KR20160083008A - 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름 및 상기 필름을 포함하는 전자 디바이스 - Google Patents

다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름 및 상기 필름을 포함하는 전자 디바이스 Download PDF

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홍규 첸
얀 후앙
아다 유 장
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다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

적어도 2개의 층을 갖는 다층 캡슐화제 필름은 캡슐화제 수지를 포함하는 제1 층, 및 캡슐화제 수지 및 적어도 하나의 다운-컨버터, 예컨대 희토류 유기금속 착물을 포함하는 제2 층을 포함한다. 다운-컨버터는 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 적어도 0.0001 wt%의 양으로 존재할 수 있다. 다층 캡슐화제 필름의 추가의 층은 다운-컨버터를 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있다. 바람직하게는, 다층 캡슐화제 필름은 적어도 하나의 다운-컨버터를 갖는 적어도 하나의 층 및 다운-컨버터가 없는 적어도 하나의 층을 함유한다. 그와 같은 다층 다운-컨버팅 필름은 전자 디바이스, 예컨대 PV 모듈에 사용될 수 있다.

Description

다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름 및 상기 필름을 포함하는 전자 디바이스{MULTILAYER DOWN-CONVERTING ENCAPSULANT FILMS AND ELECTRONIC DEVICES INCLUDING THE SAME}
발명의 분야
일 측면에서 본 발명은 다층 캡슐화제(encapsulant) 필름에 관한 것이며, 한편 또 하나의 측면에서, 본 발명은 다운-컨버팅(down-converting) 캡슐화제 필름을 사용한 태양 전지 효율의 증가에 관한 것이다.
발명의 배경
PV 모듈에 사용되는 캡슐화제 필름은 다양한 성분에 대한 우수한 부착력, PV 모듈 및 태양전지를 보호하고 셀로의 수분 침투를 방지하는 능력 및 우수한 전기 절연을 포함하는 몇 개의 요건을 갖는다. 또한, 캡슐화제 필름은 전력 생산을 최대화하기 위해 태양전지로 최대 광 전송을 가능하게 하여야 한다.
모든 셀 물질은 그것이 상기 물질을 전기로 효과적으로 전환시킬 수 있는 파장에 도입될 때 몇몇 제한을 갖는다. 예를 들면, UV 영역 및 IR 영역 중 몇몇 부분은 전력으로 효과적으로 전환될 수 없다. 이것은 낭비되는 에너지이다.
이러한 낭비되는 에너지를 포획하기 위해, 다르게 사용할 수 없는 파장을 사용가능한 파장으로 업-컨버팅(up-converting) 또는 다운-컨버팅하는 물질이 요구된다. 예를 들면, 다운-컨버팅 물질은 UV-파장 광자를 취하여 그것을 태양전지에 의해 사용될 수 있는 더 긴 파장으로 전환시킨다. 유사하게, 업-컨버팅 물질은 IR-영역 광자를 취하여 그것을 태양전지에 의해 사용될 수 있는 더 짧은 파장으로 전환시킨다. 그러나, 이들 전환 물질은 효율 및 비용 제한을 갖는다. 그와 같은 업-컨버팅 및 다운-컨버팅 물질은 전형적으로 유용한 스펙트럼에서 더 낮은 광 투과를 갖거나 다량의 첨가제를 필요로 하여 필름을 실행하는데 비용-효과적이지 않다.
미사용된 UV 파장을 전지 효율을 증가시키고 모듈 온도를 낮추기 위한 PV 셀에 의해 흡수될 수 있는 더 낮은 에너지 광자로 다운-컨버팅시키는 저비용 캡슐화제 필름에 대한 필요가 존재한다.
발명의 요약
일 구현예에서, 본 발명은 적어도 2개의 층을 포함하는 다층 캡슐화제 필름이다. 제1 층은 캡슐화제 수지를 포함하고, 제2 층은 캡슐화제 수지 및 적어도 하나의 다운-컨버터, 예컨대 희토류 유기금속 착물을 포함한다. 다운-컨버터는 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 적어도 0.0001 wt%의 양으로 존재할 수 있다.
또 하나의 구현예에서, 본 발명은 적어도 3개의 층을 갖는 다층 캡슐화제 필름이며, 하나의 층은 캡슐화제 수지 및 적어도 하나의 다운-컨버터 (즉, 희토류 유기금속 착물)를 포함하고, 적어도 하나의 층은 캡슐화제 수지를 포함하지만 다운-컨버터는 없다. 다층 캡슐화제 필름의 추가의 층은 다운-컨버터를 포함할 수 있거나 포함할 수 없다. 다층 캡슐화제 필름에서 다운-컨버터의 총량은 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 적어도 0.0001 wt%일 수 있다.
