KR20200093074A - 태양 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 태양 전지의 전방 방사선 수신측(front radiation-receiving side) 상에 또는 수신측 내에, 투명 또는 반투명 재료의 하나 이상의 층으로 코팅되고 임의적으로 후 코팅으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재로 이루어진 효과 안료를 포함하는 층을 포함하는 태양 전지 또는 태양 전지 모듈, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 투명 또는 반투명 재료의 하나 이상의 층 및 임의적으로 후 코팅(post coating)으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재(flake-form substrate)로 이루어진 효과 안료(effect pigment)를 포함하는 층을 포함하는 태양 전지 또는 태양 전지 모듈, 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 지난 몇년 동안 큰 성공을 거두었으며, 2017년에는 전 세계의 연간 그리드 연결 설비 규모가 100 GW를 능가할 것이며 그들 중 대다수는 유틸리티 규모(utility scale)로 설치될 것이다. 모든 태양 전지의 기본 기능은 동일하다: 즉, 광활성 재료는 광을 흡수하여 여기된 전자-정공 쌍을 생성한다. 이러한 전자-정공 쌍은 전자 및 정공에 대해 상이한 이동성을 가진 영역(소위 p-n 접합)에 의해 태양 전지 내에서 분리된다. 다양한 종류의 광 흡수성 재료가 사용될 수 있기 때문에, 태양광 산업에는 아래와 같은 여러 가지 상이한 종류의 태양 전지 기술이 알려져 있다:
1) 결정질 실리콘 태양 전지(단결정질 c-Si 및 다결정질 mc-Si);
2) 카드뮴-텔루라이드 태양 전지(CdTe);
3) 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드(CIGS/CIS);
4) 비정질 실리콘 태양 전지(a-Si);
5) 갈륨-비소(GaAs) 태양 전지와 같은 III/V 족 태양 전지, 또는 게르마늄/인듐-(알루미늄)-갈륨-비소 또는 인(In(Al)GaAs/P)과 같은 III 족 및 V 족 원소의 스택으로 이루어진 다중 접합 태양 전지;
6) 염료 감응형 태양 전지(DSSC);
7) 유기 태양 전지(OSC);
8) 페로브스카이트 태양 전지(PSC);
9) 양자점 태양 전지(QSC);
10) 아연 셀레나이드(ZnSe) 황화철(FeS)과 같은 II 족 및 VI 족 원소로 이루어진 기타 II/VI 족 태양 전지;
11) 탠덤 태양 전지.
그러나, 건물의 더 많은 표면 및 물체(예를 들면, 자동차) 상의 다른 표면을 사용하면 태양 에너지 생산에 사용할 수 있는 전체 표면적이 증가한다. 매력적인 색상으로 태양 전지를 제조하고 다른 흡수각 하에서 효율을 증가시키는 이러한 새로운 기술 및 접근 방식은 태양 에너지 사업에서 주요 관심사이다.
냉각을 위한 태양 전지에서의 안료의 용도가 일본 특허 제 JP 5648906 B2 호에 기술되어 있다. 안료는 태양 전지의 작동 온도를 감소시키기 위해 IR 태양 방사선의 일부를 반사하는데 사용된다. 국제 특허 공개 제 WO 07/050756 호, 제 WO 09/143407 호 및 미국 특허출원 제 2011/023943 호는 광전지 모듈을 위한 안정화제, 염료, 안료, 플레이크, 다른 첨가제, 또는 이들의 혼합물을 임의적으로 포함하는 선택된 중합체 필름 및 특수 중합체의 층을 포함하는 보호 시트를 개시한다.
오늘날, 착색 태양 전지를 얻는 옵션 및 기술은 제한적이다:
(1) Si-층의 제한된 색상 옵션 및 기타 기술의 사용;
(2) 반사 방지 코팅의 변화에 의한 색상;
(3) 착색 유리의 사용;
(4) 반사성 중간층의 사용.
대부분의 기술 및 재료는 양호한 색상을 제공하지 않으며, 착색은 태양 전지의 효율에 있어서 상당한 손실을 초래하거나 높은 생산 비용(다층 기술)으로 인해 고가이다. 15 내지 40% 범위의 효율 손실이 가능하다.
