KR20060080437A - 광전 소자 봉지재 및 이를 채용한 태양 전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 형광체 및 양자점을 포함하는 광전 소자 봉지재 및 이를 포함한 태양 전지 모듈을 개시한다.

본 발명에 따른 봉지재는 입사광의 손실을 줄이면서도 안정적으로 자외선을 차단하며 이를 채용한 태양 전지 모듈은 향상된 에너지 변환 효율을 보여준다.

형광체, 양자점, 봉지재, 태양 전지 모듈

Description

광전 소자 봉지재 및 이를 채용한 태양 전지 모듈{Photovoltaic device encapsulation material and solar cell module containing the same}

도 1 은 본 발명에 따른 봉지재의 적층 상태를 나타내는 개략도이다.

도 2 는 본 발명에 다른 태양 전지 모듈의 적층 상태를 나타내는 개략도이다.

<도면에 사용된 부호의 설명>

1: 제 1 파장 변환층 2: 제 2 파장 변환층

3: 전면 커버 4: 봉지재

5: 태양 전지 6: 후면 커버

7: 연결 단자

본 발명은 광전 소자 봉지재 및 이를 채용한 태양 전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 입사광의 손실 없이 자외선을 차단하는 광전 소자 봉지재 및 이를 채용하여 에너지 변환 효율을 개선한 태양 전지 모듈에 관한 것이다.

근래 환경 문제로 인해 오염이 없는 새로운 에너지원이 요구되고 있으며 이 에 대한 유력한 후보 중의 하나가 태양 전지 이다. 이러한 태양 전지 중에서도 염료 감응 태양 전지로 대표되는 유기 태양 전지는 제조 비용이 저렴하다는 점에서 주목으로 받고있다. 또한 유기 태양 전지는 상대적으로 전지의 형태 등의 변화가 용이하여 다양한 형태로 제조할 수 있어 플렉시블 태양 전지로도 불린다.

그러나, 상기 태양 전지의 약점으로 지적되고 있는 것이 에너지 변환 효율이 낮다는 점이다. 태양광은 자외선, 가시광선 및 적외선을 포함하는 넓은 파장 영역을 갖고 있지만, 이러한 빛이 태양 전지 모듈에 입사해도 전지가 흡수할 수 있는 파장은 제한적이다. 다시 말해, 태양 전지가 흡수할 수 있는 빛의 파장은 사용되는 전지의 고유한 물성 즉 밴드 갭에 의해 결정되기 때문에 상기 밴드 갭과 다른 에너지 범위에 속하는 빛은 에너지 변환에 사용되지 않는다. 예를 들어 루테늄 계열의 착화합물을 염료로 사용하는 염료 감응 태양 전지의 경우에 가시광선 영역인 300 내지 700㎚ 범위의 빛만을 흡수한다. 따라서 상기 범위 외의 빛은 단지 통과할 뿐이고 주로 가시광선과 일부 자외선만을 흡수하여 입사광을 이용하는 효율이 낮다.

또한 상기 태양광 중에서 자외선은 대부분 에너지 변환에 이용되지 않을 뿐만 아니라 자외선 고유의 높은 에너지로 인하여 태양 전지에 유해한 효과를 가져온다.

예를 들어, 태양 전지는 일반적으로 습기 및 먼지 등의 외부 환경 변화를 차단하기 위해 투명 고분자 등으로 이루어진 봉지재로 포장된 모듈 상태로 제조된다. 이러한 모듈을 구성하는 고분자들이 자외선 등에 장기간 노출될 경우 열화가 일어나 색이 바래면서 탁하게 불투명해진다. 따라서, 태양광의 투과율이 급격히 감소하 여 결국 전지의 에너지 변환 효율을 저하시키게 된다.

따라서, 이러한 자외선을 차단하기 위해 일반적으로 자외선 흡수제를 첨가하지만 이들은 일정 시간이 지나면 고분자 등에서 빠져나오거나 360㎚ 이하는 짧은 파장만을 흡수하여 360 내지 400㎚ 사이의 자외선은 흡수하지 못하는 등의 한계를 보이고 있다.

이를 해결하기 위한 종래 기술로는 다음과 같은 것들이 있다.

미국 특허 등록 제 6,093,757 호는 결정성 광전지의 봉지재에서 360 내지 400㎚ 사이의 자외선에 대비하여 가교 결합(cross-linking) 기술로 중합하여 봉지재의 안전성을 확보하였다. 즉, 자외선 흡수제의 첨가 없이도 자외선에 견딜 수 있다는 장점이 있다. 그러나 전지의 에너지 변환 효율은 자외선 흡수제를 넣었을 경우와 차이가 없다.

