모듈이 가장 주류를 이루고 있다. 그러나 결정질 실리콘 웨이퍼 기판과 그 기판의 원료인 고순도 폴리실리콘이 수요대비 공급이 부족하여 제조비용이 높고 제조시 소비되는 전력이 크다는 문제점이 있다. 이러한 결정질 실리콘 태양전지모듈의 높은 제조단가를 해결하고자 실리콘 박막형 태양전지, 화합물 태양전지, 염료감응형 태양전지 등 다양한 형태의 태양광 흡수 셀을 이용한 태양전지가 계속개발되고 있다.
상술한 다양한 구조적 개선에도 불구하고, 실질적으로 태양전지가 적용될 경우, 종래 태양전지는 외부 환경에 존재하는 습기나 산소 등에 매우 취약하여, 쉽게 파손될 뿐만 아니라, 패널이 항상 노출된 상태이기 때문에 표면이 매연, 흙먼지, 모래 등의 수 많은 오염원으로 쉽게 더려워진다. 외부 환경에 의해 태양전지가 심각하게 오염되면, 패널 청소를 하게 되는데, 이 과정에서도 손상이 발생하며, 청소를 해도 원래 상태로 돌어오지 않는 경우들이 자주 발생한다. 이와 같은 많은 원인들에 의해 태양광 발전 효율은 상용화되더라도 쉽게 저하되어, 충분한 효율을 나타내지 못한다. 특히 태양전지는 빛의 유입에 민감하기 때문에, 어느 한 지점이라도 오염원에 의해서 오염되면, 전체 효율에서 최대 20~30% 발전 효율이 떨어지게 되며, 패널의 표면에 눈에 보이지 않는 얇은 AR(anti-reflective) 코팅이 되어 있는 경우에는 청소과정에 전문적인 장비나 기술이 요구된다.
게다가 태양전지는 상술한 수많은 원인들에 의해 파손되거나 손상 혹은 외부 오염원 등의 각종 원인에 의해 원래 상태로 돌아오지 않을 경우, 해당 부위나, 태양전지 표면뿐만 아니라, 태양전지 전체를 교체해야하므로, 설치를 비롯하여 유지 관리 보수에도 어려움이 있으며, 손상되거나 오염될 경우에는 심각한 경제적 손실이 발생하는 문제가 있다.
특허문헌 1. 대한민국 공개특허공보 제10-1989-702258호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 외부 환경으로부터 태양전지와 같은 태양전지를 보호하고, 탈부착이 용이하여 오염시 쉽게 교체가 가능할 뿐만 아니라, 빛의 반사방지에 의한 입사광량 증가로 태양전지의 효율을 증진시키는 보호필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 대량생산에 어려움이 있었던 기존의 패턴조성 단계가 생략된 상기 보호필름의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 접착력을 갖는 기층부; 및 상기 기층부의 일면에 적층되고, 0.1 내지 1.5 ㎜의 두께를 갖는 층이 적어도 하나 이상 포함된 표층부;로 구비되는 태양전지용 보호필름을 제공한다.
상기 기층부는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리카보네이트(PC), 폴리우레탄(PUR), 아크릴레이트, 풀리메틸아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴풀루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 및 플루오르화에틸렌프로필렌(FEP)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 표층부는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리카보네이트(PC), 폴리우레탄(PUR), 아크릴레이트, 풀리메틸아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴풀루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 및 플루오르화에틸렌프로필렌(FEP)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 표층부는 1 내지 20 층 중에서 선택되는 층수로 구비된 것일 수 있다.
상기 표층부의 각 층은 동일한 두께를 갖는 것일 수 있다.
상기 태양전지용 보호필름은 350 내지 400 ㎚ 파장의 빛에 대한 반사도가 35~40%일 수 있다.
본 발명은 상기 목적을 이루기 위하여, 하기 단계를 포함하는 태양전지용 보호필름의 제조방법을 제공한다.
Ⅰ) 보호필름 제조용 조성물을 도포하고 경화하여 기층부를 제조하는 단계; 및
Ⅱ) 상기 기층부의 일면에 보호필름 제조용 조성물을 도포하고 경화하여 0.1 내지 1.5 ㎜의 두께를 갖는 층을 제조하되, 이 과정을 반복하여 적어도 하나 이상의 층으로 이루어진 표층부를 형성하는 단계.
또는, a) 보호필름 제조용 조성물을 도포하고, 경화하여 일정한 두께의 필름을 제조하고, 상기 필름을 일면에 층층이 부착하여 기층부와 적어도 하나 이상의 층을 갖는 표층부로 구성된 태양전지용 보호필름을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 보호필름 제조용 조성물은 폴리실록산계 고분자, 경화제, 실란 커플링제 및 유기용매를 포함하고, 상기 폴리실록산계 고분자 100 중량부에 대하여, 실록산계 경화제 1 내지 20 중량부; 알콕시 실란 화합물 중에서 선택된 실란 커플링제 0.005 내지 5 중량부로 포함하는 것일 수 있다.
상기 경화는 90 내지 100 ℃, 0.5 내지 2 시간동안 수행하는 것일 수 있다.
본 발명의 태양전지용 보호필름은 탈부착이 가능한 분리형으로, 태양전지의 표면이 오염되거나 손상되었을 시 기존의 방법처럼 태양전지 전체를 교체할 필요 없이, 보호필름 만을 교체하여 태양전지 표면의 상태를 항상 최상으로 유지할 수 있게 하고, 동시에 빛의 반사를 억제하고 이에 따라 입사광량을 증가시켜 태양전지의 에너지 변환 효율을 현저히 상승시켜주는 효과도 가진다. 뿐만 아니라 기존에 반사방지막용으로 널리 사용되던 패턴효과 자체가 필요하지 않기 때문에, 비용적 측면에서 그리고 유지보수 측면에서 많은 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 태양전지용 보호필름의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 보호필름을 태양전지에 부착하였을 때의 모습을 도시화한 것이다.
도 3은 태양전지(GaAs 또는 Si 벌크형 태양전지)의 표면에 실시예 1 내지 10으로부터 제조된 보호필름을 부착하였을 때의 구조를 나타낸 단면도이다. (a)는 실시예 1로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이고, (b)는 실시예 2로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (c)는 실시예 4로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (d)는 실시예 5로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (e)는 실시예 8로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이다.
도 4는 태양전지(GaAs 또는 Si 벌크형 태양전지)의 표면에 비교예 1 내지 6로부터 제조된 보호필름을 부착하였을 때의 구조를 나타낸 단면도이다. (a)는 비교예 1로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이고, (b)는 비교예 2로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (c)는 비교예 3으로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (d)는 비교예 4로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (e)는 비교예 5로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (f)는 비교예 6으로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이다.
도 5는 실험예 1에서의 보호필름이 부착되지 않은 GaAs 태양전지 구조를 나타낸 사진(a)과 GaAs 태양전지 상에 실시예 2로부터 제조된 보호필름을 부착한 모습을 촬영한 사진(b)이다.
도 6은 GaAs 태양전지 상면에 비교예 1, 실시예 1 내지 5로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 GaAs 태양전지 상면에 비교예 2, 3 및 실시예 4로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 실험예 2에서 보호필름이 부착되지 않은 si 태양전지(monocrystalline)를 촬영한 사진(a)과 si 태양전지(monocrystalline) 상에 실시예 10으로부터 제조된 보호필름을 부착한 모습을 촬영한 사진(b)이다.
도 9는 si 태양전지(monocrystaliine) 상면에 실시예 4 내지 10로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 si 태양전지(monocrystaliine) 상면에 실시예 4, 5, 8 및 비교예 4 내지 6으로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 실험예 3에서 보호필름이 부착되지 않은 태양전지 si 모듈(module)를 촬영한 사진(a)과 태양전지 si 모듈(module) 상에 실시예 5로부터 제조된 보호필름을 부착한 모습을 촬영한 사진(b)이다.
도 12는 태양전지 si 모듈(module) 상면에 비교예 1, 실시예 1 내지 5로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 13은 GaAs 태양전지 상면에 비교예 1, 실시예 1 내지 10으로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 반사도(reflectance %)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 14는 태양전지(GaAs 태양전지)의 표면에 비교예 7 내지 12로부터 제조된 보호필름을 부착하였을 때의 구조를 나타낸 단면도이다. (a)는 비교예 7로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이고, (b)는 비교예 8로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (c)는 비교예 9로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (d)는 비교예 10으로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (e)는 비교예 11로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (f)는 비교예 12로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이다.
도 15는 GaAs 태양전지 상면에 비교예 1, 실시예 1 내지 5 및 비교예 7 내지 12로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
이하에서, 본 발명의 여러 측면 및 다양한 구현예에 대해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.
본 발명과 같이 평평한(flat) 형태의 일정한 두께를 갖는 층이 적어도 한 층이상 형성되어 있는 보호필름의 경우, 층의 두께가 서로 다르거나 커지게 되거나 패턴층이 삽입되는 경우, 태양전지의 효율이 증가하는 정도가 크지 않고, 계면에 작용하는 힘이 달라져 탈부착시 이탈되는 경우가 발생하며, 반사 방지 및 빛 흡수율 증가 효과가 미미하였다. 또한, 서로 다른 재질의 층을 도입하면 장기간 사용시 유기화합물에 의한 팽윤 현상으로 보호필름이 태양전지와 같은 태양전지로부터 박리되는 현상이 발생할 수 있다.
