KR20100097196A - 광기전 모듈용 광발광 백킹 시트 - Google Patents

광기전 모듈용 광발광 백킹 시트 Download PDF

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KR20100097196A
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마리나 템첸코
데이비드 윌리암 아비손
프랭크 안토니 마나리노
사무엘 림
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마디코, 인크.
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Abstract

본 발명은 광기전 모듈용 보호 백킹 시트를 제공한다. 백킹 시트는 태양광 파장(UV, IR 및 가시광선)의 넓은 범위를 흡수할 수 있고, 흡수된 태양 방사선을 광양자로서 재-방출하고, 그 에너지는 대응하는 반도체의 밴드 갭 에너지 정도나 그보다 크다. 백킹 시트는 광기전 장치를 포함하여 다양한 응용분야에서 이용될 수 있다.

Description

광기전 모듈용 광발광 백킹 시트{PHOTOLUMINESCENT BACKING SHEET FOR PHOTOVOLTAIC MODULES}
본 발명은 광기전 모듈에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 보호용 백킹 시트에 관한 것이다.
본 출원은 2008년 1월 30일자에 출원된 미국 가출원 제61/009,978호의 이익을 주장하며, 가출원의 전체는 본 출원에 참조로서 통합되었다.
광기전 모듈에 의하여 이용되는 태양에너지는 현 세기에서 고갈되고 있는 화석 연료에 대한 가장 유망한 대안의 하나이다. 그러나, 광기전 모듈의 제조 및 설치는 여전히 비용이 많이 드는 공정이다. 일반적인 광기전 모듈은 유리나 유연성 투명한 전면시트(front sheet), 태양 전지, 인캡슐런트(encapsulant), 보호용 백킹 시트(backing sheet), 모듈의 에지를 커버하는 보호용 밀봉부 및 밀봉부를 커버하는 알루미늄제의 주변 프레임으로 구성된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 전면 시트(10), 백킹 시트(20) 및 인캡슐런트(30, 30')는 전지(40)의 배열을 기상 인자, 습기, 기계 부하 및 충격으로부터 보호하도록 구성되어 있다. 또한, 이들은 사람들의 안전과 전류 손실을 방지하기 위한 절연을 제공한다. 보호용 백킹 시트(20)는 광기전 모듈의 효율 및 라이프사이클을 향상시키기 위한 것으로, 광기전 전기의 와트(watt)당 비용을 감소시킨다. 전면 시트 (10) 및 인캡슐런트(30, 30')는 높은 빛 투과성을 위하여 투명해야 하고, 백킹 시트는 심미적인 목적을 위하여 높은 불투명성을 갖고 기능적 목적을 위하여 높은 반사율을 가져야 한다. 무게 감소를 포함하는 다수의 이유, 특히 군사적인 적용(군복에 통합된 것 등) 뿐만 아니라 건축학적인 적용(광기전 통합형 건물) 및 우주에서의 적용을 위하여 가볍고 얇은 태양 전지 모듈이 바람직하다. 또한, 가볍고 얇은 모듈은 비용을 감소시키는데 기여한다. 또한, 많은 소비재의 감소는 "녹색(greener)" 기술을 이루게 하여, 천연 자원을 더 아낄 수 있다.
가볍고 얇은 태양 전지를 제조하기 위한 방법으로는 가볍고 얇은 백킹 시트를 통합하는 것이다. 그러나, 이면의 커버재(covering material)는 광기전 요소, 와이어 및 전극과 같은 기본 부품에서 부식(rusting)을 초래하고 태양 전지를 손상시킬 수 있는 수증기 및 물의 침투를 방지하기 위하여 높은 내수성(moisture registance)을 가져야 한다. 또한, 백킹 시트는 전기적 절연, 기계적 보호, UV 보호, 인캡슐런트에 대한 접착성 및 출력 리드를 부착시키기 위한 성능을 제공하여야 한다.