일본 특허 공개 제 1995-202243, 1996-004147 호 등은 태양 전지 표면에 무기 및 유기 형광체를 도포한 봉지재를 위치시켜 흡수한 자외선의 파장을 변환시켜 발전에 사용할 수 있는 가시광선 파장 영역의 빛의 양을 증가시켰다. 단순히 자외선을 흡수하는 기능 외에도 전지의 에너지 변환 효율을 향상시킨다는 것이 장점이다. 그러나 무기 형광체는 마이크로 수준의 입자 크기를 가지고 태양 전지 표면상에 존재하기 때문에 입사광의 일부가 형광체에 의해 반사되거나 형광체에 흡수되어 입사광의 손실을 야기할 수 있다는 단점이 있고 유기 형광체는 내구성이 떨어진다는 단점이 있다.

한편, 양자점은 보어(Bohr) 엑시톤 반경보다 더 작은 크기 즉, 수 나노 미터 의 크기를 가지는 금속 또는 반도체의 나노 결정으로서 전자를 3차원적으로 매우 좁은 영역에 구속함으로써 전자의 에너지 준위를 제한하여 새로운 광학적 및 전자적 특성을 나타낸다(Appl. Phys. A: Solids Surf. 53, 465 (1991)). 이러한 양자점은 양자 컴퓨터, 발광 다이오드(LED), 고체 레이저, 생체분자의 라벨링 및 태양 전지 등 다양한 분야에서 이용 가능하다.

상기 양자점은 그 크기에 따라 에너지 준위가 달라지기 때문에 종래에는 예를 들어 일정한 밴드 갭을 갖는 반도체를 얻기 위해 여러 가지 금속의 혼합이 필요하였으나 양자점의 경우에는 단순히 크기를 바꾸어 줌으로써 밴드갭을 조절할 수 있다는 점이 종래 재료들과 다르다. 따라서 입자 크기에 따라 각종 물성이 달라진다.

예를 들어, 상기 양자점은 종래의 형광체와 같이 자외선을 흡수하여 적색 편이된 파장을 내놓는 광발광(photoluminescence)이 가능한데 입자 크기에 따라 적색 편이되어 방출되는 파장의 값이 달라진다. 즉 방출되는 빛의 색깔이 달라진다. 또한, 상기 양자점은 크기가 수 나노미터 수준이므로 양자점에 의한 입사광의 반사, 산란 등의 손실이 미미하다는 장점이 있다. 그러나, 종래의 양자점은 발광이 가능한 경우에도 발광이 시간이 경과함에 따라 점차 감소하는 등 안정성이 떨어지는 단점도 있다.

이와 관련하여 미국 특허 등록 제 6,476,312 호는 양자점을 이용하여 광전지에 입사하는 빛을 모으는 집광 장치를 구비한 광전지를 개시하고 있다. 그러나, 상기 특허는 단지 양자점을 이용하여 입사광의 파장을 변화가 가능하다는 개념적인 것으로서 실제 구현시 안정적인 광발광이 어렵다는 단점이 있다.

따라서 상기 종래 기술들이 가지는 문제점을 해결하여 입사광의 손실을 줄이면서도 자외선을 차단하여 전지의 효율 향상을 가져올 수 있는 안정성있는 봉지재가 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 첫번째 기술적 과제는 입사광의 손실을 줄이면서도 안정적으로 자외선을 차단할 수 있는 봉지재를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 두번째 기술적 과제는 상기 봉지재를 채용하여 입사되는 가시광선의 양을 증가시켜 광전 소자의 효율을 향상시킬 수 있는 태양 전지 모듈을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 형광체 및 양자점을 포함하는 광전 소자 봉지재를 제공한다.

본 발명은 상기 두번째 기술적 과제를 달성하기 위하여 상기 봉지재를 채용한 태양 전지 모듈을 제공한다.

본 발명에 따른 봉지재는 입사광의 손실을 줄이면서도 안정적으로 자외선을 차단하며 이를 채용한 태양 전지 모듈은 향상된 에너지 변환 효율을 보여준다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 구현예는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 구현예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 구현예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어 지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되어진 것이다.

