KR20180076890A - 유기태양전지 모듈 및 이를 구비한 건물일체형 태양광발전 모듈 - Google Patents

유기태양전지 모듈 및 이를 구비한 건물일체형 태양광발전 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시인성과 태양광 발전 효율이 동시에 향상될 수 있도록 반사부 일체형 구조의 유기태양전지 모듈 및 이를 구비한 BIPV 모듈에 관한 것이다.

Description

유기태양전지 모듈 및 이를 구비한 건물일체형 태양광발전 모듈 {Organic solar cell module and building integrated photo voltaic module comprising the same}
본 발명은 반사부 일체형 구조의 유기태양전지 모듈 및 이를 구비한 건물일체형 태양광발전 모듈에 관한 것이다.
태양전지는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로, 태양으로부터 생성된 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 반도체 소자를 의미한다. 이러한 태양전지는 공해가 적고 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지원으로 기대되고 있다. 최근에 태양전지에 관한 기술은 발전 단가를 낮추는 저가형 태양전지에 대한 연구와 변환 효율을 높이는 고효율 태양전지에 대한 연구가 동시에 진행되고 있다.
태양전지를 응용하고자 하는 한 분야로서 건물일체형 태양광발전 시스템(Building Integrated Photo Voltaic system, 이하 'BIPV 시스템'라 한다)이 있다. 상기 BIPV 시스템은 BIPV 모듈을 이용하여 건축계획 초기단계부터 건물의 일부분으로서 설계되어 건물에 일체화시키는 방식이다.
BIPV 모듈은 건물의 외장재로 사용되어 그에 상응하는 비용을 절감할 수 있고, 건물과의 조화가 잘 이루어지므로 건물의 부가적인 가치를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
현재 시공되고 있는 BIPV는 태양전지 어레이(PV array)를 구성하는 복수의 태양전지 모듈(PV module)을 포함하고, 이 태양전지 모듈은 그 태양전지 패널과 각각 전기적으로 연결되어 태양전지 패널에서 생산되는 전기를 인버터(inverter)나 배터리(battery)에 제공하는 역할을 하는 정션박스(junction box)를 포함한다.
이와 같은 건물일체형 태양광발전 시스템에서, 태양전지 모듈은 건물의 벽이나 지붕, 또는 창문과 같은 창호 등에 일체형으로 설치된다.
대한민국 특허공개 제2010-0034191호에서는 태양전지 어레이 사이에 반사부재를 배치하는 방법을 제시하여 반사부재에 의하여 외부로부터 입사된 빛이 태양전지 패널을 향하여 반사되어 집광 효율을 높일 수 있다고 언급하고 있다. 그러나 태양광발전 효율은 태양의 고도에 영향을 받을 수밖에 없어 원하는 수준의 전지 효율을 확보할 수 없다.
더욱이, 창문이나 창호 등의 건물 일체형으로 설치되는 BIPV의 경우 태양전지 패널로서 실리콘 태양전지를 설치할 경우 건물 내부에서 외부로의 시인각을 결코 확보할 수 없다는 단점이 있다.
따라서 BIPV 모듈을 건물에 적용하기 위해선 높은 전지 효율과 함께 시인성의 확보가 시급하다.
대한민국 특허공개 제2010-0034191호 (2010.04.01), 태양전지 시스템
상기 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 유기태양전지에 입사되는 태양광의 광량을 높이고 시인성을 확보할 수 있도록 반사부와 유기태양전지를 일체화한 모듈을 제작하고, 이를 BIPV에 적용할 경우 시인성을 확보하면서도 전지 효율을 향상시킬 수 있으며, BIPV로서 건축물의 미관 효과를 높일 수 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 반사부와 유리태양전지부가 일체화된 새로운 구조의 반사부 일체형 유기태양전지 모듈을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 시인성이 확보되며 높은 태양전지 효율을 확보할 수 있는 BIPV 모듈을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
기재 필름;
상기 기재 필름 상에 일 방향으로 연장된 스트라이프 패턴 형상으로 형성된 유기태양전지부; 및
상기 기재 필름 상에 상기 유기태양전지부가 형성되지 않는 나머지 영역에 이와 동일 방향으로 연장된 스트라이프 패턴 형상으로 형성된 반사부를 포함하되,
상기 반사부는 굴절률 차이에 의해 유기태양전지부에 입사광을 반사시킬 수 있는 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사부 일체형 유기태양전지 모듈을 제공한다.
이때 반사층은 내부에 필름 내부에 산란 입자를 갖거나, 서로 다른 굴절률을 갖는 층이 적층된 다층 필름 형태일 수 있다.
또한, 본 발명은 프레임 내에 횡 방향으로 연장되어 돌출 구조를 갖는 투명 기판; 및 상기 투명 기판 상에 반사부 일체형 유기태양전지 모듈을 장착한 건물의 외벽을 형성할 수 있는 건물일체형 태양광발전(BIPV) 모듈을 제공한다.