본 발명의 목적은 첨단 태양 전지 또는 태양 전지 모듈을 착색하는데 효율적인 재료 및 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 전방 방사선 수신측(front radiation-receiving side) 상에 또는 수신측 내에, 투명 또는 반투명 재료의 하나 이상의 층으로 코팅되고 임의적으로 후 코팅으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재로 이루어진 적어도 하나의 효과 안료를 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는 태양 전지 또는 태양 전지 모듈, 및 이러한 효과 안료를 포함하는 코팅 조성물을 태양 전지 또는 태양 전지 모듈에 적용하는 방법에 의해 해결된다.
"전방 방사선 수신측 상에 또는 수신측 내에(on or in the front radiation-receiving side)"라는 용어는 착색된 층이 태양 전지 또는 태양 전지 모듈을 보호할 수 있거나 또는 착색된 층이 유리의 내측면 상에 또는 완성된 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 상부에 적용된 보호 호일 상에 또는 외부 호일 상에 적용될 수 있다는 것을 의미한다. 다시 말하면, 착색된 층은 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 가시부(visible part) 내에 위치된다. 착색된 층은 적층 호일뿐만 아니라 분무, 코팅 또는 인쇄에 의해 적용될 수 있다.
본 발명은 우수한 가요성을 갖고 적거나 무시할만한 태양 전지 효율 손실 및 높은 수준의 장기 안정성으로 광범위한 다양한 색상을 구현할 수 있는 복수의 전기적으로 상호 연결된 태양 전지로 제조된 첨단 (단일) 태양 전지 및 태양 전지 모듈을 착색하기 위한 고효율성 재료 및 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 버스 바(bus bar)가 없고 태양 전지 모듈에서 단일 태양 전지가 보이지 않는 동시에 적거나 무시할만한 태양 전지 효율 손실이 달성되는 경우 높은 색 균일성을 달성하기 위한 솔루션을 제공한다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 효과 안료는 유리 또는 Si 상에 인쇄되거나 EVA 필름(에틸 비닐 아세테이트 필름)에 사용되었을 때 전체 태양 전지 효율을 현저하게 감소시키지 않으면서 충분한 색상을 제공하는데 이상적인 것으로 밝혀졌다. 장기 안정성 시험은 높은 수준의 안정성을 보여 주었다. (http://sinovoltaics.com/learning-center/testing/damp-heat-test/ 에 기술되어 있는 바와 같은) 기후 챔버 고온 고습 1000 시험(climate chamber damp heat 1000 test)은 태양 전지의 상부에 직접 인쇄된 임의의 결합제 내에 효과 안료 층을 갖는 제조된 단일 셀 태양광 모듈의 장기 안정성에 전혀 영향을 미치지 않음을 보여 주었다. 효과 안료 함유 층과 태양 전지 사이의 직접적인 접촉은 태양광 모듈의 셋업에서 가장 까다로운 위치이므로, 태양광 모듈 스택의 어떤 위치에서도 부정적인 영향이 가정될 수 없다.
효과 안료는 가시 태양 광선의 일부를 반사하지만, 에너지를 생성하는데 필요한 광선은 통과시킨다. 이들 효과 안료는 최상의 효율의 각도를 모듈화하고 색상 및 효율성을 발휘할 수 있도록 배향될 수도 있다. 첨단 태양 전지 또는 태양 전지 모듈에 효과 안료를 용이하게 적용하는 능력은 적용을 보다 효율적으로 만든다.
따라서, 본 발명은 태양 전지에서의 플레이크형 효과 안료의 용도에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 투명 또는 반투명 물질의 하나 이상의 층으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재로 이루어진 효과 안료를 포함하는 태양 전지 또는 태양 전지 모듈에 관한 것이다. 본 발명을 이용함으로써, 태양 전지 및 태양 전지 모듈의 가시적 외관은 특별한 요구에 적응될 수 있다. 빌딩, 디바이스, 자동차 등과 같은 태양 전지를 포함하는 물체 외부의 가시적 외관이 개선될 수 있으며, 태양 전지의 투명도 및 반사율이 제어될 수 있다. 또한, 어두운 배면 시트를 사용하고 버스 바 및 접점이 어두워지면 셀 및 밝게 착색된 버스 바의 가시성이 회피된다. 또한, 본 발명은 특정 효과 및 디자인, 예를 들면 사용된 효과 안료에 따라 질감이 추가될 수 있는 수단, 예를 들면 패널에 대한 스파클 효과를 달성하기 위해 특이한 색상을 갖는 태양 전지 또는 태양 전지 모듈을 제공하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 주요 장점은 사람들에게 익숙한 중립적인 모습으로 외관을 변경함으로써 태양 전지 또는 태양 전지 모듈을 임의의 표면 내에 이음매없이 매끄럽게 통합시킬 수 있다는 것이다. 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 착색은 다양한 색상에 걸쳐 가능하며, 유리 또는 단일 태양 전지 기술과 같은 경질 기재로 제한되지 않는다. 또한, 적층 스택 내의 다른 층과 같은 임의 복잡한 솔루션이 반드시 필요한 것은 아니다.