본 명세서에서 형광체는 종래의 일반적인 유기계 또는 무기계 형광체만을 의미하며 특히 별도 표기가 없을 경우에는 무기계 형광체만을 의미한다. 그리고, 비록 양자점이 광발광 특성 즉 형광 특성을 보여 일종의 형광체 역할을 하지만 구분을 위해 본 명세서에서는 양자점으로 표기하기로 한다.

도 1 은 본 발명에 따른 형광체 및 양자점을 포함하는 봉지재의 구성을 개략적으로 개시한 도면이다. 도면에 개시된 바와 같이 형광체를 포함하는 제 1 파장 변환층(1) 및 양자점을 포함하는 제 2 파장 변환층(2)의 형태로 구현될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 파장 변환층은 두꺼울수록 빛의 투과율이 떨어지기 때문에 가급적 얇은 것이 바람직하다. 또한 상기 변환층을 적층할 경우에는 계면에서 굴절률의 차이 등으로 빛의 굴절 및 반사가 일어나므로 단일층으로 제조하는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 상기 형광체 및 양자점은 서로 입자의 크기가 수십 내지 수백 배의 차이가 있어 균일한 분산이 어려워 입사광을 효율적으로 이용할 수 없는 바 별개의 층으로 제조하는 것이 적절하다.

상기 도 1 에 있어서 제 1 파장 변환층(1)은 형광체를 포함한다. 상기 형광체는 무기 형광체인 것이 바람직하다. 유기 형광체는 상기 종래 기술에 언급한 바와 같이 내구성에 문제가 있어 장기간 사용에 부적합하기 때문이다. 무기 형광체( 이하 형광체라고 칭한다)는 일반적으로 형광등 또는 디스플레이 장치에 주로 사용된다. 이러한 형광체는 입경이 5 내지 30㎛ 정도가 바람직하며 이보다 크기가 작아질 경우에는 형광체의 발광 효율이 감소하는 것으로 알려져 있다.

그러나, 종래 기술에 상술한 바와 같이 봉지재에 존재하는 형광체의 크기가 상기와 같이 클 경우에는 전지에 입사하는 빛을 반사, 흡수 또는 굴절 등으로 잃어버리는 양이 커져 형광체가 자외선을 흡수하여 다시 가시광선으로 방출함으로써 얻어지는 이득보다 더 큰 가시광선의 손실을 가져올 수 있다.

따라서, 일정한 형광체 발광 효율의 감소가 있더라도 형광체의 입자 크기를 줄여 더 많은 양의 빛 특히 가시광선이 형광체를 통과하여 전지에 도달할 수 있도록 하고 감소한 형광체 발광 효율은 다른 수단으로 보완하는 것이 바람직하다. 이러한 수단으로 양자점이 적합하다. 이에 관하여는 양자점을 포함하는 제 2 파장 변환층에서 자세히 설명한다.

상기 형광체의 크기에 관하여 추가적으로 설명하면, 형광체의 크기를 감소시켜 그 크기가 빛의 파장보다 작을 경우에는 빛의 입사를 방해하는 형광체에 의한 빛의 굴절, 반사 및 산란 중에서 굴절 및 반사는 크게 감소하지만 산란은 형광체의 크기가 작은 경우에도 피할 수 없다. 다만 이러한 경우의 산란은 입자입경/파장의 비가 1 보다 작을 때 발생하는 레일레이 (Rayleigh) 산란으로 분류된다. 레일레이 산란에서 입자의 입경이 더욱 감소할수록 산란광의 세기가 더욱 약해지므로, 입자의 입경이 작을수록 산란을 더욱 줄일 수 있다.

그러므로, 본 발명에 사용되는 형광체의 입경은 10 내지 500㎚가 바람직하며 보다 바람직하게는 10 내지 300㎚ 이며 가장 바람직하게는 10 내지 100nm 미만이다. 10㎚ 미만인 경우에는 발광 감소 현상이 발생하는 문제가 있다. 상기 형광체는 일반적으로 알려진 발광 및 인광 현상을 주는 무기 물질을 전부 포함하며 예를 들어 각종 형광등 및 브라운관 등에 사용되고 있는 유기 형광체, 무기 형광체, 유기 인광체 등의 발광체 및 형광체가 여기에 해당한다.