현재 이용되는 보호용 백킹 시트는 일반적으로 라미네이트(laminate)이다. 도 2는 일반적인 라미네이트 백킹 시트(20)의 일례를 제공한 것이다. 상기 라미네이트는 핵심 성분으로서 가장 흔한 Tedlar®인 폴리비닐플루오르(22), 폴리에스테르(PET)(24) 및 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)(26)의 공중합체(copolymer)의 필름으로 구성된다. 상기 EVA 층(26)은 모듈에서 인캡슐런트 층(30)과 부착되어, 유전체 층(dielectric layer)으로서의 역할을 하며 양호한 수분 장벽 특성을 갖는다. 이는 차원적으로 안정적이다. 백색 EVA는 전력 증가를 가능하게 한다. 상기 폴리에스테르 층(24)은 매우 단단하고, 우수한 유전체 특성을 갖고, 차원적으로 안정적이고, 또한 양호한 수분 장벽 특성도 갖는다. 상기 폴리비닐플루오르 층(22)은 우수한 내후성 층으로서의 역할을 한다.
광기전(PV) 장치는 입사 태양에너지를 유용한 전력으로 효율적으로 변환할 수 있는 특징을 갖는다. 결정성(crystalline) 또는 무정형(amorphous)의 실리콘을 이용하는 장치는 23% 또는 그 이상의 효율을 달성할 수 있다. 그러나, 효율적인 결정형 장치는 제조하기가 어렵고 비싸다. 저 비용의 전력을 생산하기 위하여, 태양 전지는 고효율로 작동해야 한다.
광기전(PV) 모듈의 효율 및 유효성을 증가시키기 위하여 다수의 기술이 제안되었다. 하나의 접근방법은 태양 전지용 보호 후면 시트(back sheet)로 광 반사를 향상시키는 것이다.
그러나, 종래 기술은 많은 시간이 소요되며 비용이 많이 든다. 예를 들어, 하나의 접근방법은 각이 진 작은 광 반사면(angular reflecting facets)을 제공하는 복수의 V-형상 홈(grooves)을 갖는 후면 시트를 이용하는 것을 제안하였다. 이러한 구조의 물질은 여러 단계로 제조된다. 먼저, 기질로서의 역할을 하는 필름이 평평한 전면 및 후면을 갖는 연속적이거나 연장된 망(web)으로 제조되고, 그 연속적인 망은 이후의 처리를 위하여 롤에 감겨진다. 다른 처리는 일측에 V-형상 홈을 형성하기 위하여 필름을 먼저 엠보싱하고, 이어서 필름의 홈 면을 금속화하는 것을 포함한다. 필름은 가열되고 두 롤러 사이에서 통과함에 따라, 필름은 엠보싱 롤러의 릿지(ridge)에 의하여 형태를 이루도록 충분히 연화된다. 홈이 형성된 후, 플라스틱 필름은 금속화 처리를 받고, 접착 금속 필름이 형성된다. 금속화 필름은 이후에 광 반사기 수단으로 이용하기 위하여 롤에 감겨진다.
본 발명은 광기전 모듈용 보호 백킹 시트를 제공한다. 백킹 시트는 태양광 파장(UV, IR 및 가시광선)의 넓은 범위를 흡수할 수 있고, 흡수된 태양 방사선(solar radiation)을 광양자(photon)로서 재-방출하고, 그 에너지는 대응하는 반도체의 밴드 갭 에너지 정도나 그보다 크다. 백킹 시트는 다층 구조의 모든 층의 반사율을 증가시켜서 높은 반사율 및 전력 출력을 제공한다. 백킹 시트는 광기전 장치를 포함하여 다양한 응용분야에서 이용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 광발광 물질을 갖는 폴리머 층을 포함하는 광기전 모듈용 백킹 시트가 제공된다. 상기 폴리머 층은 약 20 내지 60 중량%의 백색 안료를 함유할 수 있다. 상기 광발광 물질은 자외선을 흡수하고, 자외선을 가시광선으로 재-방출할 수 있는 능력을 갖는다. 상기 광발광 물질은, 예를 들어 광학 증백제(optical brightener)일 수 있다.