따라서 본 발명은 폴리실론산계 고분자를 사용하여, 동일한 재질로 동일한 두께의 층이 적어도 하나 이상 반복적으로 적층되어 있는 구조의 보호필름을 제조하여, 태양전지와 같은 태양전지를 외부 유해한 환경으로부터 효과적으로 차단 및 보호함과 동시에 빛의 표면 반사방지에 따른 입사광량의 증가로 태양전지의 효율을 향상시킨데 그 특징이 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 접착력을 갖는 기층부; 및 상기 기층부의 일면에 적층되고, 0.1 내지 1.5 ㎚의 두께를 갖는 층이 적어도 하나 이상 포함된 표층부;로 구비되는 태양전지용 보호필름에 관한 것이다. 이의 구조를 도 1에 구체적으로 도시하였다. 도 1은 본 발명의 태양전지용 보호필름의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 태양전지용 보호필름(100)은 상기 기층부(110)의 일면에 0.1 내지 1.5 ㎚의 두께를 갖는 층(121, 122, 123 ...)이 적어도 하나 이상 포함된 표층부(120)로 구비된다. 이때, 상기 적어도 하나 이상의 층을 포함하는 표층부(120)에서, 각 층(121, 122, 123 ...)은 평평한 형태로, 패턴을 포함하고 있지 않다.
상기 기층부(110)와 표층부(120)은 영 모듈러스나 굽힘 강성(flexural rigidity)와 같은 선택된 기계적 성질, 열팽창 계수와 같은 선택된 열적 성질이 동일하거나, 서로 다른 고분자를 사용할 수 있다. 예를 들어 서로 다른 모듈러스를 갖는 동일한 고분자 소재를 사용할 수도 있다. 바람직하게는 상기 기층부(110)와 표층부(120)는 서로 동일한 고분자 소재를 사용하는 것이 탈부착시 서로 분리되어 탈착되는 등의 문제 방지하는데 효과적이다.
또한, 상기 기층부(110)는 상기 표층부(120)의 타면에 구비되어, 태양전지 또는 각종 소자에 부착될 수 있는 특성을 제공할 수 있다.
상기 기층부(110)는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리카보네이트(PC), 폴리우레탄(PUR), 아크릴레이트, 풀리메틸아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴풀루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 및 플루오르화에틸렌프로필렌(FEP)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있고, 상기 표층부(120)는 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리카보네이트(PC), 폴리우레탄(PUR), 아크릴레이트, 풀리메틸아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴풀루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 및 플루오르화에틸렌프로필렌(FEP)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나일 수 있는데, 앞서 설명한 바와 같이 서로 동일한 고분자 소재를 사용하는 것이 탈부착시 서로 분리되어 탈착되는 등의 문제 방지하는데 좋다.
더욱 바람직하게는 상기 기층부(110)와 상기 표층부(120)로 사용될 수 있는 고분자 중에서도 특히, 접착특성을 가지면서도 투명성이 가장 우수한 폴리디메틸실록산일 수 있다.
일반적으로 폴리디메틸실록산은 모듈러스가 낮고(3 MPa), 높은 압축성(2.0 N/㎟)을 가지고 있어, 압력에 의한 변형과 관계된 문제가 쉽게 발생하기 때문에, 단일층으로 제조할 경우, 태양전지와 같은 태양전지를 충분히 외부 환경으로부터 보호할 수 없다는 문제가 있으며, 태양전지의 에너지 변환 효율 증가 효과도 미미하였다.
또한, 패턴층이 형성되어 있는 경우에도, 패턴을 형성하는 과정이 복잡하고 비용이 발생할 뿐만 아니라, 패턴을 형성하는 돌기의 크기, 간격 등이 입사되는 광의 반사에 영향을 크게 미치기 때문에, 패턴에 원하지 않은 왜곡(측벽의 휘어짐(buckling), 처짐(sagging))이 있는 경우, 광 투과율의 저하를 야기하게 되는 문제가 발생한다. 따라서 이를 보호필름으로 활용할 경우 외부 환경에 의해 쉽게 패턴의 변형이 야기되므로, 보호필름의 교체주기가 빨라, 유지 보수 측면에서 비용을 절감하는 효과가 미미하며, 패턴층을 도입할 경우 후술하는 실험예에서와 같이 태양전지의 에너지 변환 효율의 증가 효과가 상대적으로 낮다는 문제가 있다. 따라서, 패턴이 형성된 필름을 보호필름으로 제조하는 것은 용이하지 않다.
상기 표층부(120)는 1 내지 20 층 중에서 선택되는 층수로 구비된 것일 수 있고, 상기 표층부의 각 층은 동일한 두께를 갖는 것이 바람직하다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 보호필름은 내부에 무기입자나 패턴층 등을 굳이 구비하지 않더라도 태양전지의 효율을 1% 내지 5% 향상시키는 효과를 갖는다. 즉, 본 발명의 보호필름은 동일한 두께의 동일 재질의 층이 반복되어 적층됨에 따라 점차 태양전지의 효율을 개선하는 효과가 증가하므로, 두께에 상관없이 태양전지의 전면에 접착함으로써, 태양전지를 외부 환경으로부터 보호함과 동시에 이의 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
상기 표층부(120)의 구조는 평평한(flat) 형태의 구조로, 이와 같은 일정한 두께의 층이 1 내지 20층 중에서 선택되는 층수로 적층되어 형성됨에 따라 표면 반사율이 점차 낮아져, 강한 산란광을 만들어내지 않는 구조를 달성하였다. 본 발명에 따른 보호필름은 복잡한 제조공정을 통해 제조되는 패턴층을 구비하지 않아도 단순한 구조적 설계를 통해 표면 반사를 더욱 저감시킬 수 있는 등의 장점들을 갖도록 하였다.
즉, 상기 표층부(120)는 평평한 필름 형태의 층이 반복 적층된 구조인 것이 패턴을 형성한 것에 비해 표면 반사를 더욱 저감시킬 수 있기 때문에, 가장 바람직하다.
상기 표층부(120)의 각 층은 0.1 내지 1.5 ㎜ 두께를 갖는 것일 수 있는데, 상기 각 층의 두께가 0.1 ㎜ 미만이거나, 1.5 ㎜를 초과하거나, 표층부를 구성하는 층들 중에서 어느 하나의 층이라도 두께가 0.1 내지 1.5 ㎜를 벗어날 경우에는 종래 태양전지의 일면에 부착시, 태양전지의 효율의 증가 효과가 2% 미만으로 저하되는 단점이 있다. 또한 0.1 ㎜ 미만일 경우, 제조가 어려워, 추가적인 시간과 비용이 요구되며, 균일한 두께의 층을 제조하기가 민감해지므로 저렴하게 보호필름을 제공할 수 없게되는 문제가 발생할 수 있다. 가장 바람직하게는 상기 표층부(12)의 각 층이 0.8 내지 1.3 ㎜ 두께를 갖는 것일 수 있다. 왜냐하면 상기 층의 두께에 따라 빛을 반사하는 반사도가 현저히 달라지기 때문에, 표층부를 구성하는 각각의 층이 상기 범위의 두께를 가질 때, 복수개 층이 서로 적층되어도 빛의 반사 방지 효과가 서로 상쇄되거나 방해받지 않고, 중첩되어, 적층될수록 높은 광 입사율을 가지게되고, 이로 인해 태양전지 에너지 변환 효율이 현저히 증가되는 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
이때, 상기 기층부(110)는 상기 표층부(120)와 동일한 재질과 동일한 두께를 갖는 것이 바람직하고, 만약 상이한 두께를 가질 경우, 상기 보호필름(100)을 태양전지 상에 부착하였을 때, 태양전지의 에너지 변환 효율의 증가효과가 미미해지는 문제가 발생한다.
본 발명에 따른 태양전지용 보호필름(100)의 상기 표층부(120)는 0.1 내지 1.5 ㎜ 두께를 갖는 층(121, 122, 123 ...)들이 순차적으로 적층되어 형성되는 것이 바람직하고, 상기 층(121, 122, 123 ...)들은 일정한 두께인 것이 가장 바람직하다. 여기서 "일정한"이란 구체적으로 상기 층(121, 122, 123 ...)들의 두께가 0.1~1.5 ㎜ 중에서 선택된 어느 하나의 두께로 일정하게 적층된 상태를 지칭하는 것으로, 예를 들어 상기 표층부(120)의 어느 한 층(121)의 두께를 1 ㎜로 하였을 때, 상기 표층부(120)를 형성하는 다른 층(122, 123 ...)들의 두께도 1 ㎜로 균일하게 형성한 것을 의미한다. 즉, 상기 층(121, 122, 123 ...)의 두께가 일정하게 유지되어 적층되어 있는 상태를 나타내는 것이다.
만일 상기 표층부(120)의 층(121, 122, 123...)들의 두께가 서로 상이하거나 0.1 내지 1.5 ㎜ 두께를 어느 한 층이라도 벗어날 경우, 상기 보호필름(100)을 태양전지 상에 부착하였을 때, 빛 반사 방지에 따른 입사광량 증가의 효과가 줄어들어, 태양전지의 에너지 변환 효율 증가 역시 줄어드는 문제가 발생한다.