보다 구체적으로는, 500㎚ 이상의 빛을 방출하여 전지에 공급할 수 있는 물질이 바람직하고 예를 들어 화학 조성이 La₂O₂S:Eu, (Ba,Sr)₂SiO ₄:Eu, ZnS:(Cu,Al), Sr₅(PO₄)₃:Eu, BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu, Sr ₅(PO₄)₃Cl:Eu, ₃(Ba,Mg)Oㆍ8Al₂O₃:Eu, ZnO:Zn, Zn₂SiO₄:Mn, Zn₂GeO₄:Mn, YVO₄:Eu, Y₂ O₂S:Eu, 0.5MgF₂ㆍ3.5MgOㆍGeO₂:Mn, ZnS:Cu, Y₂O₃:Eu 등의 무기 화합물이고 가장 바람직하게는 La₂O₂S:Eu, (Ba,Sr)₂SiO₄:Eu , Sr₅(PO₄)₃Cl:Eu 이다.

상기 형광체는 다양한 매질 속에 존재할 수 있다. 예를 들어 상기 형광체 미립자는 일반적인 투명 고분자내에 도포 또는 배합될 수 있다. 바람직한 고분자로는 에틸렌-비닐아세테이트 공중합체(EVA), 폴리비닐 부티랄(PVB), 폴리메틸메타 아크릴레이트, 폴리 카보네이트, 폴리에스터, 폴리 에틸렌, 폴리 프로필렌, 폴리 스티렌, 폴리 아클릴레이트 등이 있다. 가장 바람직하게는 내습성이 우수한 EVA 가 적합하다.

상기 고분자에 형광체를 배합하여 봉지재로 사용되는 막을 만드는 것은 당해 기술 분야의 일반적인 방법에 의한다. 예를 들어, 형광체를 배합한 고분자 용액을 스핀 코팅, 압착 연신 등에 의하여 필름으로 만들거나, 가장자리를 밀봉한 얇은 유리 기판들 사이에 형광체가 배합된 단량체 용액을 주입한 후 자외선 등으로 경화시켜 고분자 필름을 형성할 수도 있다.

한편, 상기에 언급한 바와 같이 형광체의 크기를 감소시킬 경우 전체적으로 전지에 도달하는 빛의 양은 증가하지만 자외선을 적외선으로 변환시키는 형광체의 발광 효율이 감소하는 문제가 있으므로 상기 효율 감소를 해결할 수 있는 수단이 필요하게 되며 그러한 소재로서 양자점이 바람직하다. 양자점은 자외선을 조사할 경우에 매우 높은 발광 효율을 나타내기 때문이다.

상기 도 1 을 다시 참조하여 설명하면, 마이크로 수준의 크기를 가지는 종래 형광체에 비해 크기가 감소한 본 발명의 형광체가 포함된 제 1 파장 변환층(1)에 빛이 도달하면 반사 등에 의해 손실되는 빛의 양은 줄어들어 제 1 파장 변환층을 통과하는 빛의 양이 증가한다. 다만 상기 형광체가 자외선을 흡수하여 가시광선으로 전환하는 효율이 감소하므로 종래 크기가 큰 형광체에 비해 제 1 파장 변환층에서 추가로 발생하는 가시광선의 양은 오히려 감소한다. 그러나 상기 제 1 파장 변환층을 통과한 빛이 양자점을 포함하는 제 2 파장 변환층에 도달하면 양자점이 높은 효율로 흡수한 자외선을 가시광선으로 전환해 주므로 전체적으로 발생한 가시광선의 양은 크기가 큰 종래 형광체로 인해 발생한 가시광선의 총량보다 많아진다. 따라서, 결과적으로 손실되는 입사광을 줄이면서도 형광체의 발광 효율의 실질적인 저하 없이 자외선을 가시광선으로 변환시켜 전지의 에너지 변환 효율이 향상된다.

상기 목적을 달성하기 위해서는 양자점이 장기적으로 높은 발광 효율을 유지하는 안정성을 가질 것이 요구된다.

양자점의 안정성을 살펴보면, 일반적으로 양자점은 코어/쉘의 구조로 이루어질 경우에 코어 단독으로 있는 경우보다 안정성이 향상되는 것으로 알려져 있다. 양자점 내부에 코어를 이루는 입자가 존재하고 그 외부가 다른 물질로 입혀진 구조를 형성할 경우 코어 표면에 존재하는 국소적인 결점(defect)들이 더 큰 밴드 갭을 가진 쉘에 의해 비활성화(passivated) 됨으로써 빛에 대한 더 높은 안정성과 양자 수율(quantum yield) 즉 발광 효율를 보여주게 되기 때문이다.