상기 백킹 시트는 내후성 필름의 제1 외층을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 백킹 시트는 폴리에스테르, EVA, 폴리부타디엔, 폴리아크릴레이트, 폴리이미드, 라텍스, 마그네슘 플루오라이드, 파릴렌 (parylene), 열 소산재(heat dissipating materials), 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 액정 폴리머, 아크라(aclar), 알루미늄, 알루미늄 옥사이드 증착 폴리에스테르, 실리콘 옥사이드/실리콘 나이트라이드 증착 폴리에스테르, 알루미늄 옥사이드 증착 폴리카보네이트, 실리콘 옥사이드/실리콘 나이트라이드 증착 폴리카보네이트, 가교(crosslinkable) 작용기를 갖는 알루미늄 옥사이드 증착 플루오로 공중합체, 가교 작용기를 갖는 실리콘 옥사이드/실리콘 나이트라이드 증착 플루오로 공중합체 중 하나 이상의 층을 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 백킹 시트를 갖는 광기전 모듈의 전력을 증가시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 광발광 물질을 광전지(photovoltaic cells)를 향하는 백킹 시트의 적어도 일부에 또는 모든 층에 혼합하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 백킹 시트를 갖는 광기전 모듈의 전력을 증가시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 광발광 물질을 포함하는 코팅을 광전지를 향하는 백킹 시트의 적어도 일부에 또는 모든 층에 도포하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 백킹 시트를 갖는 광기전 모듈의 전력을 증가시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 비선형(non-linear) 광학 물질을 포함하는 코팅을 광전지를 향하는 백킹 시트의 적어도 일부에 또는 모든 층에 도포하는 것을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 백킹 시트를 갖는 광기전 모듈의 전력을 증가시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 비선형 광학 물질을 광전지를 향하는 백킹 시트의 적어도 일부에 또는 모든 층에 혼합하는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 광기전 모듈용 보호 백킹 시트는 모든 층의 반사율을 증가시켜서 높은 반사율 및 전력 출력을 제공하고, 상기 백킹 시트는 광기전 장치를 포함해서 다양한 응용분야에서 이용될 수 있다.
본 발명의 보다 나은 이해를 위하여, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 일반적인 광기전 모듈의 구성요소를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 백킹 시트의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3은 일반적인 여기와 제조된 광발광 물질의 광발광 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4는 태양 패널의 효율성에 관하여 착색 수지에 광학 증백제를 첨가한 효과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 태양 패널의 Pmax에 관하여 착색 수지에 광학 증백제를 첨가한 효과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 태양 전지 및 모듈의 전류 대 전압 특성(I-V)의 일반적인 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 7은 태양 패널의 Isc에 관하여 착색 코팅에 광학 증백제를 첨가한 효과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 태양 패널의 Pmax에 관하여 착색 코팅에 광학 증백제를 첨가한 효과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 동일한 백색 EVA를 모두 이용하는 6개의 상이한 제품 구조에 관한 종래의 3개 층의 백 시트 구성에 대하여 440 nm 에서의 반사율을 나타낸 그래프이다.
개요
본 발명은 광기전(PV) 모듈을 위한 보호용 백킹 시트를 제공한다. 상기 백킹 시트는 태양광 파장(UV, IR 및 가시광선)의 넓은 범위를 흡수할 수 있고, 흡수된 태양 방사선을 광양자로서 재-방출하고, 그 에너지는 대응하는 반도체의 밴드 갭 에너지(band gap energy) 정도나 그보다 크다. 상기 백킹 시트는 광기전 장치를 포함하여 다양하게 응용될 수 있다.
"광기전 효과(photovoltaic effect)"는 기본적인 물리 과정이고, 이 과정을 통하여 PV 전지는 태양광을 전기로 변환한다. 태양광은 광양자 또는 태양에너지의 입자로 구성된다. 이러한 광양자는 태양 스펙트럼의 서로 다른 파장에 대응하는 다양한 에너지를 포함한다. 광양자가 PV 전지에 부딪치는 경우, 광양자는 반사되거나 흡수될 수 있고, 또는 광양자는 바로 통과할 수 있다. 반도체의 밴드 갭 에너지 정도나 그보다 큰 에너지를 갖는 흡수된 광양자만이 전기를 발생시킬 수 있다. 이 경우에, 광양자의 에너지는 전지(반도체)의 원자에서 전자로 전이된다. 상기 전지 또는 전지들 사이를 통과한 광양자는 백킹 시트에 의하여 흡수되고 재-방출된다. 상기 백킹 시트로부터 재-방출된 빛은 태양 전지로 되돌아가고, 반도체 물질에 의하여 전류로 변환된다. 그 결과, 본 발명의 백킹 시트는, PV 모듈을 위한 보호용 백킹 시트로 이용되는 경우에, 통상의 백킹 시트에 비하여 효율적인 전력 증가를 가져온다.