또 하나의 구현예에서, 본 발명은 적어도 하나의 PV 셀을 갖는 다층 캡슐화제 필름을 포함하는, 전자 디바이스, 예컨대 PV 모듈이다. 다층 필름의 제1 층은 캡슐화제 수지를 포함하고, 제2 층은 캡슐화제 수지 및 적어도 하나의 다운-컨버터, 예컨대 희토류 유기금속 착물을 포함한다. 다운-컨버터는 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 적어도 0.0001 wt%의 양으로 존재할 수 있다.
바람직한 구현예의 상세한 설명
정의
본 개시내용에서 수치 범위는 대략적이며, 따라서 다르게 명시되지 않으면 범위를 벗어난 값들도 포함할 수 있다. 수치 범위는 한 단위의 증분으로 하한값 및 상한값으로부터 및 하한값 및 상한값을 포함하는 모든 값들을 포함하며, 단, 임의의 하한값과 임의의 상한값은 적어도 두 단위가 떨어져 있다. 예로서, 예를 들면, 분자량, 점도, 용융 지수 등과 같이 조성, 물리적 또는 다른 특성이 100 내지 1,000인 경우, 모든 개별적인 값, 예컨대 100, 101, 102 등 및 하위 범위, 예컨대 100 내지 144, 155 내지 170, 197 내지 200 등이 명확히 열거되는 것으로 의도된다. 1 미만이거나 1 초과의 분수 (예를 들면, 1.1, 1.5 등)를 함유하는 값을 함유하는 범위의 경우, 한 단위는 적절하게 0.0001, 0.001, 0.01 또는 0.1인 것으로 여겨진다. 10 미만의 한 자릿수 수치를 함유하는 범위 (예를 들면, 1 내지 5)의 경우, 한 단위는 전형적으로 0.1인 것으로 여겨진다. 이들은 명확하게 의도된 것의 유일한 예시이며, 열거된 최저값 및 최고값 사이의 모든 가능한 수치 값의 조합은 본 개시내용에 명확히 언급되는 것으로 고려되어야 한다. 반대로 언급되거나, 맥락으로부터 암시되거나 당해기술에 관례적이지 않으면, 모든 부 및 백분율은 중량 기준이다.
"포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "갖는(having)" 및 유사 용어는 이들이 구체적으로 개시되었든 개시되지 않았든 임의의 추가 성분, 단계 또는 절차의 존재를 배제하는 것으로 의도되지 않는다. 어떠한 의심도 피하기 위해, 용어 "포함하는"을 사용하여 청구된 모든 공정들은 반대로 언급되지 않으면 하나 이상의 추가의 단계, 장비의 피스 또는 구성 요소 및/또는 물질을 포함할 수 있다. 그에 반해서, 용어 "~로 본질적으로 이루어진"은 작동성에 필수적이지 않은 것들을 제외하고 임의의 계속되는 열거의 범위로부터 임의의 다른 성분, 단계 또는 절차를 배제한다. 용어 "~로 이루어진"은 구체적으로 기술되거나 열거되지 않은 임의의 성분, 단계 또는 절차를 배제한다. 용어 "또는"은, 다르게 언급되지 않으면, 개별적으로 열거된 구성원 뿐만 아니라 이들의 임의의 조합을 나타낸다.
"직접 접촉"은 제1 층, 필름 또는 성분이 제2 층, 필름 또는 성분과 상기 층들, 필름들 또는 성분들 사이에 위치한 중재 층(들) 및/또는 중재 물질(들) 없이 직접 접촉하는 배치이다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "캡슐화제"는 PV 모듈에서 캡슐화 층으로 사용된 폴리올레핀-기반 필름을 나타낸다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "전자 디바이스"는 적어도 2개의 필름 층들 사이에 봉입된 전자 부품을 갖는 임의의 디바이스를 나타낸다. 전자 디바이스는, 예를 들면, 액정 패널, 태양전지, 광전지 셀, 광전지 모듈, 전기-발광성 디바이스 및 플라즈마 디스플레이 유닛을 포함한다.
"인터폴리머"는 적어도 2개의 상이한 유형의 모노머의 중합에 의해 제조된 폴리머를 의미한다. 이러한 일반 용어는 2개의 상이한 유형의 모노머로부터 제조된 폴리머 및 2개 초과의 상이한 유형의 모노머로부터 제조된 폴리머, 예를 들면, 삼원중합체, 테트라폴리머 등을 지칭하는데 보통 이용되는 공중합체를 포함한다.