또한, 본 발명의 상술한 특징을 갖는 태양전지용 필름은 일반적으로 반사방지(Anti-Reflection 소위 AR)필름으로 널리 사용되는 패턴(pattern) 필름과 비교할 때, 그 우수성이 더욱 드러난다. 태양전지 효율을 증가시키는 효과가 월등할 뿐만 아니라, 패턴을 형성하는 복잡한 과정을 생략할 수 있기 때문에 그 과정에서 발생하는 비용과 유지 보수 측면에서의 비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지용 보호필름(100)은 접착력을 갖는 기층부(110)의 일면에 0.1 내지 1.5 ㎚ 두께를 갖는 층이 적어도 하나 이상 포함된 표층부(120)가 적층되어 있는 것으로, 상기 표층부(120)는 패턴을 포함하지 않는 평평한(flat) 형태의 층이 복수 개 적층되어 있는 것임에도 불구하고, 외부의 환경으로부터 태양전지와 같은 태양전지를 보호할 뿐만 아니라 효율도 1~5% 이상 현저히 개선하고 있음을 알 수 있다. 일반적으로 태양전지 분야에 있어서 최적화된 구조의 태양전지에 어느 하나 이상의 구조를 추가하여 단 0.1%의 효율이라도 상승시킬 수 있다는 것은 매우 유의한 의미를 갖는 것이라 할 수 있다. 이에 본 발명의 보호필름은 이의 10~50배인 1%~5% 효율을 증가시키고 있을 뿐만 아니라, 탈부착이 용이하여, 태양전지와 같은 태양전지가 파손되거나 손상되거나 표면이 오염되었을 경우, 태양전지 전체를 제거하지 않아도, 보호필름만을 새롭게 교체할 수 있으므로 유지 관리 보수에 있어서 비용 및 환경오염 문제 측면에서 매우 유용하다.
또한 상기 태양전지용 보호필름은 350 내지 400 ㎚ 파장의 빛에 대한 반사도가 35~40%으로, 보호필름이 적용되지 않은 reference 기판의 반사도가 50~55% 라는 점에 비해 현저히 낮은 수치이다. 즉 상기 태양전지용 보호필름은 빛의 반사를 줄이고, 빛의 입사광량을 증가시켜 태양전지 효율을 상승시킴을 알 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지용 보호필름은 내부에 무기입자나 양자점과 같은 추가적인 구조물 없이, 상술한 효과를 달성하고 있으며, 내부에 추가적인 구조물이 없기 때문에 투명성이 매우 우수하여, 광 투과율이 가시광 영역(400~700 ㎚)에서 90 %에 달하는 장점이 있다.
이는 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 보호필름(100)의 기층부(110)와 표층부(120)의 단순하지만 제한된 구조로 인하여, 태양전지를 외부 환경으로부터 보호하면서, 빛의 반사를 줄이고, 빛의 입사광량을 증가시켜 태양전지 효율이 1~5% 이상 증가되었음을 알 수 있다.
본 발명에 따른 보호필름(100)은 접착 특성을 가지고 있기 때문에, 태양전지를 비롯한 다양한 소자에 상기 보호필름(100)을 이용하여 소결이나 복잡한 제조과정을 거치지 않아도, 태양전지 및 다양한 소자의 표면에 탈부착이 용이하다. 따라서 상기 보호필름을 접착하는 과정에 의해, 태양전지나 태양전지가 변형되거나 균열이 발생하는 등의 문제가 발생하지 않는다는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 보호필름(100)은 접착을 이용해 태양전지를 비롯한 다양한 소자에 부착하는 단순 작업을 통해서 상기 다양한 소자에 쉽게 구비할 수 있고, 이러한 과정을 통해 상기 보호필름(100)이 구비된 다양한 소자는 입사되는 광량이 증가될 뿐만 아니라, 특히 광 투과율이 매우 높아, 에너지 변환 효율이 증가한다.
다시 말해, 현재까지 개발된 다양한 구조의 태양전지(일예로 CIGS 또는 일반적인 반사방지막이 구비된 태양전지)라도, 이의 표면에 본 발명의 보호필름(100)을 부착하게 되면 외부 환경에 존재하는 다양한 오염원이나 외력으로부터 보호됨과 동시에 효율은 1~5% 이상 향상될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면은 아래 단계들을 포함하는 상기 태양전지용 보호필름의 제조방법에 관한 것이다.
Ⅰ) 보호필름 제조용 조성물을 도포하고 경화하여 기층부를 제조하는 단계; 및
Ⅱ) 상기 기층부의 일면에 보호필름 제조용 조성물을 도포하고 경화하여 0.1 내지 1.5 ㎜의 두께를 갖는 층을 제조하되, 이 과정을 반복하여 적어도 하나 이상의 층으로 이루어진 표층부를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 본 발명에 따른 태양전지용 보호필름의 제조방법은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 제법으로 특별히 한정하지 않으나, 보다 구체적으로는 다음의 방법에 의하여 제조될 수 있다.
먼저, 유기용매에 폴리실록산계 고분자, 경화제, 실란 커플링제를 혼합한 보호필름 제조용 조성물을 제조한다. 상기 유기용매는 당 분야에서 일반적으로 사용하는 것으로 특별히 한정하지 않지만, 예를 들어, 헥산, 사이클로헥산, 디클로로메탄, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 펜탄 및 헵탄 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
구체적으로 상기 보호필름 제조용 조성물은 폴리실록산계 고분자 100 중량부에 대하여, 경화제 1 ∼ 20 중량부 및 실란 커플링제 0.005 ∼ 5 중량부를 포함할 수 있다. 상기 실란 커플링제의 함량이 너무 적은 경우에는 상기 무기입자와 폴리실록산계 고분자와의 상용성이 부족하고, 지지체와의 결합력이 좋지 않아, 다공성 고분자 및 무기 지지체 상에서 하이브리드 복합막이 박리되는 문제점이 발생할 수 있고, 5 중량부를 초과하는 경우에는 실란 커플링제가 폴리실록산계 고분자의 자유부피를 증가시켜 휘발성 유기화합물의 분리 선택성이 감소하는 문제점이 발생할 수 있으므로 상기 함량 범위의 실란 커플링제를 사용하는 것이 좋다.
상기 실란 커플링제는 알콕시기 실란 화합물을 사용하는 것이 좋은 바, 보다 바람직하기로는 비닐기, 글리시딜기, 스티릴기, 메타크릴기, 아크릴기, 우레이도기, 클로로알킬기, 메르캅토기, 이소시아네이트기, 아미노기, 디메틸아미노기, 이미다졸기 및 아세토아세테이트기 중에서 선택된 관능기가 추가로 치환된 알콕시 실란화합물을 사용하는 것이 좋다. 보다 구체적으로 상기 실란 커플링제(d)는 소수성의 유기관능기를 갖는 것으로, 가장 바람직하기로는 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, γ-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-메르캅토 프로필 트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필메톡시디에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란, 및 γ-아세토아세테이트프로필트리메톡시실란을 사용하는 것이 좋다.
또한, 상기 경화제는 실록산계 경화제를 사용하며 폴리실록산계 고분자 100 중량부에 대하여 1 ∼ 20 중량부 범위로 사용하는 것이 좋다. 상기한 실록산계 경화제는 구체적으로 메틸하이드록실록산, 디메틸하이드로실록산 등이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 이들 실록산계 경화제 종류를 특별히 한정하지는 않는다.
상기 제조된 보호필름 제조용 조성물을 도포하고 경화하여 기층부를 제조한다. 구체적으로 상기 도포된 보호필름 제조용 조성물은 용매를 증발시켜 가교 반응을 수행하는데, 상기 가교 반응은 상온에서 천천히 용매를 증발시키거나, 90 내지 100 ℃에서 0.5 내지 2 시간동안 수행될 수 있는데, 용매를 완전히 휘발시키는 것이 바람직하므로, 90 내지 100 ℃에서 0.5 내지 2 시간동안 수행되는 것이 가장 좋다.
다음으로, 상기 기층부의 일면에 보호필름 제조용 조성물을 도포하고 경화하여 0.1 내지 1.5 ㎜의 두께를 갖는 층을 제조하되, 이 과정을 반복하여 적어도 하나 이상의 층으로 이루어진 표층부를 형성한다.
상기 제조된 보호필름 제조용 조성물을 상기 기층부의 일면에 도포하고 경화하여 표층부의 제일 하단에 위치한 층(121)을 제조한다. 다음, 상기 층(121)을 충분히 경화한 후, 보호필름 제조용 조성물을 도포하고 경화하는 상기 과정을 반복하여 적어도 하나 이상의 층으로 이루어진 표층부를 형성할 수 있다.
상기 표층부 역시, 상기 보호필름 제조용 조성물을 도포하고, 용매를 증발시켜 가교 반응을 통해 수행되며, 상기 가교 반응은 상온에서 천천히 용매를 증발시키거나, 90 내지 100 ℃에서 0.5 내지 2 시간동안 수행될 수 있는데, 용매를 완전히 휘발시키는 것이 바람직하므로, 90 내지 100 ℃에서 0.5 내지 2 시간동안 수행되는 것이 가장 좋다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면은 아래 단계들을 포함하는 상기 태양전지용 보호필름의 제조방법에 관한 것이다.
a) 보호필름 제조용 조성물을 도포하고, 경화하여 일정한 두께의 필름을 제조하고, 상기 필름을 일면에 층층이 부착하여 기층부와 적어도 하나 이상의 층을 갖는 표층부로 구성된 태양전지용 보호필름을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 본 발명에 따른 태양전지용 보호필름의 제조방법은 당 분야에서 일반적으로 사용되는 제법으로 특별히 한정하지 않으나, 보다 구체적으로는 다음의 방법에 의하여 제조될 수 있다.
