KR20130053811A - 양자점을 가지는 태양전지용 백시트 및 이를 이용한 태양전지 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에스터 필름 또는 불소필름으로 이루어진 다층형 태양전지 백시트의 층간 혹은 최외면에 양자점을 도입하여, 양자점의 광변환 성질을 이용하여 자외선을 흡수 차단하므로서 백시트를 포함한 태양전지 부속품의 내후성을 향상시키고, 더하여 발전 효율이나 발전량을 향상시키는 데에 도움이 되는 태양전지용 백시트 및 이를 이용한 태양전지 모듈에 관한 것으로, 상기한 본 발명의 양자점을 가지는 태양전지용 백시트는 태양전지 백시트용 배리어층을 형성하는 다층의 폴리에스터 필름 또는 불소필름으로 구성되며, 상기 폴리에스터 필름 또는 불소 필름의 층간에 또는 공기와 맞닿는 최외면에 접착제 분산 코팅을 통해 양자점이 도입된 것임을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 양자점을 가지는 태양전지 백시트는 다층의 폴리에스터 필름 또는 불소필름의 층간, 혹은 외면에 접착제 코팅을 통해 양자점을 도입하여 광 변환 효과를 통한 백시트의 UV 저항성과 태양전지 효율을 개선해, 가혹 한 외부 기후 조건에서의 장기간 사용시에도 태양전지용 백시트 또는 태양전지 모듈의 구조 및 기능을 안정하게 유지하게 하여 장기안정성이 우수한 태양전지를 제공한다.

Description

양자점을 가지는 태양전지용 백시트 및 이를 이용한 태양전지 모듈{Back sheet for a solarcell having a positive point and a solarcell module using the same}

본 발명은 양자점을 가지는 태양전지용 백시트 및 이를 이용한 태양전지 모듈에 관한 것으로, 보다 자세하게는 폴리에스터 필름 또는 불소필름으로 이루어진 다층형 태양전지 백시트의 층간 혹은 최외면에 양자점을 도입하여, 양자점의 광변환 성질을 이용하여 자외선을 흡수 차단하므로서 백시트를 포함한 태양전지 부속품의 내후성을 향상시키고, 더하여 발전 효율이나 발전량을 향상시키는 데에 도움이 되는 태양전지용 백시트 및 이를 이용한 태양전지 모듈에 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 수 십년 이상의 수명이 보증 되어야 하므로 충격, 수분, 산소, 화학물질 등 각종 요소에 약한 태양전지 셀은 에틸렌 비닐아세테이트(Ethylene Vinyl Acetate; EVA) 시트와 같은 열가소성 플라스틱 봉지재로 진공 접착되어 둘러 싸여지고, 가장 뒷면에 위치하는 백시트는 기계적 강도뿐 아니라, 상기한 각종 외부 요인으로부터 태양전지모듈의 셀을 보호한다.

태양전지 셀을 보호하는 데에 있어서 가장 중요한 봉지재와 백시트의 황변 등 장기적 사용을 방해하는 변형에 있어 많은 부분을 차지하는 것이 자외선이다. 자외선은 고분자 구조의 변형을 일으켜 고분자의 황변 등을 일으키며, 이는 태양전지의 효율 저하, 나아가 수명 저하에 직결된다. 따라서 봉지재에 자외선 흡수제를 첨가하여 사용되고 있다. 하지만 자외선 흡수제는 시간이 지나면 고분자 등에서 빠져 나오거나 일부 파장은 흡수하지 못하는 문제점을 가지고 있다. 또한, 광 변환 물질을 이용해 자외선을 가시광선으로 변형시켜 태양전지의 효율을 높이는 것이 제안되기 시작하였으며, 예를 들어 일본 특허공개공보 제1995-202243호 및 제1996-004147호에서는 태양 전지 표면에 무기 및 유기 형광체를 도포한 봉지재를 위치시켜 흡수 자외선 파장을 변환시켜 태양전지 셀이 발전에 사용할 수 있도록 가시광선으로 변형시키는 개념을 도입하였으나, 무기 형광체의 경우 입자가 마이크로 크기 이상이기 때문에 입사광의 투과를 방해할 수 있으며, 유기 형광체는 내구성이 떨어진다는 단점이 있었다. 따라서, 새로운 광 변환 물질로서 자외선을 가시광선으로 변형하는 광 변환 효율이 높은 양자점을 이용한 다양한 기술들이 개발되어 특허 출원되고 있다. 셀 자체 또는 그 인접한 부분에 적층하거나 코팅시키는 방법을 제외한 결정형 실리콘 태양전지 부자재에 사용될 수 있는 것으로, 대표적으로는 예를 들어 대한민국 특허공개공보 제2006-0080437호에 제시된 바와 같이 봉지재에 양자점을 포함하는 방법이 있으며, 그리고 대한민국 특허공개공보 제2011-0036220호와 같이 빛을 받는 윈도우 층에 양자점을 포함하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 봉지재에 양자점을 포함하는 방법은 봉지재, 특히 EVA 변형에 있어 생기는 각종 산(acid)에 의해 양자점이 장기적으로 변형될 수 있다는 단점이 있으며, 또한 상기 두 특허 모두 지면 등을 통해 백시트 표면에 직접 들어오게 되는 자외선에 의해 백시트의 장기내후성이 영향을 받을 수 있다는 단점이 여전히 있다.