백킹 시트( Backing Sheet )
본 발명의 백킹 시트는 백킹 시트를 제조하는데 일반적으로 이용되는 통상의 폴리머의 임의의 물질로 이루어질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 하나 이상의 백색 안료와 하나 이상의 광발광 물질의 조합은 필름이나 시트를 형성하기 위하여 폴리머 매트릭스에 혼합된다. 본 발명의 다른 실시예에서, 백킹 시트는 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 광발광 물질을 함유하는 코팅을 폴리머 필름에 도포시켜서 제조된다. 본 발명에서는 다수의 방식이 가능하다.
상기 백킹 시트의 주요 특성은 여러 파장의 태양 방사선을 흡수하는 기능 및 흡수된 태양 방사선을 대응하는 반도체의 밴드 갭 에너지 정도나 그보다 큰 에너지를 갖는 광양자로 전환하는 기능을 수행하는 것이다. 이하에서 후술하는 바와 같이, 이는 백색 안료와 광발광 물질의 조합을 하나 이상의 백킹 시트 층에서 이용함으로써 본 발명의 일 실시예에서 쉽고 간단하게 달성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 백킹 시트는 추가의 선택적인 층을 포함하고 라미네이트로 형성된다. 예를 들어, 상기 라미네이트는 광기전(PV) 모듈과 같은 전자 장치에서 이용될 수 있다. PV 모듈용 보호 백킹 시트로서 이용되는 경우, 라미네이트는 모듈의 전력 출력을 증가시키고, 장기간 이용하여도 심미적인 만족감을 계속 유지하고, PV 모듈에서 발생된 전류를 위한 효율적인 보호를 제공하고, 높은 절연 내력(dielectric strength)을 나타낸다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 라미네이트는 (a) 내후성 필름의 제1 외층; (b) 적어도 하나의 중간층; 및 (c) 태양광 파장(UV, IR 및 가시광선)의 넓은 범위를 흡수할 수 있고, 흡수된 태양 방사선을 대응 반도체의 밴드 갭 에너지 정도나 그보다 큰 에너지를 갖는 광양자로 변환할 수 있는 제2 외층(또는 내층이나 광발광층으로 나타냄)을 포함한다. 광기전 모듈에서 이용되는 경우, 라미네이트의 제1 외층은 주위 환경에 노출되고, 내층은 태양 전지 및 태양 방사선에 노출되거나 태양 전지 및 태양 방사선을 향한다.
본 발명의 다른 실시예에서, 라미네이트의 복합 반사율(composite reflectance)은, 여러 파장의 태양 방사선을 흡수할 수 있고, 흡수된 태양 방사선을 대응 반도체의 밴드 갭 에너지 정도나 그보다 큰 에너지를 갖는 광양자로 변환할 수 있는 하나 이상의 층을 포함함으로써 증가된다. 예를 들어, 전술한 라미네이트에서, 상기 제1 외층 및/또는 중간층도 후술할 내층과 같은 방법으로 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 광발광 물질과 혼합된다. 이러한 방식은 순수 반사율(net reflectance)의 큰 증가 및 모듈의 더 효율적인 전력 출력을 발생시킨다.
본 발명의 라미네이트의 각각의 층은 함께 접합될 수 있다. 본 발명의 라미네이트를 형성하는 구체적인 방법은 라미네이트의 최종 용도뿐만 아니라, 층의 구성 및 최종적인 라미네이트의 요구 특성에 따라 변화할 것이다.
상기 내층 또는 광발광층은 임의의 물질로 이루어질 수 있지만, 일반적으로 하나 이상의 폴리머로 이루어진다. 일례로, 내층은 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA)로 이루어진다. 상기 EVA의 비닐 아세테이트 함량은 대체로 약 2 내지 33 중량%이고, 2 내지 8 중량%가 바람직하다. 백색 안료와 광발광 물질의 조합은 원하는 광발광을 이루기 위하여 EVA(또는 다른 폴리머) 매트릭스에 혼합된다.
임의의 백색 안료가 이용될 수 있다. 예를 들어, 티타늄 디옥사이드(예를 들ㅇ어 DuPont 사에 의하여 제조된 티타늄 디옥사이드 계열의 Ti-Pure®), 칼슘 카보네이트, 리소폰(lithopone), 황산아연, 알루미늄 옥사이드, 보론 나이트라이드 등이 이용될 수 있다. 다시, 본 발명의 적용에 따라서, 백색 안료는 일반적으로 약 20-60 중량%를 함유하도록 내층의 폴리머에 첨가된다. 이중, 티타늄 디옥사이드가 쉽게 이용가능하여 바람직하다.