먼저, 유기용매에 폴리실록산계 고분자, 경화제, 실란 커플링제를 혼합한 보호필름 제조용 조성물을 제조한다. 상기 유기용매는 당 분야에서 일반적으로 사용하는 것으로 특별히 한정하지 않지만, 예를 들어, 헥산, 사이클로헥산, 디클로로메탄, 디클로로메탄, 디클로로에탄, 펜탄 및 헵탄 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
구체적으로 상기 보호필름 제조용 조성물은 폴리실록산계 고분자 100 중량부에 대하여, 경화제 1 ∼ 20 중량부 및 실란 커플링제 0.005 ∼ 5 중량부를 포함할 수 있다. 상기 실란 커플링제의 함량이 너무 적은 경우에는 상기 무기입자와 폴리실록산계 고분자와의 상용성이 부족하고, 지지체와의 결합력이 좋지 않아, 다공성 고분자 및 무기 지지체 상에서 하이브리드 복합막이 박리되는 문제점이 발생할 수 있고, 5 중량부를 초과하는 경우에는 실란 커플링제가 폴리실록산계 고분자의 자유부피를 증가시켜 휘발성 유기화합물의 분리 선택성이 감소하는 문제점이 발생할 수 있으므로 상기 함량 범위의 실란 커플링제를 사용하는 것이 좋다.
상기 실란 커플링제는 알콕시기 실란 화합물을 사용하는 것이 좋은 바, 보다 바람직하기로는 비닐기, 글리시딜기, 스티릴기, 메타크릴기, 아크릴기, 우레이도기, 클로로알킬기, 메르캅토기, 이소시아네이트기, 아미노기, 디메틸아미노기, 이미다졸기 및 아세토아세테이트기 중에서 선택된 관능기가 추가로 치환된 알콕시 실란화합물을 사용하는 것이 좋다. 보다 구체적으로 상기 실란 커플링제(d)는 소수성의 유기관능기를 갖는 것으로, 가장 바람직하기로는 γ-글리시독시프로필트리메톡시실란, γ-글리시독시프로필메틸디에톡시실란, γ-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-메르캅토 프로필 트리메톡시실란, 비닐트리메톡시실란, 비닐트리에톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, γ-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, 3-아미노프로필메톡시디에톡시실란, γ-아미노프로필트리메톡시실란, γ-아미노프로필트리에톡시실란, 3-이소시아네이트프로필트리에톡시실란, 및 γ-아세토아세테이트프로필트리메톡시실란을 사용하는 것이 좋다.
또한, 상기 경화제는 실록산계 경화제를 사용하며 폴리실록산계 고분자 100 중량부에 대하여 1 ∼ 20 중량부 범위로 사용하는 것이 좋다. 상기한 실록산계 경화제는 구체적으로 메틸하이드록실록산, 디메틸하이드로실록산 등이 사용될 수 있으며, 본 발명에서는 이들 실록산계 경화제 종류를 특별히 한정하지는 않는다.
a) 보호필름 제조용 조성물을 도포하고, 경화하여 일정한 두께의 필름을 제조하였다. 그 후, 상기 제조된 필름 하나가 기층부이고, 상기 기층부 상면에 미리 제조해 두었던 다른 필름을 부착시켜 단층의 표층부를 제조하였다. 즉 미리 일정한 두께의 필름을 복수개 제조해 둔 다음, 상기 기층부의 일면에 층층히 부착하여 0.1 내지 1.5 ㎜의 두께를 갖는 층이, 적어도 하나 이상 이루어진 표층부를 형성한다.
상기 보호필름 제조용 조성물을 도포하고, 용매를 증발시켜 가교 반응을 수행하는데, 상기 가교 반응은 상온에서 천천히 용매를 증발시키거나, 90 내지 100 ℃에서 0.5 내지 2 시간동안 수행될 수 있는데, 용매를 완전히 휘발시키는 것이 바람직하므로, 90 내지 100 ℃에서 0.5 내지 2 시간동안 수행되는 것이 가장 좋다.
또한 본 발명의 또 다른 측면은 태양전지 셀(200); 및 상기 태양전지 셀(200)의 태양광 입사면 또는 상부면 상에 부착된 상기 보호필름(100)을 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
여기서 상기 보호필름(100)은 상기 태양전지 셀(200)의 태양광 입사면 또는 상부면 상에 단순히 접합 및 접착함으로써 형성될 수 있다.
상기 태양전지 셀(200)은 입사광을 흡수하여 정공과 전자를 생성함으로써 전류를 만들어 내는 것으로, 당 기술분야에서 사용되는 태양전지 셀이면 특별히 이에 제한되지 않으나, 예를 들면 원소 반도체, 화합물 반도체, 유기 반도체 등을 기반으로 하며, 다양한 구조를 가질 수 있다. 또한 상기 태양전지 셀(200)은 실리콘계, 구리인듐갈륨셀레늄(CIGS)계 또는 구리아연주석황(CZTS)계 또는 갈륨비소(GaAs)계 태양전지 셀(200)이 사용될 수 있다.
상기 보호필름이 부착된 태양전지 셀(200)의 구조의 일 예를 도 2에 나타내었다.
이를 참조하면 태양전지 셀(200)은 기판(210), 제1 반도체층(230), 광흡수층(240) 및 제2 반도체층(250)을 포함하며, 상기 태양전지 셀(200)의 태양광 입사면 또는 상부면을 덮도록 상기 보호필름(100)이 형성될 수 있다.
이때 상부면은 태양전지 셀(200)을 형성하는 제일 최상층의 상면을 말하는 것으로 본 발명의 실시예에서는 제2 반도체층(250)의 상에 상기 보호필름(100)이 형성된 것일 수 있다.
상기 기판(210)은 당 기술분야에서 기판으로 사용되는 통상의 재질이라면 특별히 이에 제한되지 않으나, 구체적으로 유리질, 금속, 세라믹 및 고분자로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것 중에서 어느 하나일 수 있고, 바람직하게 상기 기판(210)은 GaAs 또는 Ge 기판을 할 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 상기 기판(210)을 GaAs를 사용하였는데, GaAs를 사용할 경우 그 위에 제1 반도체층(230), 흡수층(240)으로 양자점층을 적층할 수 있다.
상기 기판(210)의 두께 및 면적은 특별히 한정되는 것이 아니며, 사용되는 기판 재질, 반도체 화합물의 특성을 고려하여 적절한 치수를 선정할 수 있다.
상기 기판(210) 상에는 상기 기판과 동일한 재질로 이루어진 버퍼층(320)을 형성할 수 있다. 이는 태양전지 셀(200)의 용도에 따라 생략 또는 추가가 가능하다. 도 2는 상기 버퍼층(220)(미도시)이 없는 본 발명에 따른 태양전지 셀(200)의 구조를 나타낸 사시도이다.
상기 태양전지 셀(200)은 상기 기판(210)의 후면에 하부 전극층(211)을 더 포함하고, 상기 제2 반도체층(250) 상에 상부 전극층(251)을 더 포함할 수 있고(미도시), 상기 하부 전극층(211) 및 상부 전극층(251)으로는 ZnO, Ni, Al, Ti, Ag, Au, Co, Sb, Pd, Cu, TiN, WN 등을 단독 또는 조합하여 사용할 수 있다. 경우에 따라서는 이들의 적층막일 수도 있다. 상기 하부 전극층(211) 및 상부 전극층(251)은 서로 같은 재질일 수도 있고 다른 재질일 수도 있다. 경우에 따라서는 투명 전도성 재질, 예를 들면 TCO(transparent conductive oxide; TCO)를 사용할 수도 있는 바, 이러한 TCO 재질로는 산화인듐주석(indium tin oxide), 산화인듐아연(indium zinc oxide), 산화갈륨아연(gallium zinc oxide), 산화알루미늄 아연(aluminum zinc oxide) 또는 이들의 조합을 예시할 수 있다.
상기 하부 전극층(211) 및 상부 전극층(251)은 LPCVD(low pressure chemical vapor deposition), PECVD, ALD(atomic layer deposition), 스퍼터링(sputtering), 전자빔증착(electron-beam evaporation) 등에 의하여 형성될 수 있으며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 반도체층(230)은 상기 버퍼층(220) 혹은 상기 기판(210) 상에 형성된 것으로, "n-형 반도체층" 또는 "p-형 반도체층"을 의미할 수 있으며, 전형적으로는 상호 반대되는 도전 특성을 갖고 있어 태양전지 구조 내 광흡수층에 의하여 입사광이 흡수되면 광전효과를 유발할 수 있는 접합 구조를 형성한다. 예를 들면, 상기 p-형 반도체는 III-V족 화합물 반도체에 Ⅱ족 성분이 도핑되고, 상기 n-형 반도체는 III-V족 화합물 반도체에 IV족 성분이 도핑된 것일 수 있다. 이때, p-형 및 n-형 반도체 내 불순물 이온 농도 범위는, 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 반도체층(230) 상에는 광흡수층(240)이 형성되는데, 이는 태양광을 받아 전자-정공 쌍을 생성하여 전류를 발생시키는 영역으로서, 서로 다른 에너지 밴드 갭을 갖는 하나 이상의 양자점층을 포함한다.
또한, 상기 광흡수층(240)이 서로 다른 에너지 밴드갭을 갖는 하나 이상의 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체층(이하, 화합물 반도체층)을 포함할 수 있다. 상기 광흡수층(240)의 각 층들은 서로 다른 밴드갭을 가지고 있어 다른 파장의 태양광을 흡수할 수 있도록 형성하면 되고 그 순서나 층의 개수에 반드시 제한이 있는 것은 아니다.
상기 광흡수층(240)이 하나 이상의 화합물 반도체층과 하나 이상의 양자점층을 포함할 수 있는데, 이 경우 상기 광흡수층(240)은 하나 이상의 화합물 반도체층 상에 하나 이상의 양자점층을 포함하거나, 하나 이상의 양자점층 상에 하나 이상의 화합물 반도체층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 양자점층이 상기 화합물 반도체층 사이에 형성될 수 있으며, 또한, 상기 화합물 반도체층이 상기 양자점층 사이에 형성될 수 있다.
