KR20130000108A

KR20130000108A - 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130000108A
Application number: KR1020110060598A
Authority: KR
Inventors: 김연수; 황창익; 김길중; 은대경
Original assignee: 도레이첨단소재 주식회사
Priority date: 2011-06-22
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2013-01-02

Abstract

본 발명은 태양전지 백시트용 폴리에스터 필름의 열 전도성을 외면에 나노 패턴의 도입을 통해 크게 향상시켜 외부 공기 또는 히트 싱크층에의 열 전달이 빨라 가혹한 열 발생 환경에서도 안정성을 유지할 수 있는 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기한 본 발명의 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트는 태양전지 백시트용 배리어층을 형성하는 폴리에스터 필름으로 구성되어 지며, 상기 폴리에스터 필름은 그의 외면에 엠보스, 프리즘, 또는 불규칙 마이크로 패턴으로 구성된 요철이 형성되어 지거나 요철이 존재하지 않는 평면 일반 폴리에스터 필름일 수 있고, 상기 폴리에스터 필름 상 또는 그 위의 요철 상에 나노 에칭 처리를 통해 패턴이 형성된 것임을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 열 전도성이 우수한 태양전지 백시트는 폴리에스터 외면에 나노 에칭을 통한 다양한 형태의 나노 패턴을 형성시켜 백시트의 열 전도성을 현저하게 개선하므로, 가혹한 외부 기후 조건에서의 장기간 사용시에도 태양전지용 백시트 또는 태양전지 모듈의 구조 및 기능을 안정하게 유지하게 하여 장기안정성이 우수한 태양전지의 제공을 가능하게 한다.

Description

향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트 및 그 제조방법{Back sheet for a solar cell having an improved heat conductivity and the preparing process thereof}

본 발명은 태양전지 모듈 내부의 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 태양전지 백시트용 폴리에스터 필름의 후면에 열 전도성을 높이기 위해 처리한 요철 무늬의 표면적을 나노 에칭 처리를 통해 더욱 높게 조절하여 표면적의 증가로 인한 열 전도성을 향상시켜, 모듈 내부의 온도를 효과적으로 낮추어 발전 효율이나 발전량을 향상시키고, 궁극적으로는 태양전지 부속품의 내후성 등을 향상시키는 데에 도움이 되는 태양전지용 백시트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 환경 오염과 기존 자원 고갈에 대한 우려로 대체 자원 및 미래 에너지원의 다원화가 제시되는 가운데, 무한정한 자원인 태양을 이용한 태양전지가 주목 받고 있다. 태양전지는 태양광을 전기적 에너지로 바꾸어 주는 장치로서, 무공해, 무소음, 무한 공급 에너지라는 관점에서 많은 연구 개발이 이루어지고 있다. 이러한 태양전지에 있어서 중요한 태양전지 셀은 주로 산업적으로는 결정질 또는 비결정질 실리콘이 쓰이며, 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 반도체 소자로서 태양전지의 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 셀은 에틸렌 비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate; EVA) 시트와 같은 열가소성 플라스틱 봉지재로 진공 접착되어 둘러싸여 지고, 가장 뒷면에 위치하는 백시트는 기계적 강도뿐 아니라, 상기한 각종 외부 요인으로부터 태양전지모듈의 셀을 보호한다.

태양전지의 효율을 높이기 위한 수단으로, 태양광을 가능한 한 많이 받아 태양전지 셀이 태양 복사에너지를 다량으로 흡수하는 것이 중요하지만, 이로 인해 태양전지 셀의 온도가 너무 많이 증가하면 오히려 셀의 성능이 저하되어 출력이 감소되게 되며, 특히 여름에 이러한 현상이 일어난다. 또한 태양전지 회로 불량과 같은 장애 요소에 의해서도 국부적으로 태양전지의 온도가 증가하는 현상이 일어날 수 있다.

따라서, 상기의 문제를 해결하기 위한 방안으로 다양한 기술들이 개발되어 특허 출원되고 있는데, 대표적으로는 대한민국 등록특허공보 제10-0867655호에 제시된 바와 같이 흡열판이 태양전지 셀에서 발생하는 열을 전달받아 냉각파이프 내에 흐르는 냉각용 유체가 그 열을 식히는 방법, 대한민국 공개특허공보 제 2005-0094179호와 같이 알루미늄, 동, 주석, 스테인리스 등의 소재가 사용되는 열 전도판을 사용하여 태양전지 셀에서 발생하는 열을 전달받는 방법, 및 대한민국 공개특허공보 2010-0111975호와 같이 백시트의 일면에 열을 흡수할 수 있는 방열재나 축열재를 포함하는 축방열 시트층을 포함하는 방법이 개시되어 있다.