본원에서 사용된 바와 같이, 용어 "다층"은 적어도 2개의 층을 갖는 구조를 나타낸다. 예를 들면, 용어 "다층"은 필름 구조에 관하여 사용될 때 적어도 2개, 적어도 3개 및 적어도 4개의 층을 갖는 필름을 포함한다.
"폴리올레핀", "PO" 및 유사 용어는 단일 올레핀으로부터 유도된 폴리머를 의미한다. 많은 폴리올레핀은 열가소성이며 본 발명의 목적을 위해, 고무 상(rubber phase)을 포함할 수 있다. 대표적인 폴리올레핀은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리부텐, 폴리이소프렌 및 그것의 다양한 인터폴리머를 포함한다.
다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름
일 측면에서, 적어도 2개의 층 및 적어도 하나의 층에 다운-컨버터를 갖는 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름이 제공된다. 일 구현예에서, 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름은 2-층 필름이다. 그와 같은 2-층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름은 단지 2개의 층을 포함하며, 각각은 적어도 하나의 캡슐화제 수지 및 임의로 첨가제, 예를 들면, 상용화제, UV 안정제, 및 유리 부착을 위한 작용화제(functionalization)를 포함한다. 2-층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 적어도 하나의 층은 적어도 하나의 다운-컨버터를 포함한다. 바람직하게는, 2-층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 단 하나의 층만이 적어도 하나의 다운-컨버터를 함유할 것이다. 1 초과의 캡슐화제 수지가 2-층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 단일 층에 사용될 수 있다.
또 하나의 측면에서, 적어도 3개의 층 및 적어도 하나의 층에 다운-컨버터를 갖는 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름이 제공된다. 적어도 3개의 층을 갖는 그와 같은 다층 다운-컨버팅 캡슐화 필름의 각 층은 적어도 하나의 캡슐화제 수지 및 임의로, 예를 들면, 상용화제 및 UV 안정제와 같은 첨가제를 포함한다. 적어도 하나의 다운-컨버터가 상기 층 중 적어도 하나에 제공된다. 바람직하게는, 적어도 3개의 층을 갖는 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 적어도 하나의 층은 다운-컨버터를 포함하지 않는다. 더 바람직하게는, 적어도 3개의 층을 갖는 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 적어도 2개의 층은 다운-컨버터를 포함하지 않는다. 1 초과의 캡슐화제 수지가 적어도 3개의 층을 갖는 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 단일 층에 사용될 수 있다.
일부 구현예에서, 캡슐화제 수지 층 이외의 층이 본원에 기재된 구현예 중 어느 것에 따라서 다층 캡슐화제 필름에 포함될 수 있다.
본원에 기재된 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 임의의 구현예에서, 필름은 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 적어도 90 중량 퍼센트 (wt%) 캡슐화제 수지, 바람직하게는 적어도 95 wt% 및 더 바람직하게는 적어도 98 wt% 캡슐화제 수지를 함유할 수 있다. 본원에 기재된 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 임의의 구현예에서 캡슐화제 수지의 총량은 많아야 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 99.999 wt%일 수 있다. 이것은 90 wt% 내지 99.999 wt%, 95-99.999 wt% 및 98-99.999 wt% 양의 캡슐화제 수지를 포함한다.
본원에 개시된 임의의 구현예에 따르는 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름은 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 적어도 0.0001 wt%, 바람직하게는 적어도 0.001 wt% 및 더 바람직하게는 적어도 0.01 wt%의 적어도 하나의 다운-컨버터를 함유할 수 있다. 다운-컨버터는 많아야 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 10 wt%, 바람직하게는 5 wt% 및 더 바람직하게는 2 wt%의 양으로 존재할 수 있다. 이것은 0.0001-10 wt%, 0.001-5 wt% 및 0.01-2 wt%의 범위를 포함한다. 1 초과의 다운-컨버터를 사용하는 구현예에서, 다운-컨버터의 총량은 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 적어도 0.0001 wt%, 바람직하게는 적어도 0.001 wt% 및 더 바람직하게는 적어도 0.01 wt%일 수 있다. 본원에 기재된 바와 같이 다층 필름에 존재하는 모든 다운-컨버터의 총량은 많아야 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 10 wt%, 바람직하게는 5 wt% 및 더 바람직하게는 2 wt의 양으로 존재할 수 있다. 이것은 0.0001-10 wt%, 0.001-5 wt% 및 0.01-2 wt%의 범위를 포함한다.
다른 첨가제가 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름에 사용될 때, 첨가제는 당해기술에 권고된 공지된 표준 양으로 사용될 수 있다. 전형적으로, 사용된 첨가제의 총량은 10 wt% 이하, 바람직하게는 5 wt% 이하, 및 더 바람직하게는 2 wt% 이하이다.