상기 광흡수층(240)은 상기 두 개 이상의 양자점층에 의해 텐덤 방식으로 형성될 수도 있다.
상기 광흡수층(240)은 상기 화합물 반도체층과 상기 양자점층이 다층으로 적층되어 형성된 것일 수도 있는데, 이 경우 밴드갭이 가장 큰 물질이 광흡수층(240)의 맨 위에, 밴드갭이 가장 작은 물질이 맨 아래(기판쪽)에 위치하는 텐덤방식으로 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 텐덤(tendem) 방식의 태양전지란 에너지 밴드갭이 서로 다른 태양전지 셀을 스페이서(투과접합층(tunnel junction layer))를 이용하여 연결한 것을 의미한다.
상기 양자점층은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체로 이루어진 양자점으로 형성된다. 상기 양자점은 InAs, GaAs, InGaAs, InAlAs, InAlGaAs, InSb, InGaSb, InAlSb, InAlGaSb, InAsN, InGaAsN,InAlAsN, InAlGaAsN, InSbN, InGaSbN, InAlSbN, InAlGaSbN, InAsP, InGaAsP, InAlAsP, InAlGaAsP, InSbP, InGaSbP, InAlSbP, InAlGaAsP로 형성될 수 있다.
상기 양자점층은 자발형성(Self-assembling)으로 양자점을 성장시키는 S-K(Stranski-Krastanov)법을 이용하여 형성할 수 있다. 또한, 원자층 성장 기법(Atomic Layer Epitaxy, ALE), droplet epitaxy법을 이용하여 양자점을 성장시킬 수 있다.
상기 III-V족 화합물 반도체층은 InAs, GaAs, InGaAs, InAlAs, InAlGaAs, InSb, InGaSb, InAlSb, InAlGaSb, InAsN, InGaAsN, InAlAsN, InAlGaAsN, InSbN, InGaSbN, InAlSbN, InAlGaSbN, InAsP, InGaAsP, InAlAsP, InAlGaAsP, InSbP, InGaSbP, InAlSbP 및 InAlGaAsP로 이루어진 군에서 선택된 1종을 분자선 에피택시(Molecular beam epitaxy, 이하 MBE), 유기금속화학기상증착(Metal organic chemical vapor deposition, 이하 MOCVD), 액상 에피택시 (Liquid phase epitaxy, 이하 LPE), 저온-고온 처리법(LT-HT method)등을 사용하여 형성될 수 있다.
상기 광흡수층(240) 상에 제2 반도체층(250)이 형성되는데, 상기 제2 반도체층(250)은 "n-형 반도체층" 또는 "p-형 반도체층"을 의미할 수 있으며, 전형적으로는 상호 반대되는 도전 특성을 갖고 있어 태양전지 구조 내 광흡수층에 의하여 입사광이 흡수되면 광전효과를 유발할 수 있는 접합 구조를 형성한다. 예를 들면, 상기 p-형 반도체는 III-V족 화합물 반도체에 Ⅱ족 성분이 도핑되고, 상기 n-형 반도체는 III-V족 화합물 반도체에 IV족 성분이 도핑된 것일 수 있다. 이때, p-형 및 n-형 반도체 내 불순물 이온 농도 범위는, 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 반도체층(250) 또는 상기 상부 전극층(251) 상에 상기 보호필름(100)이 구비될 수 있다.
상기 보호필름(100)의 구조는 앞서 구체적으로 설명하였고, 반복되는 내용의 서술을 방지하고자 생략하기로 한다. 상기 보호필름(100)의 구조에 대해서는 앞서 설명한 바를 참고하기로 한다.
하기 실시예에서 후술하겠지만, 상술한 구조와 같이, 본 발명에 따른 보호필름(100)을 태양전지에 구비할 경우, 태양전지를 외부 환경으로부터 보호하여 태양전지의 장기 안정성을 증가시키고, 손상이나 파손이 발생했을 경우 보호필름만 교체하여, 유지 보수 비용을 절감할 수 있으며, 빛 반사 방지 효과 및 빛 흡수 증가 효과를 현저히 증진시킴으로써, 태양전지의 에너지 변환 효율을 1~5% 증가시키는 우수한 효과를 갖는다.
이하에서 실시예 등을 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 하며, 다만 이하에 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 또한, 이하의 실시예를 포함한 본 발명의 개시 내용에 기초한다면, 구체적으로 실험 결과가 제시되지 않은 본 발명을 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있음은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
또한 이하에서 제시되는 실험 결과는 상기 실시예 및 비교예의 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
실시예 1-10. 보호필름의 제조.
PDMS 키트(실가드(Sylgard) 184, 다우 코닝(Dow Corning))의 예비중합체 및 가교결합제를 10:1(중량 기준)의 비로 혼합하고, 혼합물 내에 발생한 기포를 진공 챔버(vacuum chamber)(~1.3×10-1 pa, 20분/air gun 사용)로 제거하였다.
페트리 접시(d=138 ㎜)를 준비하고, 상기 혼합물 15 ㎖를 상기 페트리 접시에 도포하여 1 ㎜의 두께를 갖는 여러장의 필름을 미리 준비하였다. 상기 필름은 95 ℃에서 1 시간동안 가열하여 경화시켜 제조하였다.
상기 필름을 유리기판 상에 부착하여 기층부를 형성하고, 상기 기층부 상에 다른 동일한 두께를 갖는 필름을 부착시켜 1층의 표층부를 형성하였다. 이후, 상기 1층의 표층부 상에 동일한 두께를 갖는 다른 필름을 부착하고, 이와 같은 과정을 반복하여 1층(실시예 1), 2층(실시예 2), 3층(실시예 3), 4층(실시예 4), 5층(실시예 5), 6층(실시예 6), 7층(실시예 7), 8층(실시예 8), 9층(실시예 9), 10층(실시예 10)을 갖는 표층부를 형성하여, 일정한 두께의 다중층으로 이루어진 보호필름을 제조하였다. 이때 유리기판은 보호필름을 형성하기 위한 지지부로 보호필름이 완성된 후에는 제거되고, 기층부와 표층부로 이루어진 보호필름만이 사용된다.
이때, 일정한 두께의 필름을 미리 제조하지 않고, 상기 기층부 상에 상기 혼합물을 1 ㎜의 두께가 되도록 도포하여 95 ℃에서 1 시간동안 가열하여 경화하고, 이와 같은 과정을 반복하여 복수층을 갖는 표층부를 형성하여, 일정한 두께의 다중층으로 이루어진 보호필름을 제조할 수 있으나, 미리 필름을 제조하고, 이를 층층이 부착하는 방법이 두께의 제어가 용이하고, 시간을 단축할 수 있어, 본 실험에서는 미리 필름을 제조해두고 이를 층층이 부착시키는 방법을 사용하였다.
비교예 1. 단층의 보호필름
PDMS 키트(실가드(Sylgard) 184, 다우 코닝(Dow Corning))의 예비중합체 및 가교결합제를 10:1(중량 기준)의 비로 혼합하고, 혼합물 내에 발생한 기포를 진공 챔버(vacuum chamber)(~1.3×10-1 pa, 20분/air gun 사용)로 제거하여 보호필름 제조용 조성물을 준비하였다.
페트리 접시(d=138 ㎜)를 준비하고, 상기 혼합물 15 ㎖를 상기 페트리 접시에 도포하여 1 ㎜의 두께가 되도록, 95 ℃에서 1 시간동안 가열하여 경화시켜 기층부를 형성하여, 단층만으로 이루어진 보호필름을 제조하였다.
비교예 2. 기층부와 표층부의 두께가 상이한 보호필름
페트리 접시(petridish)(d=37.5mm)에 4.4 ㎖ 도포하고, 경화시킨 4 ㎜ 두께를 갖는 필름을 제조하였다. 이때 경화는 95 ℃에서 1 시간동안 가열하여 수행하였다.
상기 비교예 1로부터 제조된 보호필름 상에, 상기 4 ㎜ 두께를 갖는 필름을 부착함으로써, 기층부와 두께가 상이한 단층의 표층부를 형성하였고 총 5 ㎜ 두께를 갖는 보호필름을 제조하였다.
비교예 3. 2 ㎜ 두께의 2중층을 갖는 보호필름
페트리 접시(petridish)(d=85mm)에 11.3 ㎖ 도포하고, 경화시킨 2 ㎜ 두께를 갖는 필름을 여러장 제조하였다. 이때 경화는 95 ℃에서 1 시간동안 가열하여 수행하였다.
상기 비교예 1로부터 제조된 보호필름 상에, 상기 2 ㎜ 두께를 갖는 필름을 부착하여 1층의 표층부를 적층하고, 상기 1층의 표층부 상에 2 ㎜ 두께의 필름을 부착하여 각각 2 ㎜ 두께를 갖는 2층의 표층부를 갖는 보호필름을 제조하였다.
비교예 4. 다른 두께의 표층부를 갖는 보호필름-1
페트리 접시(d=138 ㎜)를 준비하고, 상기 혼합물 15 ㎖를 상기 페트리 접시에 도포하고 경화시킨 1 ㎜의 두께의 필름과 페트리 접시(petridish)(d=85mm)에 11.3 ㎖ 도포하여, 경화시킨 2 ㎜의 두께를 갖는 필름을 여러장 제조하였다. 이때 경화는 95 ℃에서 1 시간동안 가열하여 수행하였다.