따라서, 현재 태양전지를 외부 환경, 특히 자외선으로부터 장기간 변형 없이 사용할 수 있는 방법과 기술에 대한 관심도가 높아지고 그 중요성이 새로이 대두되고 있는 시점에서, 광변환 물질을 이용한 효율 향상도 동시에 꾀하려는 노력이 이루어지고 있는 실정이나 이에 대한 적절한 해결책이 제시되고 있지 못하다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 제1995-202243호 특허문헌 2: 일본국 특허공개공보 제1996-004147호 특허문헌 3: 대한민국 특허공개공보 제2006-0080437호 특허문헌 4: 대한민국 특허공개공보 제2011-0036220호

본 발명은 상기한 종래의 기술을 감안하여 된 것으로, 본 발명의 주목적은 종래의 태양전지 백시트에 사용되는 폴리에스터나 불소필름 등의 필름 층 사이나 필름의 외면에 양자점을 도입하여 자외선 차단성과 광변환성으로 인한 백시트의 내구성 향상과 태양전지 효율 같은 기능성이 보다 우수하게 개선된 태양전지용 백시트를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 우수한 특성을 가지는 태양전지용 백시트를 이용한 태양전지 모듈을 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 등이 상술한 바와 같은 각종 종래의 기술 검토에 따르면, 태양전지의 변형을 일으킬 수 있는 중요한 요인인 자외선으로부터 태양전지를 보호하고, 높은 발전 효율을 유지하기 위하여 광 변환성 물질을 사용하는 기술이 개발되었고, 가격 대비 고효율의 광 변환성 물질로 자외선을 가시광선으로 변형시키는 양자점이 사용되는 것이 고안되었다. 하지만 EVA 봉지재에 양자점을 사용하면 광효율에서는 우수하게 되지만 장기적으로 EVA가 열화하며 발생하는 각종 산(acid)에 의해 양자점이 변성될 우려가 있었으며, 또한 지표면이나 지형 지물에 따라 반사되어 백시트 후면으로 들어오는 자외선을 차단하여 백시트를 보호하는 데는 역할을 하지 못한다는 단점, 즉 지면을 통해 들어오는 자외선에 의해 백시트가 장기적 변형이 일어날 수 있음을 인식하여 이를 개선할 필요가 있다는 것을 알 수 있었으며, 따라서 본 발명에서는 상기 문제점을 해결하고 보다 완전한 태양전지 모듈 보호기능을 확보하기 위해서 양자점을 다층 백시트의 층간, 혹은 외면에 배치하여 EVA 부산물로부터 보호받고 백시트 후면으로 들어오는 자외선을 변환하면서 상술한 종래의 문제점을 해결하고 외부에서 장시간 사용에도 안정성이 확보된 백시트를 제공하여 달성될 수 있었고, 또한 이와 같이 구성되는 본 발명에서는 태양전지 배리어 층으로 사용되는 폴리에스터 필름, 혹은 불소 필름의 층간, 혹은 외면에 접착제 코팅 방식으로 양자점을 도입하여 기존의 태양전지 백시트에 비해 낮은 황변으로 대표되는 장기 안정성과 높은 발전 효율을 부여할 수 있음을 인식하여 상기한 본 발명의 목적을 달성할 수 있었다. 더욱이, 이를 통해 가혹한 조건에서 사용시에도 변형이 적고 안정한 태양전지용 백시트와 이를 이용한 태양전지 모듈을 제공할 수 있음을 밝혀내어 완성되었다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양자점을 가지는 태양전지용 백시트는;