다층 다운-컨버팅 필름은 공압출, 개별적인 층의 적층, 또는 기재 필름 위에 하나의 물질의 압출 코팅에 의해 제조될 수 있다. 일 구현예에서, 다층 다운-컨버팅 필름은 공압출 또는 적층에 의해 제조된다.
캡슐화제 수지
상기 개시된 임의의 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름에서, 캡슐화제 수지는 동일하거나 상이한 폴리머일 수 있다. 캡슐화제 수지로서 사용하기에 적합한 폴리머는, 예를 들면, 에틸렌 알파-올레핀 공중합체 수지, EVA 수지, 아크릴레이트 공중합체, 이오노머, 실리콘 또는 다른 공지된 캡슐화제 물질을 포함할 수 있다. 캡슐화제 수지는 향상된 유리 부착력, 가교결합 또는 다른 원하는 작용성을 위한 실란 또는 다른 변형을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 캡슐화제 수지는 폴리올레핀 공중합체이다. 본원에 기재된 임의의 구현예에 따르는 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름에 유용한 폴리올레핀 공중합체는 비제한적으로, 폴리올레핀 인터폴리머 또는 공중합체 및, 더 바람직하게는, 에틸렌 알파-올레핀 인터폴리머를 포함한다. 본 발명에 사용하기 위한 바람직한 알파-올레핀은 식 CH2-CHR*로 나타내며, 여기서 R*은 1 내지 12개의 탄소 원자를 갖는 선형 또는 분지형 알킬 그룹이다. 적합한 α-올레핀의 예는, 비제한적으로, 프로필렌, 이소부틸렌, 1-부텐, 1-펜텐, 1-헥센, 4-메틸-1-펜텐 및 1-옥텐을 포함한다. 하나의 특히 바람직한 α-올레핀은 프로필렌이다.
다운-컨버터
본원에 기재된 임의의 구현예에서, 적어도 하나의 다운-컨버터가 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 적어도 하나의 층에 제공된다. 다운-컨버터는 단파장 광을 더 긴 파장 광으로 전환시킬 수 있는 희토류 유기 착물이다. 바람직하게는, 본 발명에 유용한 다운-컨버터는 약 200-550 nm, 바람직하게는 225-500 nm의 UV 범위에서 강한 흡수를 가지며 약 400-1,200 nm, 바람직하게는 500-900 nm, 및 가장 바람직하게는 600-800 nm로부터 방출한다.
본 발명에 사용하기에 적합한 다운-컨버터는 UV 광을 흡수하고 높은 효율을 갖는 적색 광을 방출하는 희토류 유기금속 착물을 포함한다. 본원에서 사용된 바와 같이, 본원에서 개시된 다운-컨버터를 갖는 층을 포함하는 전자 디바이스는, 비교할만한 전자 디바이스가 다운-컨버터, 또는 희토류 유기금속 착물을 포함하지 않는다는 점만 제외하고는 상기 전자 디바이스와 동일한 비교할만한 전자 디바이스와 비교하여 0.05% 초과의 절대 모듈 효율의 증가를 나타내는 경우 높은 효율을 갖는다. 예를 들면, 높은 효율은, 비교할만한 전자 디바이스가 다운 컨버터를 포함하지 않는다는 점만 제외하고는 상기 전자 디바이스와 동일한 비교할만한 전자 디바이스와 비교하여 0.05% 초과의 절대 모듈 효율의 증가, 또는 적어도 0.07%, 적어도 0.08% 또는 적어도 0.09%의 절대 모듈 효율의 증가를 특징으로 할 수 있다. 일부 구현예에서, 높은 효율은 상기에서 기재된 바와 같은 비교할만한 전자 디바이스와 비교하여 적어도 0.1%의 절대 모듈 효율의 증가를 특징으로 할 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 절대 모듈 효율은 태양전지 위에 필름을 배치하고 클래스 AAA (AM 1.5 참조 스펙트럼 방사) 솔라 시뮬레이터를 사용하여 전류-전압 (IV) 특징적인 곡선을 기록함으로써 결정된다. 퍼센트 효율 (% Eff)은 총 태양 방사로 나눠지는 태양전지에 의해 발생된 최대 전력 (W)으로 계산된다 (1000 W/m2 X 태양전지 면적 (m2)).
이들 다운-컨버터, 또는 희토류 유기 금속 착물은 캡슐화제 수지 내로 도핑될 수 있고 가시광을 흡수하지 않는 다층 캡슐화제 필름 내로 형성될 수 있다. 1 초과 유형의 다운-컨버터가 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 주어진 층에 존재할 수 있으며, 일부 구현예에서, 상이한 다운-컨버터는, 특히 다운-컨버팅 캡슐화제 필름이 적어도 3개의 층을 함유하는 다층 필름인 경우 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 상이한 층에 제공될 수 있다.