상기 비교예 1로부터 제조된 보호필름 상에, 1 ㎜ 두께를 갖는 필름을 부착하여 1층의 표층부를 적층하고, 상기 1층의 표층부 상에 다시 1 ㎜ 두께의 필름을 부착하는 과정을 반복하여 3 장을 층층이 적층한, 3층의 표층부를 형성하였다. 상기 3층의 표층부 상면에 2 ㎜ 두께의 필름을 부착하여 1㎜, 1㎜, 1㎜, 2㎜으로 이루어진 4층의 표층부를 갖는 보호필름을 제조하였다.
비교예 5. 다른 두께의 표층부를 갖는 보호필름-2
페트리 접시(d=138 ㎜)를 준비하고, 상기 혼합물 15 ㎖를 상기 페트리 접시에 도포하고 경화시킨 1 ㎜의 두께의 필름과 페트리 접시(petridish)(d=138mm)에 44.8 ㎖ 도포하여, 경화시킨 3 ㎜의 두께를 갖는 필름을 여러장 제조하였다. 이때 경화는 95 ℃에서 1 시간동안 가열하여 수행하였다.
상기 비교예 1로부터 제조된 보호필름 상에, 상기 1 ㎜의 두께를 갖는 각각의 필름을 3층으로 층층이 부착하고, 상기 층 상면에 3 ㎜ 두께를 갖는 필름을 부착하여 1㎜, 1㎜, 1㎜, 3㎜으로 이루어진 4층의 표층부를 갖는 보호필름을 제조하였다.
비교예 6. 다른 두께의 표층부를 갖는 보호필름-3
페트리 접시(petridish)(d=138mm)에 44.8 ㎖ 도포하여, 경화시킨 3 ㎜의 두께를 갖는 필름을 여러장 제조하였다. 이때 경화는 95 ℃에서 1 시간동안 가열하여 수행하였다.
상기 비교예 1로부터 제조된 보호필름 상에, 3 ㎜의 두께를 갖는 필름을 부착하여 1층의 표층부를 적층하고, 상기 1층의 표층부 상에 3 ㎜의 두께를 갖는 필름을 부착하는 과정을 반복하여 각각 3 ㎜ 두께를 갖는 3층을 제조하여, 3 ㎜ 두께의 3층으로 구성된 표층부를 갖는 보호필름을 제조하였다.
비교예 7 내지 12. 패턴층을 갖는 보호필름
1) 보호필름 제조용 조성물 준비
PDMS 키트(실가드(Sylgard) 184, 다우 코닝(Dow Corning))의 예비중합체 및 가교결합제를 10:1(중량 기준)의 비로 혼합하고, 혼합물 내에 발생한 기포를 진공 챔버(vacuum chamber)(~1.3×10-1 pa, 20분/air gun 사용)로 제거하여 보호필름 제조용 조성물을 준비하였다.
패턴층용 고분자 조성물(h-PDMS)을 제조하기 위하여, 우선 h-PDMS 키트(Gelest)의 VDT-731(vinylmethylsiloxane-dimethylsiloxane copolymers terminated with trimethylsiloxy) 2 g, SIP 6831.2LC(platinum-divinyltetramethyl-disiloxane complex in xylene) 10.592 ㎕, SIT 7900.0(1,3,5,7-tetravinyl-1,3,5,7-tetramethylcyclotetrasiloxane) 70.58 mg, HMS-301(methylhydrosiloxane-dimethylsiloxane copolyers with trimethylsiloxy terminated) 0.58 g을 혼합하고, 혼합물 내에 발생한 기포를 진공 챔버(vacuum chamber)(~1.3×10-1 pa, 20분/air gun 사용)로 제거하여 패턴층용 고분자 조성물인 h-PDMS 조성물을 준비하였다.
2) 원뿔형 몰드 준비
실리콘 기판 상에 Langmuir Blodgett 기법을 사용하여, 구형의 고분자 비드(polystyrene bead)를 monolayer로 코팅하였다. 이후 유도결합플라즈마, O2 가스를 이용한 건식 식각 공정을 통해 고분자 비드의 직경을 축소시켰다. 다음 전자빔 증착 장치를 이용하여 줄어든 고분자 비드 사이의 틈에 크롬 마스크 층을 증착하고, 클로로폼을 이용하여 고분자 비드를 상기 마스크 층으로부터 제거하였다. 유도결합플라즈마, Ar, Cl2 가스를 이용하여 고분자 비드가 빠져나간 자리를 건식 식각 공정을 통해 오목한 원뿔형 몰드로 제조하였다.
3) 패턴층의 보호필름 제조
상기 2) 단계를 통해 제조된 원뿔형 몰드에 1) 단계에서 준비한 보호필름 제조용 조성물을 도포하고 경화하였다. 구체적으로 상기 원뿔형 몰드의 오목하게 패턴된 부분을 덮도록 보호필름 제조용 조성물을 스핀 코터에서 6000rpm, 100sec으로 도포하고, 65 ℃에서 30분간 경화하여 패턴층을 형성하였다. 상기 패턴층 상면에 h-PDMS 조성물을 1000 rpm, 30 sec으로 도포하고, 95 ℃에서 1 시간동안 경화하여 기층부를 제조하였다. 패턴층의 붕괴를 방지하기 위하여 메탄올 용액 내에서 상기 원뿔형 몰드와 패턴층을 갖는 보호필름을 분리하여 제조하였다. 각 비교예에서의 층두께와 패턴을 표 1에 정리하였다.
구분 기층부 두께 패턴층
패턴크기
(고분자 비드의 직경, ㎚)		 두께
비교예 7 0.5 ㎜ 0.39 PS 0.5 ㎜
비교예 8 0.5 ㎜ 0.39+0.57 PS 0.5 ㎜
비교예 9 0.5 ㎜ 0.57 PS 0.5 ㎜
비교예 10 1 ㎜ 0.39+0.57 PS 0.7 ㎜
비교예 11 1 ㎜ 0.57 PS 0.7 ㎜
비교예 12 1 ㎜ 0.39 PS 0.7 ㎜
실험예 1. GaAs cell에서의 효율 분석
GaAs 태양전지 상면에 비교예 1 내지 4, 실시예 1 내지 5로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 비교하였다. 상기 태양전지 효율 측정은 전류-전압 곡선 데이터를 분석함으로써 측정하였는데, IEC(International Electrotechnical Commision, 국제전기표준회의) 규격에서 제시하는 특정한 스펙트럼 및 조사강도를 가지는 빛에 태양전지를 노출시킨 후, 태양전지가 출력하는 전류-전압 특성을 측정하였다. 기준 태양전지(KS C IEC 60904-2)를 이용하여 인공광원의 조사강도를 1-SUN, 100mW/cmㅂ, AM1.5G에 맞추었고, 광원으로는 xenon lamp(SAN-EI ELECTRIC Co., Ltd.)를 사용하였으며, K730 solar cell I-V parameter test software(McScience)를 사용하여 측정하였다. 이하, 특별히 언급된 내용이 없다면, 태양전지의 효율은 상술한 방법을 사용하여 측정하였다.
상기 비교예 1 내지 3, 실시예 1 내지 5의 보호필름 각각을 한국과학기술연구원으로부터 제공받은 0.5 ㎝ × 0.5 ㎝ 크기의 갈륨비소(이하 GaAs라고도 한다.) 벌크형 태양전지 상부면에 부착(접착)시켰다. 상기 GaAs 태양전지의 구조는 도 3에서와 같이 n-GaAS 기판으로부터 n-GaAs 버퍼층, n-GaInP층, n-GaAs층, p-GaAs층, p-GaInP층 및 AR 층(Si3N4)으로 구성되었다. 상기 태양전지 상부면에 아무것도 부착하지 않거나(대조군, GaAs), 비교예 1 내지 3, 실시예 1 내지 5의 보호필름 각각을 부착하였다.
상기 비교예 1 내지 3, 실시예 1 내지 5의 보호필름은 기층부의 하단에 접착력을 가지고 있어, 추가적인 공정없이도 스티커와 같이 간단히 접촉시키는 것만으로 부착되며, 추후 오염시 쉽게 제거가 가능하다.
도 5는 실험예 1에서의 보호필름이 부착되지 않은 GaAs 태양전지 구조를 나타낸 사진(a)과 GaAs 태양전지 상에 실시예 2로부터 제조된 보호필름을 부착한 모습을 촬영한 사진(b)으로, 본 발명의 보호필름은 투명성이 매우 우수하여, 태양전지의 광투과에 전혀 악영향을 미치지 않고 있음을 알 수 있다.
도 6은 GaAs 태양전지 상면에 비교예 1, 실시예 1 내지 5로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 측정하여 나타낸 그래프로, 보호필름의 표층부의 층수가 증가할수록 태양전지의 효율이 오히려 상승하고 있음을 알 수 있다. 아무것도 부착하지 않거나(bare(GaAs)), 기층부만 존재하는 보호필름(비교예 1)이 부착된 태양전지는 25%의 효율을 그대로 가지고 있었으나, 실시예 1의 보호필름을 부착한 순간부터 1% 증가하였고, 실시예 5의 보호필름을 부착한 경우 5% 이상 증가하였음을 확인하였다. 즉 본 발명에 따른 보호필름은 외부의 환경으로부터 태양전지를 보호할 뿐만 아니라 효율도 1~5% 이상 현저히 개선하고 있음을 알 수 있다. 태양전지 분야에 있어서 최적화된 구조의 태양전지로부터 1%의 효율 상승 효과를 도모할 수 있다는 것은 매우 유의한 의미를 갖는 것이다. 또한 본 발명의 보호필름은 탈부착이 용이하여, 오염시 제거하고 새롭게 교체할 수 있으므로 매우 유용하다.