바람직하게는, 광발광 물질은 백색 안료와 결합하여 내층에 첨가되지만, 안료 없이 첨가될 수 있고 및/또는 백킹 시트의 모든 층 또는 라미네이트의 하나 이상의 층에 첨가될 수 있다. 다수의 층에 광발광 물질을 첨가하면 라미네이트의 순수 반사율을 증가시킨다. 광발광은 빛의 흡수 및 재-방출로 이루어지는 완전한 과정이다. 통상적인 안료는 에너지를 흡수 및 반사하는 반면에, 광발광 물질은 흡수, 반사 및 재-방출한다. 이들은 일반적으로 약 0.01-30.0 중량%를 함유하도록 내층에 첨가된다.
광발광 물질의 일례로 광학 증백제를 들 수 있다. 광학 증백제는 형광을 내며 특히 백킹 시트에서 바람직하게 이용된다. Ciba® UVITEX® OB 같은 광학 증백제는 자외선(UV)을 흡수하고 이를 가시광선으로 재-방출한다. 상이한 에너지 갭을 갖는 상이한 반도체에 대하여, 조화특성을 갖는 다른 광발광 물질은 쉽게 확인되고 백킹 시트에 혼합된다.
광발광 물질의 다른 예로 BASF 사제의 염료(쿠마린 및 페릴렌에 기초한) 또는 라이트리더(Lightleader Co., Ltd) 사제의 물질을, 예를 들어 YG-1F을 들 수 있다. 일반적인 여기(좌측)와 광발광 스펙트럼(우측)이 도 3에 도시되어 있다. 또한, 금속 플루오라이드 형광체(phosphors) 같은 비선형 광학물질이 이용될 수 있다. 이들 형광체는 적외선(IR)을 여러 형태의 가시광선으로 변환하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 내층 또는 광발광층은 백색 안료 및 광발광 물질을 함유하는 가교가능한 유기용제 가용성 및/또는 수분산성의 무정형 플루오로 폴리머의 매트릭스이다. 특정 실시예에서 테트라플루오로에틸렌(TFE)과 반응성 OH기를 갖는 하이드로카본 올레핀의 공중합체를 포함한다. 상기 층은 플루오로 공중합체와 혼합된 가교제를 더 포함한다.
가교제는 포함하는 보호용 코팅의 형성에서 유기용제 불용성 무점착(tack-free) 필름을 얻기 위하여 이용된다. 바람직한 가교제로는 DuPont Tyzor® 유기 티타네이트, 시레인(silanes), 이소시아네이트, 멜라민 등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 지방족 이소시아네이트는 이러한 필름이 일반적으로 30년 이상 야외에서 사용하므로 내후성을 확보하기 위하여 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에서, DuPont 사로부터 상업적으로 입수가능한 Tedlar. RTM. 폴리비닐 플루오로라이드 같은, 백색으로 착색된 폴리비닐 플루오로라이드는 내층 또는 광발광층으로 이용된다. 원하는 광발광을 이루기 위하여, 상기 층은 광발광 물질 및 선택적으로 백색 안료를 함유하는 얇은 광 반사 필름으로 코팅된다. 상기 백색 코팅은 40 내지 50 중량% 백색 안료 및 0.01-2.0 중량% 형광 증백제를 함유하는 것이 바람직하다.
얇은 광 반사 코팅을 위한 매트릭스는 아크릴 폴리머, 우레탄, 폴리에스테르, 플루오로 폴리머, 클로로플루오로 폴리머, 에폭시 폴리머, 폴리이미드, 라텍스, 열가소성 탄성중합체(elastomers) 및 요소와 같은 여러 종류의 폴리머로부터 선택될 수 있다. 상기 얇은 광 반사 코팅은 필름 코팅 제조분야의 당업자에게 공지된 임의의 다양한 방법에 의하여 제2 외층에 도포될 수 있다. 바람직한 방법으로는 스프레이, 디핑(dipping) 및 브러싱(brushing)에 의한 코팅 도포를 포함한다.