그러나, 상기 코어/쉘 구조가 양자점의 안정적인 발광효율을 유지하는 것을 보장하지는 않는다. 다만, 상기 코어/쉘은 제조시 반응 용매가 리간드로 주위에 배위되어 있는 상태로 얻어지는데 이러한 용매는 다른 유기 리간드로 쉽게 치환될 수 있으며 이것이 양자점의 안정성도 향상시키는 것으로 알려져 있다(JACS 2003, 125, 3901). 즉 주로 부피가 큰(bulky) 리간드가 양자점 주위에 배위되면 양자점을 둘러싸는 박스의 역할을 하여 양자점의 안전성을 증가시킨다는 것이다. 부피가 큰 리간드로는 덴드론 (Dendron;N,N-디알릴-2-({2-{[2-비스-디알릴카바모일메틸-아미노]-에틸}-(2-머캅토-에틸)-아미노}-에틸)-디알릴카바모일-메틸-아미노)-아세트아미드) 등이 있다.

따라서 본 발명에서는 양자점의 리간드를 부피가 큰 것으로 치환하여 양자점을 제조하였으며 상기 치환된 리간드를 구비한 양자점은 양호한 안정성을 보여주었다.

본 발명의 양자점을 제조하는 방법은, II족 원소 함유 화합물 및 VI족 원소 함유 화합물을 반응시켜 II족 및 VI족 원소 함유 화합물 코어를 형성하는 단계; II족 원소 함유 화합물 및 VI족 원소 함유 화합물을 반응시켜, 상기 코어 표면에 코어보다 밴드 갭이 더 큰 II족 및 VI족 원소 함유 화합물 쉘을 형성하는 단계; 및 상기 코어/쉘의 리간드를 티올(thiol)계열의 부피가 큰 리간드로 치환하는 단계를 포함한다.

구체적으로는 먼저 트리-n-옥틸포스핀 옥사이드(TOPO, 30g) 용매 속에서 셀레늄(Se) 트리-n-옥틸포스핀(TOP) 용액 및 디메틸 카드뮴(Me₂Cd) 을 반응시켜 코어를 제조한다. 상기 TOPO 및 TOP 당해 기술 분야에서 널리 알려진 캡핑 리간드이며 II족 원소 함유 화합물 및 VI족 원소 함유 화합물을 반응시키는 습식 방법이다. 이후에 1차 아민을 캡핑 리간드로 첨가하여 발광 효율을 증가시킨다. 다음으로, TOPO 용매속에서 CdSe 코어, 디메틸 카드뮴(Me₂Cd), 디에틸징크(Et₂Zn), 비스(트리메틸시릴)설파이드(((Me₃)Si₂)S) 및 TOP 를 반응시켜 쉘을 제조한다. 코어의 경우와 마찬가지로 II족 원소 함유 화합물 및 VI족 원소 함유 화합물을 사용하였다. 다만 밴드 갭이 더 크다. 마지막으로 상기 코어/쉘을 티올 함유 리간드 용액과 반응시켜 리간드를 치환하였다. 이렇게 하여 코어/쉘/티올계 리간드의 구조를 가지는 양자점이 얻어졌다.

상기 양자점에서 코어/쉘을 구성하는 물질들은 (II족 및 VI족)/(II족 및 VI족), (III족 및 V족)/(III족 및 V족), (IV족 및 VI족)/(IV족 및 VI족) 및 (II족 및 VI족)/ (II족 및 VI족) 로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상인 것이 바람직하며, 보다 구체적으로는 CdSe/ZnS, CdSe/CdS, ZnTe/ZnS, CdS/HgS, CdS/ZnS 등으로 코어/쉘이 이루어진 군에서 선택되는 1 종이 바람직하고, 리간드로는 티올 계열의 부피가 큰 화합물이 바람직하며 구체적으로는 8-머캅토멘손(8-mercaptomenthone), 1-헥사데칸티올(1-Hexadecanethiol) 및 펜타에리스리톨 테트라(3-머캅토프로피오네이트)(Pentaerythritol tetra(3-mercaptopropionate)) 로 이루어진 군에서 선택되는 1 종이 바람직하다.

상기 방법으로 제조되는 양자점은 용매에 콜로이드 상태로 분산되어 있는 것이 일반적이다. 따라서 이러한 콜로이드를 그대로 파장 변환층으로 사용하는 것도 가능하다.

이러한 용매로는 지방산을 포함하는 각종 산, 아민, 포스핀, 포스핀 옥사이드, 탄화수소, 에테르, 알코올, 케톤 및 에스테르로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상이 바람직하다. 보다 바람직하게는 에탄올, 톨루엔 및 1-헥사데실아민이 적합하다.