도 7은 GaAs 태양전지 상면에 비교예 2, 3 및 실시예 4로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 측정하여 나타낸 그래프로, 적층된 보호필름의 총 두께가 동일할 경우 표층부를 구성하는 층의 두께에 따라 효율 상승정도가 2% 이상 차이가 나고 있음을 알 수 있다.
즉, 동일한 재질, 동일한 총 두께를 가지고 있다고 하더라도 표층부를 구성하는 층들 중에서 어느 하나의 층이라도 두께가 1.5 ㎜를 벗어날 경우에는 bare(GaAs)에 비해 2% 이상의 효율 증가 효과를 얻을 수 없다는 단점이 있다.
실험예 2. 태양전지 si cell(monocrystalline)에서의 효율 분석
si 태양전지(monocrystalline) 상면에 비교예 4 내지 6, 실시예 4 내지 10으로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 비교하였다.
상기 비교예 4 내지 6, 실시예 4 내지 10의 보호필름 각각을 ㈜솔레이텍으로부터 구입한 0.5 ㎝ × 0.5 ㎝ 크기의 si 태양전지(monocrystalline) 벌크형 태양전지 상부면에 부착(접착)시켰다. 상기 si 태양전지(monocrystalline)의 구조는 n,p-metal finger, SiO₂ passivation, n,p-diffusion, n-type base, n+ FSF, SiO₂ passivation, AR coating으로 구성되었다. 상기 태양전지 상부면에 아무것도 부착하지 않거나(대조군, bare(si)), 비교예 4 내지 6, 실시예 4 내지 10의 보호필름 각각을 부착하였다.
상기 비교예 4 내지 6, 실시예 4 내지 10의 보호필름은 기층부의 하단에 접착력을 가지고 있어, 추가적인 공정없이도 스티커와 같이 간단히 접촉시키는 것만으로 부착되며, 추후 오염시 쉽게 제거가 가능하다.
도 8은 실험예 2에서 보호필름이 부착되지 않은 si 태양전지(monocrystalline)를 촬영한 사진(a)과 si 태양전지(monocrystalline) 상에 실시예 10으로부터 제조된 보호필름을 부착한 모습을 촬영한 사진(b)으로, 1층의 기층부와 9층의 표층부로 구성된 실시예 10의 보호필름이 태양전지 상에 적층되었으나, 여전히 투명한 것을 확인하였다.
도 9는 si 태양전지(monocrystaliine) 상면에 실시예 4 내지 10로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 측정하여 나타낸 그래프로, 도 9에 나타난 바와 같이, 표층부의 층수가 증가할수록 태양전지의 효율이 현저히 증가하고 있음을 확인하였다.
아무것도 부착하지 않거나(bare(si))은 태양전지의 경우 15%의 효율을 그대로 가지고 있었으나, 실시예 4의 보호필름을 부착한 순간부터 1% 이상 증가하였고, 실시예 10의 보호필름을 부착한 경우 3% 이상 증가하였음을 확인하였다. 즉 본 발명에 따른 보호필름은 외부의 환경으로부터 태양전지를 보호할 뿐만 아니라 효율도 1~3% 이상 현저히 개선하고 있음을 알 수 있다. 태양전지 분야에 있어서 최적화된 구조의 태양전지로부터 1%의 효율이라도 상승시킬 수 있다는 것은 매우 유의한 의미를 갖는 것이다. 또한 본 발명의 보호필름은 탈부착이 용이하여, 오염시 제거하고 새롭게 교체할 수 있으므로 매우 유용하다.
도 10은 si 태양전지(monocrystaliine) 상면에 실시예 4, 5, 8 및 비교예 4 내지 6으로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 측정하여 나타낸 그래프로, 표층부의 각 층의 두께가 동일한 경우(실시예 4-8)은 15->17% 이상으로 효율이 증가하는 것을 확인하였다. 이에 반해 실시예 4-8과 동일한 재질, 동일한 총 두께를 가지고 있지만, 각 층의 두께가 전혀 상이한 비교예 4-6의 경우, 실시예보다 1% 이상 낮은 것을 확인하였다.
즉, 표층부를 구성하는 층들 중에서 어느 하나의 층이라도 두께가 1.5 ㎜를 벗어날 경우에는 bare(si) 대비 1% 이상의 효율 증가만을 얻을 수 있다는 한계가 존재함을 확인하였다. 본 발명의 보호필름은 2% 이상의 효율 증대효과를 가지는데, 동일한 재질과 동일항 총두께를 가지더라도 보호필름의 내부구조가 달라지게 되면, 태양전지의 효율 상승 효과를 절반밖에 달성하지 못하는 문제가 발생한다.
실험예 3. 태양전지 si 모듈(module)에서의 효율 분석
태양전지 si 모듈(module) 상면에 비교예 1, 실시예 1 내지 5로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 비교하였다.
상기 비교예 1, 실시예 1 내지 5의 보호필름 각각을 ㈜솔레이텍으로부터 구입한 9 ㎝ × 1.6 ㎝ 크기의 조각셀 4개를 2 ㎜ 간극으로 직렬 연결한 9 ㎝ × 7 ㎝의 태양전지 si 모듈(module) 상부면에 부착(접착)시켰다. 상기 태양전지 si 모듈(module)의 구조는 metal backing, p-Si, p-n junction, n-Si, AR coating, metal contact, PVC coating로 구성되었다. 상기 태양전지 상부면에 아무것도 부착하지 않거나(대조군, si(module)), 비교예 1, 실시예 1 내지 5의 보호필름 각각을 부착하였다.
상기 비교예 1, 실시예 1 내지 5의 보호필름은 기층부의 하단에 접착력을 가지고 있어, 추가적인 공정없이도 스티커와 같이 간단히 접촉시키는 것만으로 부착되며, 추후 오염시 쉽게 제거가 가능하다.
도 11은 실험예 5에서 보호필름이 부착되지 않은 태양전지 si 모듈(module)을 촬영한 사진(a)과 태양전지 si 모듈(module) 상에 실시예 5로부터 제조된 보호필름을 부착한 모습을 촬영한 사진(b)으로, 실제 보호필름을 적용하였을 때, 태양전지의 투명성을 전혀 해하지 않는 것을 확인하였다. 즉 본 발명의 보호필름은 외부의 물리적 화학적 영향으로부터 태양전지를 보호할 수 있다. 외부의 환경에 의해 보호필름이 파손된 경우, 보호필름만을 탈착하여 교체하면 되고, 상기 보호필름은 접착을 통해 탈부착이 용이하므로, 태양전지를 교체하는 것보다 비용을 훨씬 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 12는 태양전지 si 모듈(module) 상면에 비교예 1, 실시예 1 내지 5로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)을 측정하여 나타낸 그래프로, 이를 살펴보면 상기 보호필름의 표층부 층수가 증가할수록 태양전지의 효율이 현저히 증가하고 있음을 확인하였다.
아무것도 부착하지 않거나(bare(si)), 비교예 1의 보호필름을 부착한 경우 15.5%의 효율을 그대로 가지고 있었으나, 실시예 1의 보호필름을 부착한 순간부터 효율이 증가하기 시작하여, 실시예 5의 보호필름을 부착한 경우 1% 이상 증가하였음을 확인하였다. 즉 본 발명에 따른 보호필름은 외부의 유해한 환경으로부터 태양전지를 보호할 뿐만 아니라 태양전지의 에너지 변환 효율도 1% 이상 현저히 개선하고 있음을 알 수 있다. 태양전지 분야에 있어서 최적화된 구조의 태양전지로부터 0.1%의 효율이라도 상승시킬 수 있다는 것은 매우 유의한 의미를 갖는 것이다. 또한 본 발명의 보호필름은 탈부착이 용이하여, 오염시 제거하고 새롭게 교체할 수 있으므로 매우 유용하다.
도 13은 GaAs 태양전지 상면에 비교예 1, 실시예 1 내지 10으로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 반사도(reflectance %)를 측정하여 나타낸 그래프로, 이때, 제일 위에 있는 청색 선이 비교예 1이고, 청색 선을 시작으로 화살표 방향으로 실시예 1부터 10을 나타낸다. 본 발명에 있어서 태양전지의 반사도는 IPCE mesurement system을 이용하여 측정하였다.
도 13에 따르면 상기 보호필름의 표층부 층수가 증가할수록 태양전지의 반사도가 감소하고 있음을 확인하였다. 비교예 1의 보호필름을 부착한 경우보다 350~400 ㎚의 파장범위에서 약 5% 반사도가 감소하였음을 확인하였다. 즉 본 발명에 따른 보호필름은 외부의 환경으로부터 태양전지를 보호할 뿐만 아니라, 반사도를 감소시켜 태양전지로부터 반사되는 빛을 방지하고, 빛 흡수율을 증가시켜, 태양전지의 에너지 변환 효율(도 6 및 12)을 1~5% 이상 현저히 개선하고 있음을 확인하였다. 태양전지 분야에 있어서 최적화된 구조의 태양전지로부터 단 0.1%의 효율이라도 상승시킬 수 있다는 것은 매우 큰 의미를 가지며, 본 발명의 보호필름은 우수한 반사 방지 및 빛 흡수량 증가 효과를 가지고 있음을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 보호필름은 그 재료와 구조가 단순한데 비해, 탈부착이 용이하여, 오염시 제거하고 새롭게 교체할 수 있고, 태양전지의 효율을 상승시키는 등 다양하고 우수한 기능들을 가지고 있다.