태양전지 백시트용 배리어층을 형성하는 다층의 폴리에스터 필름 또는 불소필름으로 구성되며,

상기 폴리에스터 필름 또는 불소 필름의 층간에 또는 공기와 맞닿는 최외면에 접착제 분산 코팅을 통해 양자점이 도입된 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 양자점은 접착제를 이용한 유기용매 분산 코팅으로 도입되는 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 양자점은 400nm 파장 이하의 자외선을 흡수하여 변환하는 파장의 강도 피크(peak; 강도가 가장 높은 부분)가 410 내지 900nm 사이인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 양자점은 유리 기재에 제조하는 방법, 유기용매를 포함한 수용액 상에서 제조하는 방법, 감마선을 이용해 제조하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 구성에 따르면, 상기 양자점은 황화 아연(ZnS), 황화 카드뮴(CdS), 셀렌화 아연(ZnSe), 카드뮴 텔루라이드(CdTe)와 같은 단층 구형 입자, 또는 CdSe/ZnS의 코어-쉘(core-shell) 구조의 양자제한효과(quantum confinement effect)에 의해 광학적 특성 조절이 가능한 양자점을 포함함을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 양자점을 가지는 태양전지용 백시트를 이용한 태양전지 모듈은;

태양전지 백시트용 배리어층을 형성하는 다층의 폴리에스터 필름 또는 불소필름으로 구성되며, 상기 폴리에스터 필름 또는 불소 필름의 층간에 또는 공기와 맞닿는 최외면에 접착제 분산 코팅을 통해 양자점이 도입된 백시트를 사용한 것임을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 양자점을 가지는 태양전지 백시트는 다층의 폴리에스터 필름 또는 불소필름의 층간, 혹은 외면에 접착제 코팅을 통해 양자점을 도입하여 광 변환 효과를 통한 백시트의 UV 저항성과 태양전지 효율을 개선해, 가혹 한 외부 기후 조건에서의 장기간 사용시에도 태양전지용 백시트 또는 태양전지 모듈의 구조 및 기능을 안정하게 유지하게 하여 장기안정성이 우수한 태양전지를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따라 시트의 층간에 양자점이 형성된 백시트의 일부분의 확대 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따라 시트의 최외면의 양면에 양자점이 형성된 백시트의 일부분의 확대 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따라 시트의 최외면의 일면에 양자점이 형성된 백시트의 일부분의 확대 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 시트의 최외면의 일면에 양자점이 형성된 백시트의 일부분의 확대 단면도이다.

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

도 1 내지 4는 본 발명의 일 실시형태에 따라 시트에 양자점이 형성된 백시트의 일부분의 확대 단면도이다. 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 양자점(10)을 포함한 태양전지 백시트는 백시트용 다층형 폴리에스터 혹은 불소코팅필름의 층간 혹은 최 외면에 접착제 분산 방식을 통해 양자점(10)을 도입하는 것을 포함하여 구성되며, 양자점의 광변환 성질을 통한 백시트의 UV 저항성과 태양전지 효율을 우수하게 한다.

상술한 바와 같이, 백시트를 포함한 기존의 태양전지를 자외선으로부터 보호하기 위한 항-UV 코팅은 TiO₂ (이산화티탄) 나노입자를 포함하는 방식이 대표적이었다. 하지만 TiO₂ 마이크로입자는 자외선 흡수 효과보다는 입자 자체의 자외선에 대한 산란을 더 많이 이용하여 자외선을 차단시키는 방식을 사용하고, 또한 그 사용량이 상대적으로 높다는 단점이 있었다. 하지만, 본 발명에 따른 양자점은 나노입자가 가지는 물리적인 산란 효과에 더하여 자외선을 직접 변환시키는 효율적인 흡수 효과를 이용하여 자외선을 효율적으로 차단하며, 상대적으로 작은 농도로도 자외선 차단 효과를 거둘 수 있다. 또한 자외선을 가시광선으로 변환시키면서 생기는 태양전지 셀의 효율 증가도 기대할 수 있다고 고려되어 진다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 사용되는 상기한 단층 또는 코어-쉘 구조로 이루어져 있는, 광변환 파장 피크는 500 내지 900nm인 양자점이 도입되면 입사되는 400nm 이하의 자외선을 양자제한효과에 의해 가시광선으로 변환시켜 백시트의 변형을 방지하는 동시에 태양전지의 효율을 높이게 된다.