다운-컨버터에 유용한 희토류 이온은, 비제한적으로, 유로퓸 (Eu), 테르븀 (Tb), 란탄 (La), 세륨 (Ce), 프라세오디뮴 (Pr), 네오디뮴 (Nd), 프로메튬 (Pm), 사마륨 (Sm), 디스프로슘 (Dy), 홀뮴 (Ho), 에르븀 (Er), 툴륨 ™ 및 이테르븀 (Yb)을 포함한다. 이들 희토류 이온은 다양한 리간드에 착화되어 본 발명의 2-층 및 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름에서 다운-컨버터로서 사용하기에 적합한 희토류 유기 착물을 생성할 수 있다. 적합한 리간드는, 비제한적으로, β-디케톤 기반 물질, 예컨대 디벤조일메탄; 테노일트리플루오아세톤(thenoyltrifluoacetone); 아세틸아세톤; 1,3-디페닐-1,3-프로판 디온; 아세틸아세톤; 벤조일아세톤; 디-벤조일 아세톤; 디이소 부티로일 메탄; 3-메틸 펜탄-2,4-디온; 2,2-디메틸 펜탄-3,5-디온; 2-메틸-1,3-부탄 디온; 1,3-부탄 디온; 3-페닐-2,4-펜탄 디온; 1,1,1-트리플루오로 2,4-펜탄 디온; 1,1,1-트리플루오로-5,5-디메틸-2,4-헥산 디온; 2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵탄 디온; 3-메틸-2,4-펜탄 디온; 1,3-디페닐-2-메틸-1,3-프로판 디온; 및 1-에톡시-1,3-부탄 디온을 포함한다.
하이드록실 산은 또한 리간드로도 이용될 수 있다. 다른 리간드는 트리옥틸아민, 트리옥틸포스핀 옥사이드 (TOPO), 바이피리딜, 트리카프릴릴메틸염화암모늄, 트리이소옥틸아민, 1,10-페난트롤린, 및 방향족 화합물 (예컨대 살리실산 및 벤조산)을 포함한다.
예시적인 Eu 착물은 Eu(TTA)3bipy이며, 여기서 TTA는 테노일트리플루오아세톤이고 bipy는 바이피리딜이다. 이 착물은 250 nm 내지 450 nm의 UV 범위에서 강한 흡수를 가지며 612 nm의 강한 적색 광을 방출한다. 또 하나의 예시적인 Eu 착물은 Eu(TTA)3 phen이며, 여기서 phen은 1,10-페난트롤린이다. Eu(TTA)3 phen은 250 nm 내지 400 nm의 UV 범위에서 강한 흡수를 가지며 614 nm의 강한 적색 광을 방출한다.
예시적인 Tb 착물은 Tb(ssal)3이며, 여기서 ssal은 설포살리실산이다. Tb(ssal)3은 250 nm 내지 360 nm의 UV 범위에서 강한 흡수를 가지며 550 nm의 강한 녹색 광을 방출한다. 예시적인 Sm 착물은 Sm(TTA)3 phen이며, 여기서 TTA 및 phen은 상기에서 기재된 바와 같다. Sm(TTA)3 phen은 250 nm 내지 400 nm의 UV 범위에서 강한 흡수를 가지며 647 nm 및 697 nm의 적색 광을 방출한다.
다운-컨버터는 용융 블렌딩 접근법을 사용하여 그리고 착물을 폴리올레핀 내에 분산시켜 캡슐화제 수지에 부가될 수 있다. 예를 들면, 다운-컨버터는 전형적으로 고체 형태로 (즉, 미세 분말로서) 제공된다. 다양한 양의 희토류 착물이 60-80 rpm에서 200℃에서 10분 동안 하케(Haake, 폴리랩(Polylab) 브랜드)를 사용하는 용융 블렌딩에 의해 캡슐화제 수지 내로 혼입된다. 그러나, 추가의 예시적인 구현예에서, 희토류 착물은 당해기술에 공지된 임의의 공정 또는 기술을 사용하여 캡슐화제 수지에 부가될 수 있다.
다른 성분
추가의 다운-컨버터, UV 안정제 및 상용화제를 포함하는 다른 첨가제가 본원에서 개시된 바와 같은 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름의 임의의 층 또는 층들의 조합에 사용될 수 있다. 이들 첨가제는 당해기술에 공지된 표준 공정 또는 기술을 사용하여 캡슐화제 수지로 혼입될 수 있다.