실험예 4. 태양전지 GaAs에서의 효율 분석
도 14는 태양전지(GaAs 태양전지)의 표면에 비교예 7 내지 12로부터 제조된 보호필름을 부착하였을 때의 구조를 나타낸 단면도이다. (a)는 비교예 7로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이고, (b)는 비교예 8로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (c)는 비교예 9로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (d)는 비교예 10으로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (e)는 비교예 11로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이며, (f)는 비교예 12로부터 제조된 보호필름을 부착한 것이다.
도 15는 GaAs 태양전지 상면에 비교예 1, 실시예 1 내지 5 및 비교예 7 내지 12로부터 제조된 보호필름을 부착한 후, 이들의 태양전지 효율(efficiency %)를 측정하여 나타낸 그래프이다.
상기 태양전지 효율 측정은 전류-전압 곡선 데이터를 분석함으로써 측정하였는데, IEC(International Electrotechnical Commision, 국제전기표준회의) 규격에서 제시하는 특정한 스펙트럼 및 조사강도를 가지는 빛에 태양전지를 노출시킨 후, 태양전지가 출력하는 전류-전압 특성을 측정하였다. 기준 태양전지(KS C IEC 60904-2)를 이용하여 인공광원의 조사강도를 1-SUN, 100mW/cmㅂ, AM1.5G에 맞추었고, 광원으로는 xenon lamp(SAN-EI ELECTRIC Co., Ltd.)를 사용하였으며, K730 solar cell I-V parameter test software(McScience)를 사용하여 측정하였다.
도 15에 나타난 바와 같이, 실시예와 비교예로부터 제작된 보호필름은 동일한 재질을 사용하되, 패턴층의 존재 유무에 차이가 있는 것으로, 이들 각각이 접착된 태양전지에서의 효율을 비교한 것이다. 패턴층이 존재하는 비교예 7 내지 12보다 실시예 1 내지 5의 보호필름이 적층된 태양전지가 효율이 현저히 증가하였음을 확인할 수 있다. 태양전지의 효율이 최소 1% 이상 최대 5%까지 증가하였음을 알 수 있다. 실시예 1 내지 5의 보호필름이 비교예 7 내지 12의 보호필름보다 총 두께가 두껍고 구조도 더 단순한데 반해, 종래 알려진 바와 달리 패턴층이 없는 본 발명의 보호필름이 태양전지의 기능을 현저히 향상시키고 있음은 전혀 예상치못한 범위의 것이다.
실시예 1 내지 5로부터 제조된 보호필름이 부착된 태양전지(flat)와 비교예 1, 7 내지 12로부터 제조된 보호필름이 부착된 태양전지(pattern)에 대하여 에너지 변환 효율을 측정한 결과를 살펴보면, 보호필름이 아예 적용되지 않은 태양전지의 경우 25% 미만의 효율을 가지고 있고, 기층부만 존재하는 보호필름이 부착된 태양전지(비교예 1)의 경우 25%의 효율을 가지며, 패턴층을 갖는 보호필름(비교예 7 내지 12)이 부착된 태양전지의 경우에는 최대 26~27%의 효율을 가지는 것을 확인하였다. 이에 반해 본 발명의 실시예 1 내지 5의 보호필름이 부착된 태양전지는 최소 26% 효율부터 30% 효율까지 에너지 변환 효율이 증가한 것을 확인하였다. 즉, 약 1%~5% 이상 에너지 변환 효율이 증가한 것을 확인하였다.
또한, 패턴층을 갖는 보호필름을 사용한 태양전지(비교예 7-12)에 비해 본 발명의 태양전지(실시예 1-5)는 약 1 내지 3.5 % 에너지 변환 효율이 증가한 것을 확인하였다.
이때 사용한 태양전지 셀(GaAs)은 이미 AR층을 구비하고 있는 등, 높은 에너지 변환 효율을 위해 구조가 개선된 것으로, 이미 25%의 에너지 변환 효율 증가를 달성한 것을 사용하였다.
즉, 본 발명은 개선된 구조를 갖는 태양전지 셀이라도 본 발명에 따른 보호필름을 단순 부착한다면, 단숨에 최소 1%에서 최대 5% 가량 에너지 변환효율을 추가적으로 상승시킬 수 있음을 나타내는 것으로, 단 0.1% 에너지 변환 효율의 증가라도 큰 의미를 갖는 태양전지 분야에서 본 발명의 효과 상승은 매우 현저한 의미를 지니고 있다.
게다가 본 발명의 보호필름은 빛 반사 방지, 빛 흡수율 증가 효과를 가져, 태양전지의 에너지 변환 효율을 최대 5%까지 상승시키고 있음과 더불어, 구조 및 제조과정이 단순할 뿐만 아니라, 태양전지의 보호효과와 탈부착이 용이하다는 장점까지 가지고 있다는 점에서, 현저히 우수한 효과를 달성하고 있음을 확인할 수 있다.
즉, 최종 완성된 태양전지에 있어서, 본 발명에 따른 보호필름(실시예 1-5)은 패턴층을 갖는 보호필름(비교예 7-12)보다 큰 의미를 지니는 정도의 추가적인 에너지 변환 효율 상승 효과를 나타내며, 본 발명에 따른 보호필름(실시예 1-5)에서 1 %이상 최대 5 %가량 큰 의미를 지니는 현저히 우수한 에너지 변환 효율을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
게다가, 구조가 단순하고, 제조공정이 쉽고 간단한데 비해, 반사방지 효과와 더불어 빛 흡수율 증가 효과를 가지며, 외부환경으로부터 태양전지를 보호할 수 있으며, 탈부착이 용이하여 쉽게 교체가능하다는 장점이 있다.
종래에는 태양전지 자체에 패턴층이나 반사방지막이 구비되어 있고, 태양전지의 표면 또는 일부분이 외부 환경에 의해 오염될 경우 태양전지 전체를 다시 구매하거나 설치하여야 하는 번거로움이 있었다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 탈부착 기능을 갖는 보호필름을 제공함으로써, 외부환경으로부터 태양전지를 보호하면서, 빛 반사를 방지하고 빛 흡수율을 높여, 태양전지의 효율을 1~5% 증가시키고, 오염될 경우 쉽게 교체가능하므로, 비용을 절감할수 있도록 하는 장점을 갖는다.
패턴층으로 형성된 보호필름의 경우 패턴을 형성하기 위하여 추가적인 제조공정이 요구될 뿐만 아니라, 패턴층으로 형성된 보호필름의 경우 두께가 증가함에 따른 효율 증가 효과가 미미하고, 오히려 상대적으로 효율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

Claims (10)

  1. 접착력을 갖는 기층부; 및
    상기 기층부의 일면에 적층되고, 0.1 내지 1.5 ㎜의 두께를 갖는 층이 적어도 둘 이상 포함된 표층부;로 구비되고,
    상기 기층부 및 표층부는 서로 동일하게 폴리디메틸실록산(PDMS), 폴리카보네이트(PC), 폴리우레탄(PUR), 아크릴레이트, 풀리메틸아크릴레이트(PMMA), 폴리비닐리덴풀루오라이드(PVDF), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 에틸렌테트라플루오로에틸렌(ETFE) 및 플루오르화에틸렌프로필렌(FEP)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나이며,
    상기 표층부에 포함된 층이 둘 이상일 때, 각 층은 서로 동일한 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 탈부착이 가능한 접착식 태양전지용 보호필름.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 표층부는 2 내지 20 층 중에서 선택되는 어느 하나의 층수로 구비되는 것을 특징으로 하는 탈부착이 가능한 접착식 태양전지용 보호필름.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지용 보호필름은 350 내지 400 ㎚ 파장의 빛에 대한 반사도가 35~40%인 것을 특징으로 하는 탈부착이 가능한 접착식 태양전지용 보호필름.
  7. Ⅰ) 보호필름 제조용 조성물을 도포하고 경화하여 기층부를 제조하는 단계; 및
    Ⅱ) 상기 기층부의 일면에 보호필름 제조용 조성물을 도포하고 경화하여 0.1 내지 1.5 ㎜의 두께를 갖는 층을 제조하되, 이 과정을 반복하여 적어도 둘 이상의 층으로 이루어진 표층부를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 보호필름 제조용 조성물은 폴리실록산계 고분자, 경화제, 실란 커플링제 및 유기용매를 포함하며,
    상기 Ⅱ) 단계에서 형성되는 표층부의 층이 둘 이상일 때, 각 층의 두께는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 탈부착이 가능한 접착식 태양전지용 보호필름의 제조방법.
  8. a) 보호필름 제조용 조성물을 도포하고, 경화하여 일정한 두께의 필름을 제조하고, 상기 필름을 층층이 부착하여 기층부와 적어도 하나 이상의 층을 갖는 표층부로 구성된 태양전지용 보호필름을 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 보호필름 제조용 조성물은 폴리실록산계 고분자, 경화제, 실란 커플링제 및 유기용매를 포함하며,
    상기 표층부에 포함된 층이 둘 이상일 때, 각 층의 두께는 서로 동일한 것을 특징으로 하는 탈부착이 가능한 접착식 태양전지용 보호필름의 제조방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 보호필름 제조용 조성물은 상기 폴리실록산계 고분자 100 중량부에 대하여, 실록산계 경화제 1 내지 20 중량부; 알콕시 실란 화합물 중에서 선택된 실란 커플링제 0.005 내지 5 중량부로 포함하는 것을 특징으로 하는 탈부착이 가능한 접착식 태양전지용 보호필름의 제조방법.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 경화는 90 내지 100 ℃, 0.5 내지 2 시간동안 수행하는 것을 특징으로 하는 탈부착이 가능한 접착식 태양전지용 보호필름의 제조방법.
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