이때 상기 반사부 일체형 유기태양전지 모듈은 투명 기판의 돌출 구조에 대응하도록 설치하되 상기 돌출 구조에 의해 유기태양전지부와 반사부가 소정 각도를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 돌출 구조는 단면부가 원형 또는 다각형의 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반사부 일체형 유기태양전지 모듈은 반사부와 유기태양전지부를 일체형으로 제조하여 다양한 분야에 적용 가능하다.
상기 모듈은 돌출 구조를 갖는 투명 기판에 부착되고, 이는 BIPV 시스템 시스템용으로 적용 가능하여 태양전지 모듈들에 보다 많은 양의 태양광을 입사시킬 수 있고, 이에 따라 한층 향상된 태양광 발전 효율을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 반사부 일체형 유기태양전지 모듈의 정면도
도 2는 상기 도 1의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도
도 3은 OPV부를 보여주는 단면도
도 4는 반사부를 보여주는 단면도
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 BIPV 모듈을 보여주는 모식도
도 6은 투명 기판 사시도
도 7은 OPV 모듈의 적용을 보여주는 도면
도 8은 OPV 모듈의 투명 기판에 대한 부착을 보여주는 도면
도 9는 BIPV 모듈의 입사광 및 반사광의 광 경로를 보여주는 단면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 제한적인 것으로 의도된 것이 아니다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
도면에서 각 부재의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명에서는 시인성이 확보되면서도 태양전지 효율을 높일 수 있는 새로운 구조의 BIPV 모듈 및 여기에 사용 가능한 유기태양전지 모듈(이하 'OPV 모듈'이라 한다)을 제시한다.
반사부 일체형 OPV 모듈
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 반사부 일체형 OPV 모듈(10)의 정면도이고, 도 2는 상기 도 1의 I-I' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 반사부 일체형 OPV 모듈(10)은 기재 필름(11) 상에 OPV부(13)와 반사부(15)가 동일한 면 상에 형성된 구조를 갖는다. 이때 상기 OPV부(13)와 반사부(15)는 동일 방향으로 연장된 스트라이프 패턴 구조를 갖는다.
이때 스트라이프 패턴의 폭은 후속에서 설명되는 BIPV 모듈에 적용 시 투명 기판의 돌출 구조의 경사면 길이에 대응하여 형성된다. 편의상 OPV부(13)와 반사부(15)를 동일 두께로 도시하였으나, 실질적으로 상기 OPV부(13)와 반사부(15)의 폭은 서로 동일할 수도 다를 수도 있다. 바람직하기로, 시인성 확보를 위해선 반사부(15)의 폭을 두껍게 할 수도 있고, 태양광 효율을 높이기 위해선 OPV부(13)의 폭을 두껍게 설계할 수도 있다.
기재 필름(11)은 유연성 및 투명성을 갖는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 바람직하기로 유연하면서도 높은 화학적 안정성, 기계적 강도 및 투명도를 가지는 필름 형태의 투명 고분자 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 투명 고분자 재질로는 노르보르넨이나 다환 노르보르넨계 단량체와 같은 시클로올레핀을 포함하는 단량체의 단위를 갖는 시클로올레핀계 유도체들, 셀룰로오스(디아세틸셀룰로오스, 트리아세틸셀룰로오스, 아세틸셀룰로오스부틸레이트, 이소부틸에스테르셀룰로오스, 프로피오닐셀룰로오스, 부티릴셀룰로오스, 아세틸프로피오닐셀룰로오스), 에틸렌-아세트산비닐공중합체, 폴리에스테르, 폴리스티렌, 폴리아미드, 폴리에테르이미드, 폴리아크릴, 폴리이미드, 폴리에테르술폰, 폴리술폰, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸펜텐, 폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 폴리비닐알콜, 폴리비닐아세탈, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르술폰, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리우레탄, 에폭시 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종이상의 재질을 포함할 수 있다. 이러한 기재 필름(11)은 단층 또는 다층으로 구성이 가능하다.
상기 기재 필름(11)은 시인성을 확보하기 위해 약 400 내지 750 ㎚의 가시광 파장에서 적어도 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상의 투과율을 갖는 것이 좋다.
이러한 기재 필름(11)의 두께는 BIPV 모듈의 용도에 따라 달라질 수 있으며, 본 발명에서 크게 한정하지 않으며 수 마이크론에서 수 밀리미터의 두께로 제작이 가능하다.
본 발명의 반사부 일체형 OPV 모듈(10)을 구성하는 OPV부(13)는 태양광 발전을 위한 것으로, 도 3에 나타낸 바와 같이 기재 필름(11) 상에 음극(131), 광활성층(133), 및 양극(135)이 순차적으로 적층된다. 이러한 OPV부(13)의 구조 및 각 구성요소는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 이 분야에서 공지된 바의 것이면 어느 것이든 사용 가능하다.
구체적으로, 음극(131)은 빛이 광활성층(133)에 도달할 수 있도록 하는 경로가 되므로 높은 투명도를 가지고 약 4.5 eV 이상의 높은 일함수와 낮은 저항을 갖는 전도성 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 음극(131)으로는 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide; ITO), 인듐 아연 산화물(Indium zinc oxide; IZO), 불소도핑 산화주석(fluorine-doped tin oxide; FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 금속산화물 투명 전극; 전도성 고분자, 그래핀(graphene) 박막, 그래핀 산화물(graphene oxide) 박막, 탄소나노튜브 박막과 같은 유기 투명전극; 또는 금속이 결합된 탄소나노튜브 박막과 같은 유-무기 결합 투명전극 등을 사용할 수 있다.