UV 안정제, 상용화제 및 다른 그와 같은 첨가제는 당해기술에 공지되어 있다. 추가의 다운-컨버팅 물질은, 예를 들면, 하기를 포함할 수 있으며 하기에 제한되지 않는다:
(a) (i) 광발광성 란탄족 양이온 예컨대 La, Ce, Pr, Eu, Nd, Pm, Sm, Tb, Dy, Ho, Er, Tm 및 Yb를 함유하는 나노입자 화합물;
(ii) 나노입자 (i) 또는 코어-쉘 구조를 갖는 반도체 나노결정 화합물 (ii) 중 하나 이상을 포함하는 복합물을 포함하는, 태양광의 하나의 높은 에너지 광자로부터 1 초과의 엑시톤을 생산할 수 있는 상기 언급된 반도체 나노결정 화합물의 그룹으로부터 선택된 양자점으로서, 상기 나노입자 또는 나노결정은 약 1 nm 내지 약 200 nm의 크기 범위를 갖는, 양자점; 및
(iii) 희토류 금속, 특히 Yb로 도핑된 양자점, 예컨대 Yb-도핑된 ZnO 양자점, Pr3+ 개별 이온 활성화된 플루오라이드- 및 옥사이드-기반 포스포르의 QC, 및 2가/3가 희토류 이온 활성화된 QC 포스포르 예컨대 Gd3 +-Eu3 +, Gd3 +-Tb3 + 및 Pr3+-Mn2+ 2가 이온 활성화된 포스포르로부터 선택된 무기 나노입자; 및
(b) 로다민, 쿠마린, 루브렌, 트리스(8-옥소퀴놀린) 알루미늄(III) (Alq3), N,N,N',N'-테트라페닐벤지딘 (TDP), Gaq2Cl, 페릴렌 염료, 나프탈렌, 카본산, 바이올란트론, 이소-바이올란트론 및 이들 첨가제의 유도체로부터 선택된 유기 발광성 다운-컨버팅 첨가제.
전자 디바이스
임의의 상기 구현예에 기재된 것들과 같은 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름은 전자 디바이스 또는 다른 적층된 구조에 포함될 수 있다. 본 발명의 바람직한 측면에서, 다층 다운-컨버팅 캡슐화제 필름은 PV 셀 또는 모듈에 사용된다.
일반적으로, PV 모듈은 광이 최초로 접촉하는 "상부 필름"으로부터 출발하여 하기를 순서대로 포함한다: (i) 보통 유리를 포함하는, 광-수용 및 투과 탑 시트 또는 커버 시트 필름, (ii) 전방 캡슐화 필름, (iii) PV 셀, (iv) 후방 캡슐화 필름, 및 (v) 보통 유리 또는 다른 중합체 필름 구조 후면 층 기재를 포함하는, 백시트 필름. 주어진 전자 디바이스에서 광전지 셀의 수는 디바이스의 성질 및 용도에 따라 가변적일 것이다.
상기 기재된 PV 모듈의 (i)-(v)의 필름은 적층을 통해 결합된다. 적층을 통해, 탑 시트는 전방 캡슐화 필름과 직접 접촉되고 백시트는 후방 캡슐화 필름과 직접 접촉된다. PV 셀은 전방 및 후방 캡슐화 필름 사이에 고정되고 전방 및 후방 캡슐화 필름과 직접 접촉된다.
본 발명의 다층 필름은 바람직하게는 PV 모듈 또는 다른 전자 디바이스에서 전방 캡슐화 필름으로 사용된다. 다층 다운-컨버팅 필름에 존재하는 다운-컨버터는 PV 셀에 의해 다르게 사용할 수 없거나 더 적게 사용되는 광 파장 (즉, 200-550 nm)을 사용가능한 파장 (400-1,000 nm)으로 다운-컨버팅한다. 본 발명의 필름은 또한 후방 캡슐화 필름으로 사용될 수 있지만, 그와 같은 사용은 PV 모듈에 거의 없거나 아예 없는 효과를 가질 것이다.
후방 캡슐화 필름 및 백시트 필름은 당해기술에 공지된 임의의 후방 캡슐화 필름 및 백시트 필름일 수 있다. 예를 들면, 후방 캡슐화제는 폴리올레핀-기반일 수 있거나 EVA를 기반으로 할 수 있으며, 백시트 필름은, 비제한적으로, 폴리아미드/폴리아미드/폴리아미드 (AAA) 백시트, 폴리(비닐 플루오라이드)/폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET)/폴리아미드 (TPA) 백시트, 플루오로폴리머/폴리에틸렌 테레프탈레이트/폴리아미드 (FPA) 백시트, 폴리아미드/PET/폴리아미드 (APA) 백시트, Tedlar (또는 폴리(비닐 플루오라이드))/(PET)/Tedlar (또는 폴리(비닐 플루오라이드)) (TPT) 백시트, Kynar (또는 폴리(비닐리덴 플루오라이드))/PET/Kynar (또는 폴리(비닐리덴 플루오라이드)) (KPK) 백시트, 플루오로폴리머/PET/플루오로폴리머 (FPF)를 포함할 수 있다.