그 외에도 상기 코어/쉘 양자점들은 다양한 매질 속에 존재할 수 있다. 예를 들면 용매에 콜로이드 상태로 존재하거나 유리, 고분자 내에 도포 또는 배합될 수 있다. 상기 양자점들이 유리 또는 고분자에 배합 또는 도포되어 사용되는 경우에는 나노 복합재료(nano composite)로 불리기도 한다. 이러한 목적에 적합한 고분자로는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 에틸렌비닐아세테이트(EVA, 초산 비닐), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등이 바람직하나 이에 한정되지 않으며 태양광의 투과 율이 높은 어떠한 재료도 가능하다.

상기 용매 또는 고분자 등에 양자점들을 포함시켜 봉지재로 사용되는 필름 등을 만드는 것도 당해 기술 분야에 알려진 일반적인 방법에 의한다. 예를 들어, 유리 기판 사이에 다공성 고분자층을 형성하고 상기 양자점이 분산된 용매에 주입하여 모세관 현상에 의해 상기 용매가 고분자층에 골고루 퍼지게 할 수 있다. 다르게는, 밀봉된 유리 구조물 또는 고분자 필름에 상기 용매를 주입할 수도 있다. 스핀 코팅, 압착 등으로 고분자 필름을 만들거나 단량체를 이용하는 경우는 상기 형광체를 이용한 경우와 동일하다.

본 발명에서, 상기 제 1 및 제 2 파장 변환층은 서로 별개로 제조될 수도 있으나 하나의 적층 필름으로 제조하는 것도 가능하다. 예를 들어, 형광체가 배합된 고분자 용액을 압착 연신하여 제 1 파장 변화층을 형성한다. 그런 후에, 그 상부에 내습성, 내화학성이 우수한 투명 필름, 다공성 필름 및 상기 투명 필름을 순서대로 적층한다. 다공성 필름층에 양자점이 포함된 용액을 주입하여 제 2 파장 변화층을 형성한다. 이렇게 함으로써 플렉시블한 적층 필름 봉지재를 만들 수 있다.

상기 봉지재는 빛에 노출되거나 자외선을 차단할 필요가 있는 모든 종류의 소자에 사용될 수 있으며 특히 광전 소자에 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명의 태양 전지 모듈은 상기 봉지재를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 태양 전지 모듈은 도 2 에 나타난 바와 같이 전면 커버(3;front cover), 후면 커버(6;back cover), 태양 전지(5), 봉지재(4) 및 연결 단자(7)로 구성된다. 또한 상기 구성 요소에는 착색제, 산화 방지제, 변색 방지제 등이 사용될 수 있다. 상기 봉지 재는 전면 커버와 전지 사이 그리고 후면 커버와 전지 사이에 위치하는 것이 바람직하다. 상기 태양 전지 모듈의 제조는 당해 기술 분야에 알려진 일반적인 방법에 의해 제조될 수 있으며 사용되는 태양 전지 셀은 비정질 실리콘형, 결정질 실리콘형, 염료 감응형 등 모든 형태의 태양 전지가 가능하나 염료 감응형 전지가 특히 바람직하다.

이하의 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 단, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것이지 이들만으로 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

봉지재 제조

실시예 1

먼저, EVA(초산 비닐 함량 26 중량%) 100 중량부에 대해, 2,5-디메틸-2,5-디(t-부틸퍼옥시)헥산1.3 중량부, 알릴 이소시아네이트 2 중량부, γ-메타크릴 옥시 프로필 트리 메톡시 실란 0.3 중량부, 평균 입경 300㎚인 Y₂O₂S:Eu 0.2 중량부, 및 4,4 -디아미노스틸벤-2,2 -술폰산 나트륨 0.3 중량부를 포함하는 조성물을 80℃로 가열한 롤 밀(roll mill)을 이용하여 혼합하고 상기 조성물을 2장의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 사이에 주입하고 프레스를 이용하여 EVA를 주성분으로 하는 두께 0.6mm의 시트를 제조하고 이것을 실온이 될 때까지 냉각시켜 제 1 파장 변환층을 제조하였다.