이때 음극(131)의 두께는 10 내지 3000㎚일 수 있다.
양극(135)은 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 백금(Pt), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 니켈(Ni), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 망간(Mn) 등의 금속 입자; 또는 상기 금속원소를 포함하는 전구체, 예를 들면 질산은(AgNO3), Cu(HAFC)2 (Cu(hexafluoroacetylacetonate)2,), Cu(HAFC)(1,5-Cyclooctanediene), Cu(HAFC)(1,5-Dimethylcyclooctanediene), Cu(HAFC)(4-Methyl-1-pentene), Cu(HAFC)(Vinylcyclohexane), Cu(HAFC)(DMB), Cu(TMHD)2(Cu (tetramethylheptanedionate)2), DMAH(dimethylaluminum hydride), TMEDA(tetramethylethylenediamine), DMEAA(dimethylethylamine alane, NMe2Et AlH3), TMA(trimethylaluminum), TEA(triethylaluminum), TBA(triisobutylaluminum), TDMAT(tetra(dimethylamino)titanium), TDEAT(tetra(dimethylamino)titanium) 등 일 수 있다.
광활성층(133)은 공지된 것을 제한없이 사용할 수 있다. 일례로, 광활성층(133)은 전자수용체와 전자공여체가 혼합되어 존재하는 BHJ(bulk hetero-junction) 구조를 갖거나 이들이 각각 적층된 이중층(bilayer) 구조를 가질 수 있다.
이때 사용하는 전자공여체는 반도체 고분자, 공액고분자, 저분자반도체 등의 공지된 물질을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면, PPV(poly(para-phenylene vinylene)계열의 물질, 폴리티오핀(polythiophene)유도체, 프탈로시아닌(pthalocyanine)계 물질 등을 사용할 수 있다. 또한, 전자수용체로는 공지된 물질을 제한없이 사용할 수 있으며, 일례로, 전자 친화도가 큰 플러렌(C60, C70, C76, C78, C82, C90, C94, C96, C720, C860 등); 1-(3-메톡시-카르보닐)프로필-1-페닐(6,6)C61(1-(3-methoxycarbonyl) propyl-1-phenyl(6,6)C61: PCBM), C71-PCBM, C84-PCBM, bis-PCBM, ThCBM 등과 같은 플러렌 유도체들을 사용할 수 있다.
필요한 경우, 상기 음극(131)과 광활성층(133) 사이, 및 광활성층(133)과 양극(135) 사이에 기능층이 형성될 수 있으며, 기능층은 정공 수송층 또는 전자수송층이 될 수 있다.
정공 수송층(Hole transfer layer)으로 이미 공지된 물질을 제한없이 사용할 수 있으며, 예를 들면, MTDATA, TDATA, NPB, PEDOT:PSS, TPD 또는 p-형 금속 산화물 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다. p-형 금속 산화물은 일례로, MoO3 또는 V2O5일 수 있다. 또한, 정공 수송층으로 금속층의 자기조립 박막을 사용할 수 있다. Ni 같은 물질을 증착하여 열처리 하여 형성된 자기조립박막을 기능층으로 사용할 수 있다. 이외에 전기 전도성 고분자 또는 유기 저분자 반도체 물질 등과 같은 유기 반도체를 포함한다. 상기 전기 전도성 고분자는 폴리티오펜(polythiophene), 폴리페닐렌비닐렌(polyphenylenevinylene), 폴리플루오렌(polyfulorene), 폴리피롤(polypyrrole) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다. 상기 유기 저분자 반도체 물질은 펜타센(pentacene), 안트라센(anthracene), 테트라센(tetracene), 퍼릴렌(perylene), 올리고티오펜(oligothiophene) 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.
전자 수송층(electron transfer layer, ETL)은 광활성층(133)에서 생성된 전자가 인접한 전극으로 용이하게 전달되도록 한다. 전자 수송층은 공지된 재료를 제한 없이 사용할 수 있으며, 일례로, 알루미늄 트리스(8-하이드록시퀴놀린)(aluminium tris(8-hydroxyquinoline), Alq3), 리튬플로라이드(LiF), 리튬착체(8-hydroxy-quinolinato lithium, Liq), 비공액 고분자, 비공액 고분자 전해질, 공액 고분자 전해질, 또는 n-형 금속 산화물 등과 같은 재료를 사용하여 형성할 수 있다. 상기 n-형 금속 산화물은 일례로, TiOx, ZnO 또는 Cs2CO3 일 수 있다. 또한, 상기 전자 수송층으로 금속층의 자기조립 박막을 사용할 수 있다.
상기한 구조를 갖는 OPV부(13)는 동일 층에 속하지 않는 서로 이격된 상태의 양극(135)과 음극(131)을 전기적으로 연결되도록 구성할 수 있다. 일례로, 소면적 OPV부(13)들을 마이크로미터 간격으로 형성하고 이를 다시 직렬로 연결하는 공정을 통하여 전기적으로 연결될 수 있도록 구성될 수 있다.