또한, 필름의 열 전달 표면적을 높이는 특허로 일본국 공개특허공보 H06-181333과 같이 필름 표면에 요철을 내어 표면적을 높이는 특허가 있고, 대한민국 공개특허공보 제2011-0048475호와 같이 필름에 점착제를 이용하여 유무기 입자를 코팅하여 요철 효과를 내는 특허가 개시되어 있다.

그러나, 기술의 진보에 따라, 현재로는 상기한 종래의 기술을 바탕으로 하여, 필름 구조 단순화와 원가 절감 등의 측면에서 태양전지 방열 기술에 대한 관심도가 높아지고 그 중요성이 새로이 대두되고 있는 시점에 있으며, 이에 부응하기 위해서는 제한된 공간 안의 필름 재료 자체를 이용한 표면적을 더욱 높이는 기술이 요구되고 있으며 이를 이루려는 노력이 이루어지고 있으나, 현재까지 이에 대한 효과적인 방안이 제시된 바 없는 실정이다.

특허문헌 1: 대한민국 등록특허공보 제10-0867655호 특허문헌 2: 대한민국 공개특허공보 제 2005-0094179호 특허문헌 3: 대한민국 공개특허공보 2010-0111975호 특허문헌 4: 일본국 공개특허공보 H06-181333호 특허문건 5: 대한민국 공개특허공보 제2011-0048475호

본 발명은 상기한 종래의 기술을 감안하여 된 것으로, 본 발명의 주목적은 종래의 태양전지 백시트로 사용되는 폴리에스터나 불소필름 등 필름의 내 외면의 열 전달 표면적을 더욱 향상시킴으로서 열정도성을 개선하여 방열성 같은 기능성이 보다 우수하게 개선된 태양전지용 백시트를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 우수한 특성을 가지는 태양전지용 백시트를 보다 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 또한 상기한 명확한 목적 이외에 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.

본 발명자 등은 상술한 바와 같은 배경기술을 바탕으로 각종 기술을 검토한 바에 따르면, 태양전지 셀의 과열로부터 태양전지를 보호하고, 높은 발전 효율을 유지하기 위하여 열을 용이하게 방출할 수 있는 방법으로 금속 히트 싱크나 유체를 이용한 냉각파이프 부착, 흡열재 또는 방열재층 포함 시트 등 여러 가지 방법들이 제안되어 있으나, 이러한 방법들은 실용적이지 못하여 효과적인 방열을 위한 한정된 면적에서의 효율적인 방열성 증대를 위해 표면적을 더욱 넓힐 필요가 있다는 것을 알 수 있었으며, 따라서 본 발명에서는 상기 문제점을 해결하고 보다 완전한 태양전지 모듈 보호기능을 확보하기 위해서 요철이 있는 백시트 고분자 필름의 외면에 나노 에칭 처리를 통해 기존의 태양전지 백시트보다 더욱 넓은 표면적을 제공하여 더욱 많은 양의 열을 전달하여 상술한 종래의 문제점을 어느 정도 해결하고 외부에서 장시간 사용에도 안정성이 확보된 백시트를 제공하여 상기 본 발명의 과제를 달성될 수 있었다. 상기와 같이 더욱 넓은 표면적을 위해 본 발명에서는 태양전지 배리어 층으로 사용되는 폴리에스터 필름에 레이저 에칭 처리를 통해 기존의 태양전지 백시트에 비해 우수한 열 전달성을 부여하므로 궁극적으로는 태양전지의 장기 안정성을 부여할 수 있게 하므로서 본 발명의 과제를 달성하였다. 이와 같이 본 발명자 등은 상기한 안출을 통해 가혹한 조건에서 사용시에도 열 전달이 뛰어나 안정한 태양전지용 백시트를 제공할 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하게 되었다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트는;