또한, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 효율이 태양 전지 성능에 영향을 미치는 커다란 단점을 갖는 현재의 이용 가능한 기술과는 대조적으로 크게 영향을 받지 않기 때문에, 태양열 발전 비용이 유의미하게 증가하지는 않으며, 여기서 실제 조건 하에서 태양 전지의 효율은 >15%의 초기 성능에서 10% 아래로 떨어진다.
놀랍게도, 효과 안료는, 효과 안료의 농도가 그에 따라 선택되는 경우, 전지 효율에 미미한 영향을 미치면서 태양 전지를 균질하게 채색할 가능성을 나타낸다. 놀랍게도, 특히 진주 광택 안료, 간섭 안료 및/또는 다층 안료와 같은 종래의 효과 안료가 상기 효과를 나타내는 것으로 밝혀졌다. 이들 효과 안료의 작동 원리는 특정 파장 영역의 선택 반사에 기초하기 때문에, 색상 효과는 선택적으로 조정될 수 있으며, 생성 효율은 광선의 반사된 부분과 직접적으로 상관될 수 있다. 일반적으로, 목적하는 색상 효과는 이미 특정 파장의 낮은 반사에서 수득될 수 있다. 성능은 일부 플레이크에 의해 감지된 700 내지 1100 nm의 전용 파장에서 향상될 수도 있으며, 이는 양자 효율에 중요하다. 전체 시스템의 장기 안정성은 긍정적으로 테스트된다.
투명 또는 반투명 재료의 하나 이상의 층으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재를 포함하는 효과 안료, 용매 시스템, 상기 효과 안료를 고정시키기 위한 유기 또는 무기 결합제 시스템 또는 이들의 혼합물, 및 임의적으로 하나 또는 다수의 첨가제를 포함하는 코팅 조성물이 태양 전지 또는 태양 전지 모듈에 적용된다.
효과 안료는 모든 표면에 국소적으로 유연하게 적용할 수 있기 때문에, 모든 다른 용도에 제공될 수 있다:
1) 효과 안료 코팅은, 완성된 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 외부 상에, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈을 보호하는 보호 기판(유리 또는 플라스틱) 상에, EVA(에틸 비닐 아세테이트 필름), TPU(열가소성 폴리우레탄) 또는 실리콘과 같은 임의의 적층 재료 상에 또는 내에, 또는 광활성 재료/태양 전지의 바로 위에 적용될 수 있다.
2) 효과 안료 층은, 그라비아 인쇄, 플렉소 인쇄, 오프셋 인쇄, 탐폰 인쇄, 바람직하게는 스크린 인쇄, (마이크로) 분무 코팅, 딥 코팅, 슬롯 다이 코팅, 닥터 블레이드/나이프 코팅, 디스펜싱, 레이저 보조 전사(laser-assisted transfer), 커튼 코팅, 필름 전사 코팅(film transfer coating), 에어로졸 분사, 분말 코팅, 잉크젯 인쇄, 브러싱 또는 유사한 방법과 같은 분무, 코팅 또는 여러 가지 인쇄 방법에 의해 적용될 수 있다.
3) 예를 들면, 자동차, 기차, 트럭, 트레일러, 수동 장치, 선박, 가격표, 플라스틱, 웨어러블 품목 및 가전 제품 등과 같은 빌딩, 통신 및 운송 물체와 같은 일반적으로 착색된 표면에 적용된다.
4) 본 발명은, 단일 전지로 제조된 태양 전지 모듈뿐만 아니라 비정질, 단결정 및 다결정질 실리콘 태양 전지, CIGS, CdTe, III/V 태양 전지, II/VI 태양 전지, 페로브스카이트 태양 전지, 유기 태양 전지 및 염료 감응형 태양 전지를 포함하는 모든 종류의 태양 전지 기술에 적용될 수 있다. 결정질 태양 전지는 결정질 실리콘 기재를 기반으로 하는 Al-BSF, PERC, PERL, PERT, HIT, IBC, 양면형 또는 임의의 다른 전지 유형과 같은 전지 구조를 포함한다.