다음으로 열가소성 고분자인 Surlyn®1702(DuPont)를 상부에 구멍이 뚫린2장 의 유리판 사이에 주입하고 120℃ 에서 압착시켜 두께 3mm의 시트를 제조하였다. 여기에 CdSe/ZnS/덴드론 코어/쉘/리간드 양자점 콜로이드 용액을 상부의 구멍으로 모세관 현상을 이용하여 주입하고 상기 구멍을 순간적으로 가열하여 밀봉하였다. 이것으로 제 2 파장 변환층을 제조하여 봉지재를 완성하였다.

실시예 2

실시예 1과 동일하다. 다만 양자점의 리간드로 덴드론 대신에 8-머캅토멘손(8-mercaptomenthone)을 사용하였다.

실시예 3

실시예 1과 동일하다. 다만 양자점의 리간드로 덴드론 대신에 1-헥사데칸티올(1-hexadecanethiol)를 사용하였다.

실시예 4

실시예 1과 동일하다. 다만 양자점의 리간드로 덴드론 대신에 펜타에리스리톨 테트라(3-머캅토프로피오네이트)( Pentaerythritol tetra(3-mercaptopropionate )를 사용하였다.

비교예 1

실시예 1 과 동일하다. 다만 양자점의 리간드를 치환하지 않고 제조된 코어/쉘 양자점을 그대로 사용하였다.

비교예 2

실시예 1 과 동일하다. 다만, 제 2 파장 변환층을 제거하였다.

비교예 3

비교예 2 와 동일하다. 다만, 평균 입경 300㎚인 Y₂O₂S:Eu 대신에 평균 입경 20㎛인 것을 사용하였다.

태양 전지 모듈 제조

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3 의 봉지재를 사용하여 태양 전지 모듈을 제조하였다.

상기 제 1 파장 변환층의 폴리에틸렌 테레프탈레이트 필름을 벗기고, 제 2 파장 변환층인 유리, 전면 커버인 유리, 염료 감응 태양 전지 및 후면 커버(2장의 38㎛ 두께의 테들라(Tedlar) 및 이들 사이에 삽입되는 30㎛ 두께의 알루미늄 박막으로 구성되는 3층 적층판)를 적층하고 150℃로 설정된 진공 라미네이터(laminator)로 예비 압착했다. 상기 예비 압착된 적층체를 155℃ 오븐에서 30분간 가열하고 가교 및 접착을 행하여 태양 전지 모듈을 완성하였다.

양자점 코어/쉘/리간드의 제조

CdSe 코어 합성:

범프 트랩(bump trap) 및 써모커플이 장착되어 있고 스터링 바를 구비한 라운드 플라스크에서 트리-n-옥틸포스핀 옥사이드(이하 TOPO로 약칭한다, 30g)를 진공이 걸린 상태에서 맨틀로 180℃로 1시간 동안 가열하여 기체를 제거하였다. 그런 후에 상기 용해된 반응물을 건조 질소 분위기 하에서 350℃로 가열하였다.

이와 별도로 불활성 분위기의 글로브 박스 내에서 Se(360㎎)과 디메틸 카드뮴(230㎕)을 트리-n-옥틸포스핀(이하 TOP로 약칭한다, 20㎖)에 혼합하여 녹였다.

상기 TOPO가 용해된 플라스크에서 열을 제거한 다음 격렬하게 교반되고 있는 TOPO에 TOP용액을 한번에 재빠르게 주입하였다. 상기 주입 후, 온도는 265℃로 떨어지며 이것을 다시 290℃로 가열하였다. 이때 시간당 1℃의 기울기로 온도를 증가시키며 상기 코어 입자의 방출 스펙트럼의 최대값이 608㎚에 이르면 가열을 중지하였다. 이후 상기 반응물을 100℃로 식혔다. 데실 아민(11mL)을 시린지로 첨가하고 밤새도록 가열하였다.

CdSe/ZnS 코어/쉘 합성:

상기와 동일한 반응 장치를 이용하여 TOPO(15g)를 180℃로 3시간 동안 가열하여 기체를 제거한 후 질소 분위기에 두고 60℃로 식혔다. 여기에 상기 CdSe 코어가 들어있는 용액의 일부(3.4㎖)를 디메틸 카드뮴 용액(10mL TOP에 120㎕)과 함께 상기 TOPO에 주입하였다. 그런 후에 상기 반응물을 215℃로 가열하였다.

디에틸징크(208mg), 비스(트리메틸시릴)설파이드(300mg) 및 TOP(12.3g)으로 이루어진 쉘 형성 용액을 약 1시간에 걸쳐 상기 반응물에 적하하였다. 상기 용액을 첨가한 후 상기 반응물을 215℃로 10분간 유지하였다.