상기 광발광 코팅은 원하는 광발광을 부여하기 위하여 임의의 백킹 시트에 도포될 수 있다. 즉, 당업계에서 알려진 임의의 백킹 시트는 바람직하게는 백색 안료를 함유하는 광발광 코팅으로 백킹 시트를 코팅함으로써 전력 증가 백킹 시트로 전환될 수 있다. 특정 광발광 물질을 선택하는 주요 고려 사항으로는 의도한 광기전 장치 내에서 반도체 물질의 밴드 갭과 최대 방출 파장(즉, 그 수준에서)을 조화시키는 것이다.
상기 백킹 시트는 추가 층을 포함할 수도 있다. 상기 추가 층은 플루오로 공중합체 층에 접착 또는 접착 없이 도포될 수 있다. 상기 선택적인 추가 층은, 예를 들어 폴리에스테르, EVA, 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 액정 폴리머, 아크라, 알루미늄, 알루미늄 옥사이드 증착 폴리에스테르, 실리콘 디옥사이드 증착 폴리에스테르, 알루미늄 옥사이드 증착 폴리카보네이트, 실리콘 디옥사이드 증착 폴리카보네이트, 가교 작용기를 갖는 알루미늄 옥사이드 증착 플루오로 공중합체, 가교 작용기를 갖는 실리콘 옥사이드 증착 플루오로 공중합체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
라미네이트의 예시
라미네이트의 실시예가 본 발명에 따라 준비되었다. 또한, 비교예도 준비되었다. 상기 실시예들을 여러 번 테스트하였다. 이러한 테스트는 본 발명의 백킹 시트의 장점을 나타낸다.
두개의 라미네이트가 본 발명에 따라 다음과 같이 준비되었다.
실시예 1:
실시예 1은 1.5 mil 두께의 Tedlar 백색의 제1 외층을 갖는 3층의 라미네이트이다. 상기 라미네이트는 5 mil 두께의 폴리에스테르 Mylar A의 중간층을 갖는다. 3번째 층은 내부 광발광층이다. 상기 광발광층은 EVA에 혼합된 광발광 물질과 백색 안료의 조합을 갖는 EVA이다.
실시예 2:
실시예 2는 제1 외층이 실시예 1의 층과 같은 3층의 라미네이트이다. 중간층은 3 mil 두께의 폴리에스테르 Mylar A이다. 내층도 1.5 mil 두께의 Tedlar 백색이다. 상기 내층은 백색 안료와 광발광 물질(Ciba® UVITEX® OB, 0.9-1 중량%)의 조합을 함유하는 코팅으로 도포된다. 상기 코팅은 9g/m의 코팅 중량으로 메이어 로드(Mayer Rod)를 이용하여 도포된다.
비교예 1은 내층이 백색 안료만을 함유하고 광발광 물질을 함유하지 않는 것을 제외하고는, 실시예 1과 같은 3층을 포함하는 라미네이트이다.
비교예 2는 내층에서의 코팅이 백색 안료만을 함유하고 광발광 물질을 함유하지 않는 것을 제외하고는, 실시예 2와 같은 3층을 포함하는 라미네이트이다.
태양 패널
상기 실시예의 라미네이트와 비교예의 라미네이트는 EVA 인캡슐런트에 진공 적층된다. 36 BP 결정성 실리콘 전지를 이용하는 두개의 태양 패널 SS80(각각 2-2.5 W 이고 2 mm 간격)이 사용되었다. 진공 적층은 진공 ~ 500 militorr와 100℃의 온도에서 SPI-LAMINATOR™ 480(Spire)을 이용하여 5분 동안의 펌핑과 2분 동안의 가공과 함께 수행되었다.
광기전 모듈에서 이용하기 위한 백킹 시트의 효율성은 다수의 SPI-SUNSIMULATOR 3500 시리즈(Spire)를 이용하여 모의 태양광에 태양 패널을 노출시킴으로써 평가되었다. 각각의 백킹 시트와 각 태양 패널에 대하여 11번의 측정이 이루어졌다. Isc, Voc, Pmax, FF 및 효율성이 기록되었다.
이 결과를 도 4 내지 8에 도식화하여 나타내었다. 도 4는 백색으로 착색된 EVA에 광학 증백제를 첨가한 효과를 나타낸 것이다(도 4-5 및 도 7-8은 광학 증백제를 갖는 착색된 TPE 백색 또는 광학 증백제를 갖는 착색된 Tedlar 백색으로 나타낸 것임). 상기 광학 증백제의 첨가는 광학 증백제 없이 동일하게 착색된 필름에 비하여 전력 증가(~ 1w) 및 0.9%의 효율성 증가를 가져온다.