5) 본 발명은 태양 전지를 빌딩(전면 및 지붕), 휴대용 및 설치된 디바이스, 자동차(승용차, 오토바이, 스쿠터, 트럭 등), 또는 태양 전지의 전형적인 기술적인 모습을 사람들이 사용하는 전형적인 외관으로 변경하고 장기 안정성이 필수적인 다른 종류의 태양광 설비 내에 이음매없이 매끄럽게 통합하는데 사용될 수 있다.
효과 안료 층은 태양 전지의 전면의 외관을 다른 색상, 예를 들면 적색, 보라색, 녹색 등으로 표현한다. 효과 안료 층은 상이한 농도뿐만 아니라 상이한 층 두께를 갖는 효과 안료 입자를 포함할 수 있다.
본 발명은, 외관을 사람들이 사용하는 중립적인 모습으로 변경함으로써 태양 전지를 임의의 표면 내에 이음매없이 매끄럽게 통합시킬 수 있는 가능성을 제공한다. 유리하게도, 본 발명은, 광학적 외관을 변경시키지 않고서 태양 전지의 이음매없는 통합을 필요로 하는 빌딩, 승용차, 휴대용 장치 또는 임의의 다른 고 가시성 표면과 같은 많은 종류의 표면 내에 태양 전지를 포함시킬 수 있다. 단일 전지와 버스 바, 전도 경로 및 납땜 지점 사이의 공간을 감추기 위해, 효과 안료 층이 이러한 영역의 상부에 있는 한은 어두운 색상의 그리드(태양 전지 블루 또는 블랙)를 태양광 모듈의 임의의 층에 통합시켜 이러한 영역을 감출 수 있다. 단일 전지들 사이의 공간을 감추기 위해, 전지들 뒤에 흑색 또는 암색 태양광 블루 배면 층이 사용될 수 있다. 이것은 인쇄될 수 있거나 호일일 수 있다.
유리하게는, 본 발명의 착색된 코팅은 또한 반사 방지 코팅으로서 사용될 수도 있다.
본 발명에 따라 사용되는 효과 안료는 바람직하게는 투명하거나 적어도 반투명하다. 본 발명에 유용한 효과 안료는 바람직하게는 녹색을 나타낸다. 그러나, 청색, 회색, 흰색, 보라색, 적색, 오렌지색, 흑색과 같은 다른 색상도 또한 적절하다. 특정 색상 및 색조를 생성하기 위해 다른 색상 또는 그들의 혼합물이 사용될 수 있다. 효과 안료는 또한 은, 백금, 금, 구리 및 다양한 다른 금속과 같은 금속 효과를 생성할 수 있지만, 이로 국한되는 것은 아니다. 상이한 색상의 혼합물을 사용하여 인쇄된 이미지/사진을 생성시킬 수도 있다.
본 발명의 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 바람직하게는 태양광 스펙트럼의 가시광선의 1 내지 100%, 바람직하게는 5 내지 40%를 선택적으로 반사하는 반면, 다른 광학적 청색 태양 전지의 강한 녹색 효과를 얻기 위해서는 예를 들면 450 내지 550 nm 범위에서 5%의 반사율이면 충분하다.
본 발명의 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 바람직하게는 특정 태양 전지 또는 태양 전지 모듈과 관련된 방사선, 바람직하게는 260 내지 1200 nm 범위의 방사선에 대해 적어도 30%, 바람직하게는 > 80%의 투명도를 갖는다.
바람직하게는, 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 260 내지 1200 nm 범위의 방사선에 대해 1 내지 40%, 바람직하게는 < 30%의 반사 수준을 갖는다.
특히, 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 260 내지 1200 nm 범위의 방사선에 대해 < 20%, 바람직하게는 < 10%의 반사 수준을 갖는다.