이때 전기적 연결을 위한 배선은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지의 다양한 방법이 사용될 수 있다. 일례로, 납땜, 용접, 도전성 접착제, 이방 전도성 필름(Anisotropic Conductive Film; ACF) 등이 가능하다. 이때 사용하는 재질은 은, 구리 등 금속 재질이 사용 가능하다.
또한, 상기 배선은 충전기의 전원에 연결되는 충전부의 배선단자일 수도 있고, USB(Universal Serial Bus)에 연결되는 USB 충전부의 배선단자일 수 있다. 따라서, 본 발명의 유기태양전지 봉지 모듈에서는 전극에 USB 커넥터를 연결하여 일체화하므로 각종 전자기기의 충전에 사용될 수 있고, USB 충전부(Female)를 형성하여 각종 USB로 충전가능한 전자기기에 사용이 가능하다.
반사부(15)는 OPV부(13)에 시인성을 확보하면서 투과된 광을 제외한 반사광을 입사시켜 상기 OPV에 의한 태양광 전지 효율을 높일 목적으로 사용한다. 상기 OPV부(13)의 광효율은 입사되는 태양광의 광량에 의존하며, 보다 많은 양의 광이 입사할수록 유기태양전지에 의한 광전 변환 효율이 높아진다. 이에 본 발명에서 OPV부(13)와 동일한 방향으로 반사부(15)를 스트라이프 패턴으로 형성하며, 이는 하기에서 설명되는 투명 기판 상에 부착되어 상기 반사부(15)에 입사되는 입사광을 상기 OPV부(13)의 광활성층(133)에 반사시킨다. 이로 인해 상기 광활성층(133)에 입사되는 광량이 증가하여 결과적으로 OPV부(13)에서 생산되는 광전 변환 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 반사부(15)는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 기재 필름(11) 상에 반사층(151)의 형성함으로써 제작한다.
상기 반사층(151)은 굴절률의 차이에 의해 반사가 가능한 층이면 어느 것이든 가능하며, 본 발명에서 그 재질이나 형태를 특별히 한정하지 않는다.
본 발명의 일 구현예에 따르면 반사층(151)은 필름 내부에 광 반사 또는 광 산란이 가능한 입자를 갖는 필름일 수 있다.
상기 반사층(151)의 필름은 시인성이 확보되도록 투명한 재질이 가능하며, 상기 기재 필름(11)에서 언급한 바와 동일 또는 유사한 재질을 포함한다.
상기 광 반사 또는 광 산란이 가능한 입자는 유리, 무기 입자, 및 유기 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함한다. 이러한 산란 입자(Q)의 종류는 입사광을 산란시킨 후 OPV부(13)에 반사시킬 수 있는 재질이면 상기 제시한 재질의 어느 것이라도 가능하다. 필요한 경우, 상기 입자는 OPV부(13)의 광전 변환 효율을 특별히 높일 수 있는 특정 파장의 빛을 반사시킬 수 있는 재질이 선택적으로 사용될 수 있다.
무기 입자로는 지르코니아, 티타니아, 세리아, 알루미나, 산화철, 바나디아, 산화안티몬, 산화주석 및 알루미나/실리카로 이루어진 군에서 선택된 1종이 가능하다. 이러한 무기 입자는 저굴절 입자와 고굴절 입자를 포함하며, 선택적으로 상기 입자를 단독으로 사용하거나 이 둘을 혼합하여 사용할 수도 있다.
유기 입자로는 투명 고분자 재질이 가능하며, 이는 상기 기재 필름(11)에서 언급한 바와 동일 또는 유사한 재질을 포함하다. 일례로, 폴리메틸메타크릴레이트와 같은 아크릴계 고분자 또는 실리콘계 고분자가 사용될 수 있다.
상기 반사층(151) 내 입자는 전체 반사층(151) 내 5 내지 30 중량%의 함량으로 함유되는 것이 바람직하다. 만약 그 함유량이 상기 범위 미만이면 산란 입자(Q)의 낮은 밀도로 인해 상기 OPV부(13)에 충분한 수준으로 빛을 반사시키기 어렵고, 이와 반대로 상기 범위를 초과할 경우 균일한 분산이 어려운 문제가 있다.
이러한 입자는 입경 분포의 중앙치(메디안)가 나노미터에서 마이크로미터를 갖는 범위가 바람직하다. 만약 입경이 이 범위보다 작으면, 산란　입자가 균일하게 분산되기 어려워지고, 이 범위보다 크면, 광산란　입자의 비표면적이 작아져 산란하기 어려워진다.