도 5는 단락 전류(short circuit current) 발생을 ~2% 증가시킨 태양 패널의 Pmax에 관하여 착색 수지에 광학 증백제를 첨가한 효과를 나타낸 것이다. 태양 전지 및 모듈의 성능은 이들의 전류 대 전압 특성(I-V)으로 설명될 수 있다. 일반적인 I-V 곡선을 도 6에 나타내었다. 상기 I-V 곡선의 임계 파라미터는 개회로(open-curcuit) 전압(Voc), 단락 전류(Isc) 및 최대 전력점(Pmax)이다. 0(zero) 전압에서의 최대 전류인 Isc는 자연 태양광에 직접 비례한다. Voc는 제로 전류점 주위의 I-V 곡선에 대한 선형회귀법(linear fit)으로부터 결정될 수 있다. Pmax는 전류와 전압의 곱이 최대인 점에서 작동될 때의 전기 출력이다.
도 7은 태양 패널의 Isc에 관하여 착색 코팅에 광학 증백제를 첨가한 효과를 나타낸 것이다. 좌측 칼럼은 실시예 2의 Isc를 나타낸 것이고, 우측 칼럼은 비교예 2의 Isc를 나타낸 것이다.
도 8은 태양 패널의 Pmax에 관하여 착색 코팅에 광학 증백제를 첨가한 효과를 나타낸 것이다. 좌측 칼럼은 실시예 2의 Pmax를 나타낸 것이고, 우측 칼럼은 비교예 2의 Pmax를 나타낸 것이다.
전력 출력에 대한 모듈의 테스트는 각 모듈을 모의 태양 광원으로 조사하여, 단락 전류(Isc), 개회로 전압(Voc), 최대 전력점(Pmax) 및 전력 변환효율인 η를 측정함으로써 행해졌다.
Pmax는 전류와 전압의 곱이 최대인 점에서 작동될 때의 전기 출력이다.
Pmax = ImpVmp
전력 변환효율 η는 다음과 같이 정의된다.
Figure pct00001
여기서, Pin은 입사 방사력이고, 이는 태양 전지에 따라 입사한 광 스펙트럼의 특성에 의하여 결정된다.
도 9는 태양 전지를 향하지 않는 외부 층을 포함해서, 하나 이상의 층 또는 모든 층의 반사율을 증가시킴으로써 순수 반사율의 증가를 가져오고 이에 따라 전지의 전력 출력 증가를 발생시키는 것을 나타낸 것이다. 이 그래프는 백색 EVA 내층은 모두 동일하게 사용하지만 중간층과 외층이 다른 6개의 상이한 제품 구성에 대하여 440 nm에서 반사율 값의 범위를 나타낸 것이다.
좌측의 3 박스는 3개의 상이한 백색 외층(각각의 반사율은 그래프의 하단에 "층 3의 평균 반사율(Layer 3 mean R)" 로서 명시됨)을 이용하여 제조된 후면 시트 구성을 나타낸 것이고, 투명한 PET 중간층("층 2(Layer 2)")의 각 반사율은 ~15%이다. 복합 반사율은 외층 반사율에 따라 좌우된다.
상기 투명한 PET 중간층(층 2)을 불투명한 것으로 대체하면, 중간층의 반사율(평균 반사율 99.6%)은 복합 백킹 시트 반사율의 극적인 증가를 가져온다. 이는 그래프의 우측 3 박스에 도시되어 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 여러 실시예, 수정 및 적용은 당업자에게는 명백할 것이고, 본 발명의 응용은 이러한 실시예를 커버한다. 본 발명을 바람직한 실시예의 내용으로 설명하였지만, 본 발명은 다음 청구항의 범위를 참조하여 평가되는 완전한 범위를 포함한다.
본 발명에 인용된 여러 공보, 특허 및 특허출원에 기재된 것은 그 전체가 참조로 통합된다.

Claims (23)

  1. 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 광발광 물질을 포함하는 폴리머 층을 포함하는 광기전 모듈용 백킹 시트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 층은 백색 안료 20 내지 60 중량%를 포함하는 백킹 시트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 백색 안료는 티타늄 디옥사이드, 칼슘 카보네이트, 리소폰 및 황산아연 중 하나 이상을 포함하는 백킹 시트.