특정 색상 이외에도, 효과 안료의 층은 특정 태양 전지와 관련된 방사선, 바람직하게는 260 내지 1200 nm 범위의 방사선에 대해 높은 수준(적어도 30%, 바람직하게는 > 80%)의 투명도 및 약 5 내지 40%, 바람직하게는 10% 미만의 반사 수준을 나타낸다. 내부 및 외부 양자 효율은 바람직하게는 260 내지 1200 nm 파장 영역에서 ≥ 60%(≥ 0.6), 바람직하게는 ≥ 70%(≥ 0.7), 보다 바람직하게는 ≥ 80%(≥ 0.8)이다. 내부 및 외부 양자 효율은 바람직하게는 260 내지 1200 nm 파장 영역에서 40%의 반사율에서 60%, 바람직하게는 > 80%이다. 양자 효율은 발전에 사용되는 광자의 양을 나타낸다. 외부 양자 효율(external quantum efficiency)(EQE)은 태양 전지에 의해 흡수되어 효율적으로 전기로 변환되는 광자의 양과 관련이 있는 태양 전지 상에 비치는 전체 광자의 양의 파장 선택적 관계(wavelength selective relation)를 기술한다. 내부 양자 효율(internal quantum efficiency)(IQE)은 태양 전지에 도달하여 전기로 변환되는 광자의 양의 관계를 기술한다. 본 발명의 경우, 내부 양자 효율과 외부 양자 효율 사이의 차이는 다음과 같은 방식으로 설명될 수 있다:
EQE = IQE - 효과 안료 층에 의해 반사된 광자.
따라서, 높은 수준의 IQE 및 EQE는 모두 태양 전지 성능에 미치는 효과 안료의 영향이 제한적임을 보여준다. 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 40% 미만, 바람직하게는 30% 미만, 가장 바람직하게는 20% 미만의 상대적 전류 손실[A/m2]을 초래한다. 따라서, 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 40% 미만, 바람직하게는 30% 미만, 가장 바람직하게는 20% 미만의 효율 감소[W/m2]를 초래한다.
c-Si 태양 전지에 대한 안료 및 층의 영향은 반사 데이터에 의해 평가된다. 반사 데이터는 처리된 전지의 최대 전력 흡수/최대 광전류 생성을 추정하는데 사용된다. 반사율 및 투과율 측정 및 계산은 당업자에게 공지된 통상적인 방법에 의해 및 실험 섹션에서 추가로 설명되는 바와 같이 수행된다.
TPU 기반 봉합재를 사용한 표준물은 넓은 파장에 걸쳐 90%의 전형적인 EQE를 나타내고, 태양 전지의 백색/회색 외관을 초래하는 본 발명에 따른 효과 안료 혼합물은 ~ 7%의 강하를 나타내며, 코팅된 유리 플레이크를 기반으로 하는 본 발명에 따른 녹색 효과 안료는 5% 미만의 평균 강하 및 또한 IR 영역에서 양자 효율의 증가를 나타낸다.
본 발명에 따라 사용되는 효과 안료는 바람직하게는 금속 산화물, 금속 산화물 수화물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 적어도 하나의 코팅을 포함하는 플레이크형 기재를 갖는다. 바람직하게는, 효과 안료는 투명 또는 반투명 무색 재료의 하나 이상의 층으로 코팅된 투명 또는 반투명 무색 플레이크형 기재로 이루어진다. 진주 광택 안료, 간섭 안료, 및/또는 다층 안료를 사용하는 것이 바람직하다. 효과 안료의 장기 안정성은 바람직하게는 국제 특허 공개 제 WO 2011/095326 A1 호 및 하기에 기술된 바와 같은 효과 안료의 마지막 층으로서 유기 코팅 및/또는 무기 코팅의 후 코팅을 사용하여 개선시킬 수 있다.
효과 안료에 적합한 기재는, 예를 들면, 모든 공지된 코팅되거나 또는 코팅되지 않은 플레이크형 기재, 바람직하게는 투명 또는 반투명, 바람직하게는 무색 플레이크이다. 예를 들면, 필로실리케이트, 특히 합성 또는 천연 운모, 유리 플레이크, SiO2 플레이크, Al2O3 플레이크, TiO2 플레이크, 액정 중합체(LCP), 홀로그램 안료, BiOCl 플레이크 또는 상기 플레이크의 혼합물이 적합하다. 유전성 코팅을 갖는 알루미늄 플레이크도 또한 활성 광전지 층(photovoltaic layer)의 매우 높은 은폐력을 얻기 위해 저농도에서 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
유리 플레이크는 당업자에게 공지된 모든 유리 유형, 예를 들면 A 유리, E 유리, C 유리, ECR 유리, 재활용 유리, 창 유리, 보로실리케이트 유리, 듀란®(Duran®) 유리, 러브웨어 유리(labware glass) 또는 광학 유리로 이루어질 수 있다. 유리 플레이크의 굴절률은 바람직하게는 1.45 내지 1.80, 특히 1.50 내지 1.70이다. 특히 바람직한 유리 플레이크는 A 유리, C 유리, E 유리, ECR 유리, 석영 유리 및 보로실리케이트 유리로 이루어진다.