적어도 2개의 층을 갖는 다층 필름 및 적어도 3개의 층을 갖는 다층 필름을 포함하는, 본원에 기재된 다층 다운-컨버팅 필름은 광범위한 PV 셀 기술을 위해 잠재적인 이점을 가지며 상기 셀 물질로 제한되는 것으로 의도되지 않는다. 일반적으로, 본 발명의 필름에 유용한 셀은 약 400-1,100 nm의 전체 유효 범위를 갖는다. 예를 들면, 셀 물질은, 비제한적으로, 다중-결정성 실리콘, 모노-결정성 실리콘, 비결정성 실리콘, 카드뮴 텔루라이드 (CdTe), 구리 인듐 갈륨 셀레늄 (CIGS), 구리 인듐 셀레늄 (CIS) 및 갈륨 아르세나이드 (GaAs), 뿐만 아니라 400-1,100 nm 범위에서 작동할 수 있는 당해기술에 공지된 다른 물질을 포함한다.
실시예
희토류 착물 다운-컨버터 Eu (TTA) 3 phen 의 제조
재료:
TTA: TCI 컴파니(TCI Company)로부터 입수가능한 4,4,4-트리플루오로-1-(2-티에닐)-1,3-부타데디온
Phen: 시노팜 케미칼 리에이전트 컴파니(Sinopharm Chemical Reagent Company)로부터 입수가능한 1,10-페난트롤린
EVA: 듀퐁(DuPont)으로부터 Elvax 150W로 입수가능한 에틸렌 비닐 아세테이트 (밀도 0.957 g/cc, 용융 지수 43 g/10 min, 용융점 63℃)
0.446 g (1 mmol)의 Eu(NO3)3·6H2O를 10 ml 에탄올에 용해시키고 상기 용액을 20 ml의 에탄올 중 TTA (0.666 g, 3 mmol) 및 phen (0.198 mg, 1 mmol)의 혼합 용액에 70℃에서 교반시키면서 서서히 부가한다. pH 값을 6.5-7로 조정한다. 상기 용액을 2시간 동안 반응시킨다. 이후 결정성 침전물을 수집하고 80℃에서 건조시킨다.
다층 다운 - 컨버팅 캡슐화제 필름의 제조
하기 실시예에 사용된 기재 수지는 ASTM D792에 의해 측정될 때 0.870 g/cc의 밀도를 갖고 ASTM D-1238 (190℃/2.16 kg)에 의해 측정될 때 5 g/10 min의 용융 지수 (MI)를 갖고 시차주사열량계 (DSC)에 의해 측정될 때 59℃의 용융점을 갖고 ASTM D-790에 의해 측정될 때 1570 psi (10.8 MPa)의 2% 시컨트 모듈러스(secant modulus)를 갖고 DSC에 의해 측정될 때 -53℃의 유리전이 온도 (Tg)를 갖는 ENGAGE 8200 열가소성 에틸렌/1-옥텐 공중합체이다.
다양한 양의 상기 제조된 희토류 착물 Eu(TTA)3phen을 폴리머 내로 편입한다. 폴리머-착물 블렌드를 60-80 rpm에서 200℃에서 10분 동안 하케(폴리랩 브랜드)를 사용하여 혼합하고 이어서 신속한 냉각 공정에 의해 제조된다. 화합된 샘플을 주형에 넣고 0.25 mm 두께의 필름이 되도록 110℃에서 압축한다. 2개의 층을 갖는 다층 캡슐화제 필름은 0.25 mm 두께의 2개의 층들을 0.5 mm의 총 두께를 갖는 하나의 필름으로 압축하여 제조된다.
하기 표 1은 다양한 실시예 및 비교 실시예의 조성을 보여준다. 다운-컨버터를 갖거나 갖지 않는 캡슐화제 필름을 그것의 상대 효율 향상 (Δη (%))을 결정하기 위해 시험한다. 효율은 태양전지 위에 필름을 배치하고 클래스 AAA (AM 1.5 참조 스펙트럼 방사) 솔라 시뮬레이터를 사용하여 전류-전압 (IV) 특징적인 곡선을 기록하여 결정된다. 퍼센트 효율 (% Eff)은 총 태양 방사로 나눠지는 태양전지에 의해 발생된 최대 전력 (W)으로 계산된다 (1000 W/m2 X 태양전지 면적 (m2)). 2개의 상이한 태양전지, CIGS 및 CdTe에 대한 효율을 결정한다. 블랭크 ENGAGE 8200 필름 (0.5 mm 두께)을 갖는 CIGS 및 CdTe의 효율은 각각 11.26% 및 10.45%이다.