태양전지 백시트용 배리어층을 형성하는 폴리에스터 필름으로 구성되어 지며,

상기 폴리에스터 필름은 그의 외면에 엠보스, 프리즘, 또는 불규칙 마이크로 패턴으로 구성된 요철이 형성되어 지거나 요철이 존재하지 않는 평면 일반 폴리에스터 필름일 수 있고, 상기 폴리에스터 필름 상 또는 그 위의 요철 상에 나노 에칭 처리를 통해 패턴이 형성된 것임을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기와 같이 폴리에스터 필름의 외면에 나노 에칭을 통한 패턴을 제공함에 의해 넓은 표면적을 부여하고 이를 통해 향상된 열 전도성을 갖도록 한 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 나노 에칭은 레이저 에칭, 고에너지 코로나 처리, 솔벤트를 이용한 식각을 통하여 형성된 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 나노 에칭된 패턴은 구, 피라미드, 막대기 모양을 포함하는 다양한 형태의 레이저 식각 나노 패턴이나 코로나, 솔벤트 처리에 의한 불규칙 패턴을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 폴리에스터 필름에 형성된 나노 에칭된 패턴은 식각된 패턴을 3차원으로 보았을 때 하나의 가장 긴 모서리가 10 나노미터로부터 1 마이크로미터 사이, 또는 패턴 하나의 장 반경이 10 나노미터로부터 1 마이크로미터 사이인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 폴리에스터 필름에 형성된 나노 패턴이 형성된 태양전지용 백시트의 처리면에 전기스프레이(electro spray) 방식을 이용하여 알루미늄 나노입자를 더 적층한 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 태양전지용 백시트는, 상기 패턴을 포함한 태양전지 백시트의 처리면이 적층 금속 나노입자, 금속층, 수냉 또는 공냉식 히트 싱크, 흡열재 또는 축열재층에 부착된 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 열 전도성이 우수한 태양전지 백시트는 폴리에스터 외면에 나노 에칭을 통한 다양한 형태의 나노 패턴을 형성시켜 백시트의 열 전도성을 현저하게 개선하므로, 가혹한 외부 기후 조건에서의 장기간 사용시에도 태양전지용 백시트 또는 태양전지 모듈의 구조 및 기능을 안정하게 유지하게 하여 장기안정성이 우수한 태양전지의 제공을 가능하게 한다. 또한, 전기 스프레이 방식을 통해 금속 나노입자를 적층 하므로서 폴리에스터 필름과 금속층 간의 열 저장소의 원인인 공극을 줄여 더욱 열 전도성이 우수한 태양전지의 제공을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 레이저 식각을 이용하여 필름의 요철 상에 나노 에칭 패턴을 형성하는 것으로, 필름을 일면으로 절단하여 확대한 상태에서 개략적으로 도시한 나노 에칭 패턴 형성의 흐름도이고,
도 2는 도 1과 유사하지만 나노 에칭의 패턴 형상만이 다르게 된, 나노 에칭 패턴 형성의 흐름도이고,
도 3은 도 1의 식각 패턴 1개를 3차원으로 나타낸 입체도로, a는 높이이고 b는 반경을 나타내고,
도 4는 도 2의 식각 패턴 1개의 지름을 나타낸 단면도로, c는 지름 또는 불규칙 패턴의 장반경을 나타낸다.

이하, 본 발명을 첨부도면을 참고로 하여 바람직한 실시형태에 의해 보다 자세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 레이저 식각을 이용하여 필름의 요철 상에 나노 에칭 패턴을 형성하는 것으로, 필름을 일면으로 절단하여 확대한 상태에서 개략적으로 도시한 나노 에칭 패턴 형성의 흐름도이고, 도 2는 도 1과 유사하지만 나노 에칭의 패턴 형상만이 다르게 된, 나노 에칭 패턴 형성의 흐름도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열 전도성이 우수한 태양전지 백시트는 폴리에스터 필름 외면의 프리즘과 같은 형상의 요철에, 예를 들어 레이저를 이용하여 나노 에칭을 하여 다양한 패턴을 형성하고, 이에 의해 표면적을 넓게 하여 이를 이용한 태양전지의 열 전도성을 우수하게 한다.

본 발명에 따른 태양전지용 백시트는 태양전지 백시트용 배리어층을 형성하는 요철 패턴이 형성된 폴리에스터 필름과 이의 외면에 나노 에칭을 통한 나노 패턴이 처리된 것을 포함하여 구성되며, 이 패턴은 공기 중 또는 히트 싱크 역할을 하는 층과 결합되어 태양전지의 열 방출을 우수하게 한다.