본 발명의 반사층(151)은 입자를 포함하는 단일 필름으로 형성될 수 있으며, 필요한 경우 2층 이상의 다층 필름의 구성으로 형성될 수 있다. 상기 다층 필름 구성은 입사광의 반사를 최대한 높이기 위한 방식으로 진행될 수 있으며, 일례로 유리, 무기 입자, 유기 입자 중 서로 다른 재질의 입자를 2층 이상 적층하거나, 저굴절 입자를 갖는 저굴절층/고굴절 입자를 갖는 고굴절층과 같이 서로 다른 굴절률을 갖도록 구성할 수도 있으며, 입자 크기를 서로 달리하여 구성할 수도 있다. 이러한 다층 필름의 구성은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 선택될 수 있으며 다양한 변형 및 변경이 가능하다.
한편, 본 발명의 다른 구현예에 따르면, 반사층(151)은 서로 다른 굴절률을 갖는 층이 적층되어, 상기 굴절률 차이에 의해 빛을 반사시킬 수 있는 다층 필름 형태일 수 있다.
서로 다른 굴절률을 갖는 층은 층의 재질이 다르거나, 연신 등의 기계적 공정을 통해 굴절률이 변경된 층이 사용될 수 있다.
일례로, 한 층은 굴절률이 1.5인 유리 재질이 사용될 수 있고, 다른 한 층은 굴절률이 1.6인 폴리카보네이트와 같은 투명 고분자 재질이 사용될 수 있다. 이때 상기 굴절률의 차이가 너무 클 경우 반사층(151)의 헤이즈(haze)가 높아져 시인성이 저하될 수 있으므로, 굴절률의 차이를 고려하여 층의 구성을 제어할 수 있다.
또한, 연신 공정을 수행할 경우 일축 연신 방향(X 방향)으로 높은 굴절률을 가지고, 이는 다른 방향(Y 방향)으로 연신되어 낮은 굴절률을 갖는 필름이 각각 제조되고, 이를 합지할 경우 굴절률 차이에 의해 특정 파장의 빛을 선택적으로 반사하는 광학 간섭이 이루어질 수 있다.
상기 다층 필름은 수 나노에서 마이크론의 두께를 가질 수 있으며, 전체 레이어 수는 2개 이상, 바람직하기로 2 내지 50개 정도를 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 반사층(151)은 서로 다른 굴절률을 갖는 층이 적층된 다층 필름을 갖되, 이들 중 어느 하나의 층에 광반사 또는 광산란 입자자 존재하는 다층 필름 형태일 수 있다.
이때 광반사 또는 광산란 입자를 갖는 하나의 필름 구성은 연신 또는 미연신 필름일 수 있으며, 상기 다층 필름의 맨 하부 또는 상부에 위치하여 반사층(151)에 의한 빛의 반사 및 산란 효과를 더욱 증가시킨다.
전술한 바의 본 발명에 따른 반사층(151)을 포함하는 반사부(15)의 두께는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으나, OPV부(13)의 두께와 거의 유사하거나 동일한 두께로 형성한다. 다만, 시인성 확보를 위해 투명성을 유지하면서도 OPV부(13)에 대한 반사율이 50% 이상, 바람직하기로 60% 이상을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
OPV 모듈 제조 공정
전술한 바의 OPV부(13) 및 반사부(15)를 구비한 OPV 모듈(10)은 도면에서 표시한 바와 같이 OPV부(13)와 반사부(15)가 기재 필름(11) 상에 동일하게 형성된 일체화된 구조를 갖는다. 이러한 일체화된 구조는 종래 OPV부(13) 내에 별도의 반사판을 구비하거나 OPV부(13)과 별도로 반사판을 설치한 구조와는 다른 구조를 갖는다.
본 발명의 반사부 일체형 OPV 모듈(10)의 제조는 하기와 같이 진행될 수 있다.
먼저, 기재 필름(11) 상의 정해진 영역에 OPV부(13) 또는 반사부(15) 중 어느 하나를 형성한다.
다음으로, 상기 OPV부(13) 또는 반사부(15)가 형성되지 않은 영역에 반사부(15) 또는 OPV부(13)를 형성한다.
상기 OPV(11) 및 반사부(15)의 형성 순서를 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공정 장비나 공정 효율 등을 고려하여 정한다. 일례로, 기재 필름(11) 상에 반사부(15)를 형성한 다음, OPV부(13)를 형성하는 것이 바람직하다.
OPV부(13)의 형성은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지의 OPV의 제조 공정을 따른다.
일례로, 기재 필름(11) 상에 음극(131)을 형성하는 단계; 상기 음극(131) 상에 광활성층(133)을 형성하는 단계; 및 상기 광활성층(133) 상에 양극(135)을 형성하는 단계를 거쳐 OPV부(13)를 제작한다.
음극(131) 및 양극(135)은 열 기상 증착, 전자 빔 증착, RF 또는 마그네트론 스퍼터링, 화학적 증착 또는 이와 유사한 건식 증착을 수행하거나, 코팅 또는 인쇄법 등의 습식 공정을 통해 수행할 수 있다.
광활성층(133)은 전술한 바의 조성을 갖는 광활성층 형성용 조성물을 제조한 다음, 이를 습식 코팅 후 건조하는 방식에 의해 상기 음극(131) 상에 형성한다.
습식 코팅 방식은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 일례로 슬롯다이 코팅, 스핀 코팅, 그라비어 코팅, 분무 코팅, 스핀 코팅, 인쇄법, 닥터 블레이딩 등의 통상의 코팅 방법에 의해 실시될 수 있다.