통상적으로, 태양전지 백시트는 20년 이상 사용되어야 할 만큼 강한 내구성이 필요하나, 오랜 시간이 지나면 자외선에 의한 열화 현상이 일어날 수 있다. 태양전지 전체를 보호하는 백시트 기능을 오랜 시간 동안 수행하기 위해 열화 현상의 원인 중 하나인 자외선을 어느 정도 차단하고, 또한 그 자외선을 변환시켜 태양전지의 효율을 높이는 것이 필요하다고 판단하였다. 따라서, 본 발명에서는 이의 해결을 위해 도 1에 도시된 바와 같이 태양전지 백시트 층간, 혹은 도 2 내지 3에 도시된 바와 같이 최외면에 양자점을 도입하는 것이 가장 바람직하다고 판단하고, 이를 바탕으로 하여 상술한 본 발명의 구성을 제공하는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따라 형성되는 양자점은 유리 기재에 제조하는 방법, 수용액 상에서 제조하는 방법, 감마선을 이용해 제조하는 방법 등 다양한 형태로 제조 가능하다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따르면, 상기 양자점은 400nm 파장 이하의 자외선을 흡수하여 변환하는 파장의 강도 피크(강도가 가장 높은 부분)는 410 내지 900nm 이하, 더욱 바람직하게는 550 내지 850nm인 것을 특징으로 한다. 양자점의 변환 파장 강도 피크가 900nm 이상이거나 410nm 이하면 태양전지 실리콘 셀의 최대 흡수 파장에서 벗어나게 되므로 바람직하지 않다. 또한, 상기 양자점은 필름간 접착제 조액의 0.1 wt% 이상 10 wt% 이하인 것을 특징으로 한다. 0.1 wt% 이하이면 양자점의 효과가 제대로 나타나지 않으며, 10 wt% 이상이면 성능 대비 가격이나 제조과정 중 입자 안정성, 입자 색에 따른 외관 등에 바람직하지 않다.

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

실시예 1

도 1과 같이 내가수분해성 PET와 반투명 PE 사이에 평균 사이즈 3nm의 황화카드뮴 (CdS) 양자점(Nanoco group PLC사 제품) 콜로이드 (분산용액: 톨루엔)를 원심분리(centrifuge)와 솔벤트 치환(decant & washing)을 이용해 필름 간 접착제 용액 대비 2 wt%로 첨가시키고, 2시간 이상 충분히 초음파기와 교반기를 이용하여 분산시킨 다음 이를 이용해 내가수분해성 PET와 반투명 PE 사이를 합지시켜 백시트를 제조하였다. 상기 백시트를 봉지재와 결정질 실리콘 태양전지 셀, 그리고 전면 글라스를 연결하여 미니모듈을 제조하였다.

실시예 2

도 2와 같이 내가수분해성 PET와 반투명 PE가 합지된 양 측면에 실시예 1과 같은 방법으로 내스크래치성 코팅 조액 대비 2 wt% 농도 양자점을 첨가시키고 분산시킨 다음, 각각 10μm 두께로 내스크래치성 코팅을 실시하였다. 상기 백시트를 봉지재와 결정질 실리콘 태양전지 셀, 그리고 전면 글라스를 연결하여 미니모듈을 제조하였다.

실시예 3

도 3과 같이 내가수분해성 PET와 반투명 PE가 합지된 PET쪽 측면(태양전지셀 반대쪽면, 공기와 맞닿는 부분)에 실시예 2와 같은 방법으로 양자점이 함유된 10 μm 두께의 내스크래치성 코팅을 실시하였다. 상기 백시트를 봉지재와 결정질 실리콘 태양전지 셀, 그리고 전면 글라스를 연결하여 미니모듈을 제조하였다.