  4. 제1항에 있어서, 내후성 필름의 제1 외층을 더 포함하는 백킹 시트.
  5. 제4항에 있어서, 폴리에스테르, EVA, 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 액정 폴리머, 아크라, 알루미늄, 알루미늄 옥사이드 증착 폴리에스테르, 실리콘 디옥사이드 증착 폴리에스테르, 알루미늄 옥사이드 증착 폴리카보네이트, 실리콘 디옥사이드 증착 폴리카보네이트, 가교 작용기를 갖는 알루미늄 옥사이드 증착 플루오로 공중합체, 가교 작용기를 갖는 실리콘 옥사이드 증착 플루오로 공중합체의 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 추가 층을 더 포함하는 백킹 시트.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광발광 물질은 자외선을 흡수하고, 자외선을 가시광선으로 재-방출하는 백킹 시트.
  7. 제6항에 있어서, 상기 광발광 물질은 광학 증백제인 백킹 시트.
  8. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 층은 가교가능한 유기용제 가용성 및/또는 수분산성 무정형 플루오로 폴리머를 포함하는 백킹 시트.
  9. 제8항에 있어서, 상기 플루오로 폴리머는 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE)과 하나 이상의 알킬 비닐 에테르의 공중합체인 백킹 시트.
  10. 제1항에 있어서, 상기 폴리머 층은 그 외면에 광 반사 코팅을 더 포함하는 백킹 시트.
  11. 제5항에 있어서, 하나 이상의 추가 층은 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 광발광 물질을 포함하는 백킹 시트.
  12. 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 광발광 물질을 포함하고, 태양 방사선을 흡수할 수 있고, 흡수된 태양 방사선을 최대 방사 파장으로 전환할 수 있는 백킹 시트; 및
    상기 최대 방사 파장 또는 그 근처의 밴드 갭을 갖는 물질로 이루어진 하나 이상의 반도체를 포함하는 광기전 모듈.
  13. 제12항에 있어서, 상기 백킹 시트는 백색 안료 20 내지 60 중량%를 함유하는 폴리머 층을 포함하는 광기전 모듈.
  14. 제13항에 있어서, 상기 백색 안료는 티타늄 디옥사이드, 칼슘 카보네이트, 리소폰 및 황산아연 중 하나 이상을 포함하는 광기전 모듈.
  15. 제12항에 있어서, 상기 백킹 시트는 내후성 필름의 제1 외층을 더 포함하는 광기전 모듈.
  16. 제12항에 있어서, 상기 백킹 시트는 폴리에스테르, EVA, 폴리카보네이트, 폴리올레핀, 폴리우레탄, 액정 폴리머, 아크라, 알루미늄, 알루미늄 옥사이드 증착 폴리에스테르, 실리콘 디옥사이드 증착 폴리에스테르, 알루미늄 옥사이드 증착 폴리카보네이트, 실리콘 디옥사이드 증착 폴리카보네이트, 가교 작용기를 갖는 알루미늄 옥사이드 증착 플루오로 공중합체, 가교 작용기를 갖는 실리콘 옥사이드 증착 플루오로 공중합체 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 추가 층을 더 포함하는 광기전 모듈.
  17. 제12항에 있어서, 상기 광발광 물질은 자외선을 흡수하고, 자외선을 가시광선으로 재-방출하는 광기전 모듈.
  18. 제12항에 있어서, 상기 광발광 물질은 광학 증백제인 광기전 모듈.
  19. 제13항에 있어서, 상기 폴리머 층은 가교가능한 유기용제 가용성 및/또는 수분산성 무정형 플루오로 폴리머를 포함하는 광기전 모듈.
  20. 제19항에 있어서, 상기 플루오로 폴리머는 클로로트리플루오로에틸렌(CTFE)과 하나 이상의 알킬 비닐 에테르의 공중합체인 광기전 모듈.
  21. 제13항에 있어서, 상기 폴리머 층은 그 외면에 광 반사 코팅을 더 포함하는 광기전 모듈.
  22. 제16항에 있어서, 하나 이상의 추가 층은 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 광발광 물질을 포함하는 광기전 모듈.
  23. 하나 이상의 백색 안료 및 하나 이상의 광발광 물질을 포함하는 코팅을 광기전 전지를 향하는 백킹 시트 부분에 도포하는 것을 포함하는, 백킹 시트를 갖는 광기전 모듈의 전력을 증가시키는 방법.
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