상기 코팅 용액의 코팅 후, 코팅된 기재에 대해 선택적으로 건조 또는 열처리하는 후처리 공정을 실시할 수 있다. 상기 건조는 50 내지 400℃, 바람직하게는 70 내지 200℃에서 1 내지 30분 동안 열풍건조, NIR 건조, 또는 UV 건조를 통하여 실시될 수 있다. 상기 후처리 공정의 온도 및 시간은 기재의 종류 및 물성에 따라 달라질 수 있다.
상기 음극(131)의 형성에 앞서 선택적으로 기재 필름(11)에 O2 플라즈마 처리법, UV/오존 세척, 산 또는 알칼리 용액을 이용한 표면 세척, 질소 플라즈마 처리법 및 코로나 방전 세척으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 방법을 이용하여 상기 기재 필름(11)의 표면을 전처리하는 공정을 더욱 수행할 수 있다.
반사부(15)의 형성은 광 반사 또는 광 산란 입자를 갖는 반사층(151), 서로 다른 굴절율을 갖는 다층 필름을 갖는 반사층(151) 또는 이들 모두가 구성된 반사층(151)을 포함하는 필름을 상기 기재 필름(11)에 코팅하거나 합지하는 공정으로 수행한다.
일례로, 광 반사 또는 광 산란 입자를 갖는 반사층(151)의 경우, 투명 고분자와 상기 입자를 혼합하여 슬러리 조성물을 제조한 다음, 이를 기재 필름(11) 상에 습식 코팅하는 방식으로 수행할 수 있다.
또한, 다층 필름의 경우 2종 이상의 필름을 각각 연신한 후 접착층에 의해 합지하여 다층 필름 구조의 반사층(151)을 제작하고, 이를 다시 기재 필름(11) 상에 접착층을 통해 합지하는 공정을 통해 제조가 가능하다.
상기 사용하는 접착층은 투명한 재질의 접착 재질이 바람직하며, 용제형 접착제, 에멀젼형 접착제, 감압 접착제, 제습성 접착제, 중축합형 접착제, 무용제형 접착제, 필름형상 접착제, 핫멜트형 접착제 등이 가능하다. 일례로 폴리비닐알코올 수지, 폴리메틸메타크릴레이트 수지 등의 아크릴계 수지, 폴리스티렌 수지, 스티렌-아크릴 공중합체 수지, 폴리에틸렌 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄 수지, 실리콘계 수지, 폴리에스테르계 수지 등이 가능하다.
상기한 단계를 거쳐, 기재 필름(11) 상에 OPV부(13) 및 반사부(15)를 형성한 다음, 배선을 수행하고 밀봉하여 OPV 모듈을 제작한다.
배선은 납땜 등의 방식을 통해 이뤄질 수 있으며, 이를 통해 복수개의 단위 모듈이 전기적으로 연결된다.
이어, 반사부 일체형 OPV 모듈(10)을 밀봉하여 산소 및 수분을 포함하는 외부 환경으로부터 차단한다. 일례로, 상기 반사부 일체형 OPV 모듈(10) 전체를 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 등의 소재로 된 투명 배리어 필름으로 라미네이팅 공정을 거쳐 제작한다.
이어, 모듈을 절단하여 복수 개의 단위 모듈을 하나씩 절단하여 생산한다. 이렇게 절단된 단위 모듈은 하기 설명되어질 투명 기판에 부착되어 BIPV 모듈로서 적용된다.
BIPV 모듈
전술한 바의 반사부 일체형 OPV 모듈(10)은 건물의 외벽을 형성할 수 있는 BIPV 모듈에 적용 가능하다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 BIPV 모듈(100)을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 BIPV 모듈(100)은 프레임(300) 내에 상기 제시한 반사부 일체형 OPV 모듈(10)을 배치하되, 상기 모듈(10)이 투명 기판(200) 상에 적층된 구조를 갖는다. 이러한 BIPV 모듈(100)은 단위 모듈로 제작되어, 복수 개의 어레이 형태로 배치되어 건물의 외벽으로 사용함으로써 BIPV 시스템을 구성한다.
특히, 본 발명의 BIPV 모듈(100)은 도 5에 나타낸 바와 같이 스트라이프 패턴으로 형성된 반사부 일체형 OPV 모듈(10)로 인한 광전 변환율을 최대로 높이기 위해, OPV부(13) 및 반사부(15)가 경사를 이루는 것이 바람직하며, 이를 위해 상기 반사부 일체형 OPV 모듈(10)을 지지하기 위한 투명 기판(200) 자체가 경사된 구조를 갖는 것이 유리하다.
바람직하기로, 본 발명에서 제시하는 투명 기판(200)은 벽체로 사용하기 위해 수직 방향으로 배열되는 일측(즉, 외벽측)이 횡 방향으로 연장되어 돌출 구조를 갖는다. 상기 돌출 구조는 단면부가 원형 또는 다각형의 구조일 수 있으며, 일례로 삼각형, 사각형, 오각형 이상의 돌출 구조일 수 있다. 상기 돌출 구조는 이에 적층되는 반사부 일체형 OPV 모듈(10) 내 OPV부(13)와 반사부(15)가 서로 소정의 각도를 갖는 형태면 그 어떤 형태라도 가능하다.