도 3은 도 1의 식각 패턴 1개를 3차원으로 나타낸 입체도로, a는 높이이고 b는 반경을 나타내고, 도 4는 도 2의 식각 패턴 1개의 지름을 나타낸 단면도로, c는 지름 또는 장반경을 나타낸다. 도면에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 형성된 나노 패턴은 식각된 패턴의 높이 a나 반경 b의 평균 길이, 또는 구형이나 불규칙 패턴인 경우 도 4에 표시되어 있는 패턴의 장 반경 c가 10 나노미터 내지 1 마이크로미터 사이로 형성되는 다양한 패턴이 표면에 형성되게 되며, 이에 의해 태양전지 셀 측에서 발생하는 열을 높은 표면적을 이용하여 더 많은 양을 전달하게 된다. 이러한 표면적을 이용한 열 전달에 의해 태양전지에서 발생하는 열이 모듈에 주는 악영향을 억제시키게 된다.

태양전지 백시트에 통상적으로 쓰여 왔던 불소필름을 대체하기 위해 쓰이는 본 발명의 폴리에스터는 저가, 가공 용이성 등의 장점을 가지고 있으나, 내열성이 다소 약해 오랜 기간 동안 고열을 받으면 변형이 된다고 알려져 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 상기한 여러 가지 형태의 히트 싱크층 도입 등의 노력을 하고 있으나, 한정된 표면적으로는 열을 쉽게 방출할 수 없고, 또한 상기 선행 특허들에 포함되는 값비싼 단열재들을 효율적으로 이용할 수 없다고 판단되었으며, 따라서 본 발명에서는 이의 해결을 위해 히트 싱크층을 더욱 효율적으로 이용하기 위한 방법으로 폴리에스터 필름의 표면적을 더욱 증가시키는 것이 가장 바람직하다고 판단하고, 이를 바탕으로 하여 상술한 본 발명의 구성을 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 형성되는 폴리에스터 필름 상의 패턴은, 여기에 한정되는 것은 아니나, 예를 들어 레이저 에칭, 고 에너지 코로나 방전, 솔벤트를 이용한 화학적 에칭 등 다양한 형태로 제조가 가능하다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 형성되는 패턴은 레이저 식각에 의한 원통형 또는 육면체인 경우는 도 3에 표시되어 있는 높이 a나 반경 b의 평균 길이, 또는 구형이나 불규칙 패턴인 경우 도 4에 표시되어 있는 장 반경 c가 형성 패턴의 저점 대비 10 나노미터 내지 1 마이크로미터로 형성되는 것이 바람직한데, 만일 10 나노미터보다 작게 패턴을 형성할 경우 공정상 패턴 크기의 컨트롤이 어렵기 때문에 바람직하지 않고, 1 마이크로미터보다 크게 패턴을 형성할 경우 경제성이 없어지고 기존 방식으로도 생성이 가능하기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 높은 열 전도성을 가지기 위해 적층하는 금속 입자를 전기 스프레이 방식으로 적층하는 것을 포함한다. 기존의 코팅 방식이나 단순 층간 라미네이션 방식으로 금속 나노입자를 폴리에스터와 접착 시키면, 특히 요철을 가지고 있는 폴리에스터의 경우 층간 작은 사이즈의 공기 층이 갖혀 있는 형상이 나타나 그것이 오히려 열 저장소 역할을 함으로써 단열 효과가 줄어든다. 따라서 본 발명에 따른 전기 스프레이 방식으로 적층하면 층간 공극의 문제를 어느 정도 해결할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명의 범위를 이들 실시예에 한정하기 위한 것이 아님은 물론이다.

실시예 1

V 홈이 파진 롤러에 통과시켜 압출 성형시켜 일면에 20μm 높이의 정사면체 프리즘 모양을 형성시킨 두께 200μm의 폴리에스터 필름의 한 측면에 3차원축 이동 펄스 레이저광 장비를 이용해 에칭률 0.05μm/pulse의 속도로 도 1과 같이 정사면체 안쪽으로 평균 가로 약 50 nm, 세로 약 50nm, 높이 약 100 nm, 패턴 간격 약 100 nm로 구성된 프리즘 패턴 안의 원통형 패턴을 제조하였다. 패턴이 제조된 반대 측면에는 봉지재와 결정질 실리콘 태양전지 셀, 그리고 전면 글라스를 연결한 미니모듈을 제조하였다.

비교예 1

상기 실시예 1의 폴리에스터 필름을 나노 패턴으로 성형하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 하여 미니모듈을 제조하였다.