마지막으로, 상기 반응물을 90℃로 식히고 TOPO의 고형화를 막기 위해 20mL의 부탄올을 첨가한 후 밤새도록 교반하였다.

리간드 치환:

상기 CdSe/CdS 양자점을 포함하는 용액(20mg)을 덴드론(N,N-디알릴-2-({2-{[2-비스-디알릴카바모일메틸-아미노]-에틸}-(2-머캅토-에틸)-아미노}-에틸)-디알 릴카바모일-메틸-아미노)-아세트아미드) 150mg이 녹아있는 MeOH/CHCl₃ 1:1 용액 15mL에 첨가하고 테트라메틸 알모늄 히드록사이드로 pH를 10.3으로 맞춘 후 밤새도록 상온에서 반응시킨다.

제조된 양자점 용액에 많은 양의 메탄올을 첨가하여 양자점들을 침전시켜 분리하였다. 분리된 입자들을 다시 PBr₃에 분산시켜 CdSe/ZnS/덴드론 리간드 양자점 콜로이드 용액을 완성하였다.

기타 다른 리간드를 구비한 양자점들의 제조 방법도 CdSe/ZnS/덴드론의 경우와 동일하다.

에너지 변환 효율 측정

상기 방법으로 제조된 태양 전지 모듈들을 AM 1.5조건(100mW/㎠)에서 전류-전압을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 광원으로는 1000W 황램프를 사용하였으며 실리콘 태양전지(Frunhofer Institute Solare Engeriessysteme, Certificate No. C-ISE369, Type of material: Mono-Si+KG filter)를 이용하여 AM 1.5 조건으로 빛의 세기를 조절하였다. 효율은 양자점의 안정성을 평가하기 위해 제조 후 24시간 후와 2주 후에 각각 측정하여 그 평균값을 사용하였다.

[표 1]

	양자점의 리간드 종류	형광체의 평균 입경(nm)		전지 셀의 효율(%)
실시예 1	덴드론	300		5.08
실시예 2	8-머캅토멘손	300		4.80
실시예 3	1-헥사데칸티올	300		4.72
실시예 4	펜타에리스리톨 테트라(3-머캅토프로피오네이트)	300		4.81
비교예 1	TOPO	300		4.80
비교예 2	양자점 없음	300		4.63
비교예 3	양자점 없음	20000		4.78

표 1에 나타난 바와 같이 실시예들의 에너지 변환 효율은 비교예들에 비하여 상대적으로 우수한 전지 셀 효율을 보여 주었다. 또한 실시예의 태양 전지는 시간이 경과하여도 에너지 변환 효율에 거의 변화가 없어 양자점의 안정적인 발광 효율을 보여주었다. 이것은 형광체의 감소한 입경이 빛의 투과율을 높여주고 감소한 형광체의 발광 효율을 양자점이 효과적으로 보완하였기 때문으로 판단된다.

본 발명에 따른 봉지재는 입사광의 손실을 줄이면서도 안정적으로 자외선을 차단하여 이를 채용한 태양 전지 모듈은 향상된 에너지 변환 효율을 보여준다.

Claims (8)

1. 형광체 및 양자점을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전 소자 봉지재.
2. 제 1 항에 있어서,

   형광체가 포함되는 제 1 파장 변환층; 및

   양자점이 포함되는 제 2 파장 변환층;

   을 구비하는 것을 특징으로 하는 광전 소자 봉지재.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 형광체의 평균 입경이 10 내지 300nm인 것을 특징으로 하는 광전 소자 봉지재.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 형광체가 무기형광체, 유기형광체 및 유기인광체로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 광전 소자 봉지재.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 양자점이 코어/쉘/티올계 리간드 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 광전 소자 봉지재.
6. 제 1 항에 있어서 상기 양자점의 코어/쉘이 CdSe/ZnS, CdSe/CdS, ZnTe/ZnS, CdS/HgS 및 CdS/ZnS로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 광전 소자 봉지재.
7. 제 1 항에 있어서 상기 양자점의 리간드가 덴드론, 8-머캅토멘손, 펜타에리스리톨 테트라(3-머캅토프로피오네이트) 및 1-헥사데칸티올로 이루어진 군에서 선택되는 1 종 이상인 것을 특징으로 하는 광전 소자 봉지재.
8. 제 1 항 내지 7 항 중 어느 한 항에 따른 봉지재를 채용하는 것을 특징으로 하는 태양 전지 모듈.

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