일례로, 본 발명의 투명 기판(200)의 돌출 구조는 도 6에 나타낸 바와 같이 단면이 삼각형을 갖는 돌출 구조일 수 있다. 이때 상기 투명 기판(200)은 벌크 상태의 기판 상에 돌출 구조가 패턴화되거나, 두 개의 투명 기판(200)이 소정 각도로 연결되어 배치함으로써 돌출 구조를 형성한 것일 수 있다.
투명 기판(200)의 돌출 구조의 경사면의 길이는 상기 반사부 일체형 OPV 모듈(10)의 OPV부(13) 또는 반사부(15) 중 적어도 하나의 폭과 동일하게 형성하고, 다른 경사면의 길이는 반사부(15) 또는 OPV부(13) 중 적어도 하나의 폭과 동일하게 형성하여, 상기 투명 기판(200) 상에 OPV부(13)와 반사부(15)가 접합될 수 있도록 한다.
일례로, 도 6에 나타낸 바와 같이, 투명 기판(200)의 돌출 구조가 탑부에서 보았을 때 삼각형으로 단면화될 수 있는 프리즘 구조일 경우, 삼각형 모서리의 예각이 20 내지 90도를 가져, 상기 반사부(15)가 OPV부(13)에 입사광을 충분히 반사하고, 외벽으로 사용시 시인성을 충분히 확보할 수 있도록 한다. 특히, OPV부(13)가 배치되는 투명 기판(200)의 삼각형의 단면은 중심점의 수평 방향에 대해 0 내지 45도의 각도를 갖는 것이 바람직하다.
상기 돌출 구조는 프리즘 구조 이외에, OPV부(13)와 반사부(15)가 소정 각도를 이루도록 배치될 수 있는 구조에 대응하는 형태면 어느 것이든 가능하며, 단면으로 보았을 때 삼각형 이외에 사각형 이상의 다각형이 가능하다. 이러한 돌출 구조의 변경에 따라 필요한 경우 OPV부(13)와 반사부(15)의 패터닝 형태가 달라질 수 있다. 예를 들면, 도 1과 같이 OPV부(13)와 반사부(15)가 하나씩 서로 반복되는 구조에서, 2단의 OPV부(13)에 대해 1단의 반사부(15)가 반복되는 구조일 수 있으며, 이의 반대 형태 또한 가능하다.
본 발명에서 사용하는 투명 기판(200)은 건물의 외벽으로 사용되고 있는 유리 재질 또는 유리를 대체할 수 있는 투명 플라스틱 재질이면 어느 것이든 사용 가능하며, 본 발명에서 특별히 한정하지 않는다.
일례로, 상기 투명 기판(200)으로는 강화 유리, 양면 강화 유리, 반강화유리, 양면 반강화 유리, 접합유리 또는 복층 유리일 수 있다. 다만, 태풍이나 지진 등의 자연 재해로부터 건축물을 안전하게 보호하기 위해, 외부 충격에 의해서도 안전하게 버틸 수 있도록 최소한의 두께, 일례로 12mm의 강화 유리를 기본으로 한다.
또한, 투명 플라스틱 재질로는 시인성으로 인한 투명성과 외벽으로서 사용하기 위한 강도(내충격성, 경도, 내구성, 등)를 동시에 갖는 재질이 가능하다. 일례로, 상기 투명 플라스틱 재질로는 전술한 바의 기재 필름(11)에서 언급된 재질이 사용될 수 있으며, 그 중에서도 폴리카보네이트, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리스티렌, 투명 ABS 또는 이들의 조합 재질이 사용될 수 있다. 이때 상기 투명 플라스틱 재질은 벌크 형태로 단일 패널로 제작되거나, 표면에 하드 코팅층이 형성된 2층 이상의 서로 다른 재질이 적층된 구조일 수 있다.
또한, 투명 기판(200)의 돌출 구조는 다양한 방법이 가능하며, 일례로 유리 소재의 경우 평판형 유리 기판의 표면을 건식 또는 습식 식각 공정을 통해 식각하여 형성할 수 있다. 또한, 투명 플라스틱 재질의 경우 식각 방식보다는 몰딩에 의한 성형 방법을 통해 제조가 가능하다.
이러한 투명 기판(200)에 부착되는 반사부 일체형 OPV 모듈(10)은 상기 투명 기판(200)의 돌출 구조에 대응하도록 도 7에 나타낸 바와 같이 아코디언 또는 자바라 형태로 폴딩한 후 상기 투명 기판(200) 상에 부착된다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따라 BIPV 모듈(100)의 제작을 보여주는 모식도이다. 이때 도 8을 보면, 반사부 일체형 OPV 모듈(10)에서 OPV부(13)와 반사부(15) 각각은 상기 돌출 구조의 상하부 면에 배치된다.