실시예 4

도 4와 같이 내가수분해성 PET와 반투명 PE가 합지된 PE쪽 측면 (태양전지셀 면, EVA와 맞닿는 부분)에 실시예 2와 같은 방법으로 양자점이 함유된 10μm 두께의 내스크래치성 코팅을 실시하였다. 상기 백시트를 봉지재와 결정질 실리콘 태양전지 셀, 그리고 전면 글라스를 연결하여 미니모듈을 제조하였다.

비교예 1

상기 실시예 1의 양자점을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 같은 방법으로 하여 미니모듈을 제조하였다.

비교예 2

상기 실시예 2의 양자점을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 같은 방법으로 하여 미니모듈을 제조하였다.

비교예 3

상기 실시예 3의 양자점을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 같은 방법으로 하여 미니모듈을 제조하였다.

비교예 4

상기 실시예 4의 양자점을 첨가하지 않은 것을 제외하고는 실시예 2와 같은 방법으로 하여 미니모듈을 제조하였다.

실험예 1

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지 미니모듈에서의 자외선에 의한 백시트 변형을 알아보기 위해 각각의 태양전지 모듈을 자외선 조사 테스터기(Iwasaki 사)를 이용, 자외선 조도 100mW/㎠의 세기로 72시간 조사 후 백시트의 황변 정도(YI값)을 측정하였다. 이 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

	실시예				비교예
	1	2	3	4	1	2	3	4
YI	1.7	1.59	1.83	1.63	5.6	5.58	5.62	5.65

실험예 2

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 태양전지 미니모듈에서 양자점의 광변환에 의한 태양전지 모듈의 효율 증가를 알아보기 위해 솔라 시뮬레이터(solar simulator)에서 표준 시험 조건(Standard Test Condition; STC) 상에서의 셀 효율을 측정하였다. 이 결과를 다음 표 2에 나타내었다.

	실시예				비교예
	1	2	3	4	1	2	3	4
발전 효율 (%)	15.00	15.50	15.20	14.72	14.36	14.38	14.29	14.41

상기 각 실험예의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 양자점을 가진 폴리에스터 필름을 이용한 태양전지 모듈의 경우는 양자점을 가지지 않는 폴리에스터 필름을 이용한 미니모듈보다 향상된 자외선 차단 효과와 효율 증가를 가짐으로서 태양전지 모듈의 백시트용으로 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있다.

Claims (6)

1. 태양전지 백시트용 배리어층을 형성하는 다층의 폴리에스터 필름 또는 불소필름으로 구성되며,
   상기 폴리에스터 필름 또는 불소 필름의 층간에 또는 공기와 맞닿는 최외면에 접착제 분산 코팅을 통해 양자점이 도입된 것임을 특징으로 하는 양자점을 가지는 태양전지용 백시트.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 양자점은 접착제를 이용한 유기용매 분산 코팅으로 도입되는 것임을 특징으로 하는 양자점을 가지는 태양전지용 백시트.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 양자점은 400nm 파장 이하의 자외선을 흡수하여 변환하는 파장의 강도 피크(peak; 강도가 가장 높은 부분)가 410 내지 900nm 사이인 것을 특징으로 하는 양자점을 가지는 태양전지용 백시트.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 양자점은 유리 기재에 제조하는 방법, 유기용매를 포함한 수용액 상에서 제조하는 방법, 감마선을 이용해 제조하는 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 양자점을 가지는 태양전지용 백시트.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 양자점은 황화 아연(ZnS), 황화 카드뮴(CdS), 셀렌화 아연(ZnSe), 카드뮴 텔루라이드(CdTe)와 같은 단층 구형 입자, 또는 CdSe/ZnS의 코어-쉘(core-shell) 구조의 양자제한효과(quantum confinement effect)에 의해 광학적 특성 조절이 가능한 양자점을 포함함을 특징으로 하는 양자점을 가지는 태양전지용 백시트.
   
6. 청구항 1 내지 5중의 어느 한 항에 따른 양자점을 가지는 태양전지용 백시트를 이용하는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
   

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