비교예 2

상기 실시예 1의 20μm 높이의 정사면체 프리즘 모양이 형성되지 않은 폴리에스터 필름의 일면에 같은 나노 패턴을 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 하여 미니모듈을 제조하였다.

실시예 2

실시예 1의 나노 패턴이 형성된 태양전지 백시트의 처리면에 전기스프레이(electro spray) 방식을 이용하여 약 20 nm 크기의 알루미늄 나노입자를 50 μm 높이로 적층한 후, 실시예 1과 같은 방법으로 하여 미니모듈을 제조하였다.

비교예 3

비교예 1의 나노 패턴이 형성되지 않은 폴리에스터 필름에 실시예 2와 같이 전기스프레이 방식을 사용하여 같은 알루미늄 입자를 100μm 적층한 후, 실시예 1과 같은 방법으로 하여 미니모듈을 제조하였다.

비교예 4

실시예 1의 20 μm 높이의 정사면체 프리즘 모양이 형성되지 않은 폴리에스터 필름의 일면에 같은 원통형 나노 패턴을 형성시키고 실시예 2와 같이 전기스프레이 방식을 사용하여 같은 알루미늄 입자를 100μm 적층한 후, 실시예 1과 같은 방법으로 하여 미니모듈을 제조하였다.

실험예 1

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지 미니모듈의 방열 특성을 알아보기 위해 각각의 태양전지 모듈을 150W 원적외선 램프(Philips 사) 광원에서 동일한 거리만큼 떨어뜨린 다음, 태양전지 모듈의 전면 글라스가 광원을 마주보도록 설정하고, 일정시간 방치하여 열 평형 상태에 이르게 하였다.

그리고, 백시트 후면에서 적외선 온도계(SK-8700, SATO사)로 측정한 열평균 온도를 다음 표 1에 나타내었다.

	실시예 1	비교예 1	비교예 2	실시예 2	비교예 3	비교예 4
열평균 온도	52℃	54.2℃	53.3℃	48.5℃	50℃	49.4℃

상기 실험예의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 나노 패턴을 가진 폴리에스터 필름을 이용한 태양전지 모듈의 경우는 패턴을 가지지 않는 폴리에스터 필름을 이용한 미니모듈보다 향상된 열 전도성을 제공하므로 태양전지 모듈의 백시트용으로 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.

Claims

태양전지 백시트용 배리어층을 형성하는 폴리에스터 필름으로 구성되어 지며,
상기 폴리에스터 필름은 그의 외면에 엠보스, 프리즘, 또는 불규칙 마이크로 패턴으로 구성된 요철이 형성되어 지거나 요철이 존재하지 않는 평면 일반 폴리에스터 필름일 수 있고, 상기 폴리에스터 필름 상 또는 그 위의 요철 상에 나노 에칭 처리를 통해 패턴이 형성된 것임을 특징으로 하는 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트.
제 1항에 있어서, 상기 나노 에칭은 레이저 에칭, 고에너지 코로나 처리, 솔벤트를 이용한 식각을 통하여 형성된 것임을 특징으로 하는 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트.
제 1항에 있어서, 상기 나노 에칭된 패턴은 구, 피라미드, 막대기 모양을 포함하는 다양한 형태의 레이저 식각 나노 패턴이나 코로나, 솔벤트를 이용한 에칭 처리에 의한 불규칙 패턴을 포함함을 특징으로 하는 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트.
제 1항에 있어서, 상기 폴리에스터 필름에 형성된 나노 에칭된 패턴은 식각된 패턴을 3차원으로 보았을 때 하나의 가장 긴 모서리가 10 나노미터로부터 1 마이크로미터 사이, 또는 패턴 하나의 장 반경이 10 나노미터로부터 1 마이크로미터 사이인 것을 특징으로 하는 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리에스터 필름에 형성된 나노 패턴이 형성된 태양전지용 백시트의 처리면에 전기스프레이(electro spray) 방식을 이용하여 알루미늄 나노입자를 더 적층한 것임을 특징으로 하는 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트.
청구항 1 내지 4 중의 어느 한 항에 따른 나노 에칭된 패턴을 포함한 태양전지 백시트의 처리면이 적층 금속 나노입자, 금속층, 수냉 또는 공냉식 히트 싱크, 흡열재 또는 축열재층에 부착된 것을 특징으로 하는 향상된 열 전도성을 가지는 태양전지용 백시트.