상기 부착은 투명 기판(200) 상에 접착제를 도포한 후 반사부 일체형 OPV 모듈(10)의 합지 후 건조를 통해 수행할 수 있다. 이때 접착제는 전술한 바의 투명 접착제 재질이 사용될 수 있다.
상기 BIPV 모듈(100)에서 반사부 일체형 OPV 모듈(10)은 도면에는 도시하지 않았으나 마이크로 인버터와 전선으로 연결되어 수집된 태양광을 전기 에너지로 변환한다. 이때 전선 연결은 상기 프레임(300)은 내측이 비어 있는 통관 구조를 통해 이루고, 전선은 프레임(300)의 내측을 통과하여 BIPV 모듈(100)과 마이크로 인버터를 연결함으로써 전선이 외부로 노출되어 건물의 미관을 해치는 것을 방지한다. 상기 마이크로 인버터는 개별 또는 복수의 단위별 설치를 위해 사용되는 것이 바람직하다.
이러한 BIPV 모듈(100)은 프레임(300)의 사이에 좌우 방향으로 간격을 이루며 복수로 결합됨으로써 자가발전을 행하게 된다.
도 9는 본 발명에 따른 BIPV 모듈(100)에 있어서 광 반사 경로를 보여주는 도면이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, BIPV 모듈(100)의 OPV부(13) 및 반사부(15) 각각에 광이 입사되고, 이때 OPV부(13)에 입사된 광은 광전 변환 메카니즘에 의해 전기를 발생시킨다. 또한, 반사부(15)에 입사된 광은 상기 반사부(15)의 표면에 존재하는 굴절 패턴(Q)에 의해 다양한 다시 반사 경로를 통해 반사되어 OPV부(13)에 입사된다.
이러한 굴절 패턴(Q)을 갖는 반사부(15)로 인해 최적 굴절이 용이하여 빛이 어느 방향으로 입사하든지 OPV부(13)에 입사광이 효과적으로 반사되어 최적 효율로 광전 변환 효율을 확보할 수 있다.
특히, 본 발명에서 제시하는 BIPV 모듈(100)의 다양한 배치를 통해 건축물 자체에 디자인을 형상화할 수 있다. 이러한 디자인으로 인해 건축물에 디자인을 주고 다양한 느낌의 개성을 표현할 수 있어 건축물의 아름다움을 극대화할 수 있다.
10: 반사부 일체형 유기태양전지 모듈
11: 기재필름
13: 유기태양전지부
15: 반사부
100: BIPV 모듈
131: 음극
133: 광활성층
135: 양극
151: 반사층
200: 투명 기판
300: 프레임

Claims (10)

  1. 기재 필름;
    상기 기재 필름 상에 일 방향으로 연장된 스트라이프 패턴 형상으로 형성된 유기태양전지부; 및
    상기 기재 필름 상에 상기 유기태양전지부가 형성되지 않는 나머지 영역에 이와 동일 방향으로 연장된 스트라이프 패턴 형상으로 형성된 반사부를 포함하되,
    상기 반사부는 굴절률 차이에 의해 유기태양전지부에 입사광을 반사시킬 수 있는 반사층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사부 일체형 유기태양전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반사층은 적어도 하나의 필름 내부에 광 반사 또는 광 산란 입자를 포함하는 단층 또는 다층 필름;
    서로 다른 굴절률을 갖는 필름이 2층 이상 적층된 다층 필름; 또는
    서로 다른 굴절률을 갖는 층이 적층된 다층 필름을 갖되, 이들 중 어느 하나의 층에 광반사 또는 광산란 입자가 존재하는 필름을 구비한 다층 필름인 것을 특징으로 하는 반사부 일체형 유기태양전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광반사 또는 광산란 입자는 유리, 무기 입자 및 유기 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종의 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사부 일체형 유기태양전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 무기 입자는 지르코니아, 티타니아, 세리아, 알루미나, 산화철, 바나디아, 산화안티몬, 산화주석 및 알루미나/실리카로 이루어진 군에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 반사부 일체형 유기태양전지 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 유기 입자는 투명 고분자 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사부 일체형 유기태양전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기재 필름은 투명 고분자 재질인 것을 특징으로 하는 반사부 일체형 유기태양전지 모듈.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유기태양전지부는 상기 기재 필름 상에 음극, 광활성층 및 양극이 순차적으로 적층된 것을 특징으로 하는 반사부 일체형 유기태양전지 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반사층은 투명 고분자 재질을 포함하는 것을 특징으로 하는 반사부 일체형 유기태양전지 모듈.
  9. 건물의 외벽을 형성할 수 있는 BIPV 모듈(건물일체형 태양광발전, building integrated photo voltaic)로서,
    프레임 내에 횡 방향으로 연장되어 돌출 구조를 갖는 투명 기판; 및 상기 투명 기판 상에 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 반사부 일체형 유기태양전지 모듈이 장착하되, 유기태양전지부와 반사부가 상하로 배열되도록 배치하는 것을 특징으로 하는 BIPV 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 돌출 구조는 이에 장착된 유기태양전지부와 반사부가 소정 각도로 배치될 수 있도록 원형 또는 다각형의 단면 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 BIPV 모듈.
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