표 1: 필름 조성 및 효율 향상
Figure pct00001
*는 비교 실시예 (임의의 층에 존재하는 다운-컨버터가 없음)를 나타낸다.
추가의 비교를 위해, 동일한 총량의 Eu(TTA)3phen을 갖는 동일한 두께 (0.5 mm)의 단일 층 캡슐화제 필름을 시험한다. 상대 효율 향상은 하기 표 2에서 보여준다.
표 2: 실시예 11 및 12의 동일한 총 착물 로딩을 갖는 단일 층 필름과의 비교
Figure pct00002
*는 비교 실시예 (단일층)를 나타낸다.
보여주는 바와 같이, 단일 층에 농축된 다운-컨버터 및 다운-컨버터를 갖지 않는 적어도 하나의 층을 갖는 다층 필름은 동일한 총량의 다운-컨버터를 갖는 단일 층 캡슐화제 필름보다 더 높은 효율을 갖는다. 단일 층에 다운-컨버터를 갖는 다층 캡슐화제 필름, 또는 적어도 하나의 층에 다운-컨버터를 갖고 다운-컨버터를 함유하지 않는 적어도 하나의 층을 갖는 다층 캡슐화제 필름을 사용함으로써, PV 셀 모듈의 효율이 향상되고 다운-컨버터 물질의 총 비용이 감소될 수 있다.

Claims (15)

  1. (a) 캡슐화제 수지를 포함하는 제1 층; 및
    (b) 캡슐화제 수지 및 적어도 하나의 희토류 유기금속 착물을 포함하는 제2 층을 포함하는 캡슐화제 필름(encapsulant film).
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 희토류 유기금속 착물은 적어도 0.0001 wt%의 양으로 존재하는, 캡슐화제 필름.
  3. 전자 디바이스로서,
    전방 캡슐화제 필름; 및
    적어도 하나의 PV 셀을 포함하되,
    상기 전방 캡슐화제 필름은,
    적어도 하나의 캡슐화제 수지를 포함하는 제1 층, 및
    적어도 하나의 캡슐화제 수지 및 적어도 하나의 희토류 유기금속 착물을 상기 전방 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 적어도 0.0001 wt%의 양으로 포함하는 제2 층을 포함하는, 전자 디바이스.
  4. 청구항 3에 있어서, 희토류 유기금속 착물을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는 상기 전자 디바이스와 동일한 필적하는 전자 디바이스와 비교하여 0.05% 초과의 절대 모듈 효율의 증가를 포함하는, 전자 디바이스.
  5. 청구항 3에 있어서, 희토류 유기금속 착물을 포함하지 않는다는 점을 제외하고는 상기 전자 디바이스와 동일한 필적하는 전자 디바이스와 비교하여 적어도 0.1%의 절대 모듈 효율의 증가를 포함하는, 전자 디바이스.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 희토류 유기금속 착물은 상기 캡슐화제 필름의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 2 wt%의 양으로 존재하는, 필름 또는 전자 디바이스.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 층의 상기 캡슐화제 수지는 에틸렌/α-올레핀 공중합체인, 필름 또는 전자 디바이스.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 층의 상기 캡슐화제 수지는 실란-그라프팅된 폴리올레핀인, 필름 또는 전자 디바이스.
  9. 청구항 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 캡슐화제 수지를 포함하는 제3 층을 추가로 포함하는, 필름 또는 전자 디바이스.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 제3 층은 적어도 하나의 희토류 유기금속 착물을 추가로 포함하는, 필름 또는 전자 디바이스.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 캡슐화제 필름에 존재하는 희토류 유기금속 착물의 총량은 적어도 0.0001 wt%인, 필름 또는 전자 디바이스.
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 층은 적어도 2종의 희토류 유기금속 착물을 포함하는, 필름 또는 전자 디바이스.
  13. 청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 희토류 유기금속 착물은 약 200 내지 550 nm의 파장을 갖는 UV 광을 흡수하는, 필름 또는 전자 디바이스.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 희토류 유기금속 착물은 약 400 내지 1,200 nm의 파장을 갖는 광을 방출하는, 필름 또는 전자 디바이스.
  15. 청구항 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 희토류 유기금속 착물은 Eu-, Tb- 또는 Sm-기반 착물인, 필름 또는 전자 디바이스.
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