합성 또는 천연 운모의 코팅되거나 또는 코팅되지 않은 플레이크, SiO2 플레이크, Al2O3 플레이크, 및 유리 플레이크, 특히 C 유리, ECR 유리 또는 칼슘 알루미늄 보로실리케이트의 유리 플레이크가 바람직하다. 특히, 칼슘 알루미늄 보로실리케이트 유리를 기반으로 하는 효과 안료가 바람직하게 사용된다. 본 발명의 변형에서, Al2O3 플레이크가 바람직하다.
기재는 일반적으로는 0.01 내지 5 μm, 특히 0.05 내지 4.5 μm, 특히 바람직하게는 0.1 내지 1 μm의 두께를 갖는다. 길이 또는 폭 치수는 일반적으로는 1 내지 500 μm, 바람직하게는 1 내지 200 μm, 특히 5 내지 125 μm이다. 이들은 일반적으로는 2:1 내지 25,000:1, 바람직하게는 3:1 내지 1000:1, 특히 6:1 내지 250:1의 종횡비(평균 직경 대 평균 입자 두께의 비)를 갖는다. 플레이크형 기재에 대한 상기 치수는 또한 원칙적으로는 본 발명에 따라 사용되는 코팅된 효과 안료에도 적용되는데, 그 이유는 추가의 코팅이 일반적으로는 단지 수백 나노미터의 영역에 있고 따라서 효과 안료의 두께 또는 길이 또는 폭(입자 크기)에 유의미한 영향을 미치지 않기 때문이다.
효과 안료 및 그들의 기재의 입자 크기 및 입자 크기 분포는 당 업계에서 통상적인 다양한 방법에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 바람직하게는 멜버른 매스터사이저 2000(Malvern Mastersizer 2000), 베크만 쿨터(Beckman Coulter), 마이크로트랙(Microtrac) 등에 의해 표준 공정에서 레이저 회절 방법이 사용된다. 또한, SEM(주사 전자 현미경(scanning electron microscope)) 이미지와 같은 다른 기술이 사용될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 기재는 금속 산화물, 금속 산화물 수화물, 금속 수산화물, 금속 하급 산화물, 금속 불화물, 금속 질화물, 금속 산질화물 또는 이들 물질의 혼합물을 포함하는 하나 이상의 투명 또는 반투명 층으로 코팅된다. 바람직하게는, 기재는 이러한 층으로 부분적으로 또는 전체적으로 둘러싸인다.
또한, 고 굴절률 층 및 저 굴절률 층을 포함하는 다층 구조가 또한 존재할 수도 있으며, 여기서 고 굴절률 층 및 저 굴절률 층은 바람직하게는 서로 교대한다. 고 굴절률 층(굴절률 ≥ 2.0) 및 저 굴절률 층(굴절률 < 1.8)을 포함하는 층 패키지가 특히 바람직하며, 여기서 이들 층 패키지 중의 하나 이상이 기재에 적용될 수 있다. 고 굴절률 층 및 저 굴절률 층의 순서는 여기서는 다층 구조에 기재를 포함시키기 위해 기재에 정합될 수 있다.
금속 산화물, 금속 산화물 수화물 또는 이들의 혼합물, 바람직하게는 Ti, Sn, Si, Al, Zr 및 Zn, 특히 Ti, Sn 및 Si의 금속 산화물, 금속 산화물 수화물 또는 이들의 혼합물이 특히 바람직하다. 산화물 및/또는 산화물 수화물은 단일 층 또는 별도의 층으로 존재할 수 있다. 특히, 이산화 티타늄은 루틸 또는 아나타제 변형(rutile or anatase modification), 바람직하게는 루틸 변형에서 사용된다. 이산화 티타늄을 루틸 변형으로 전환시키기 위해, 바람직하게는 이산화 주석 층이 이산화 티타늄 층 아래에 적용된다. 바람직한 다층 코팅은 바람직하게는 TiO2 - SiO2 - TiO2 와 같은 교대하는 고 굴절률 층 및 저 굴절률 층을 포함한다.
금속 산화물, 수산화물 및/또는 산화물 수화물의 층은 바람직하게는 공지된 습식 화학적 방법(wet-chemical method)에 의해 적용되며, 여기서 기재의 인벨로핑(enveloping)을 초래하는, 효과 안료의 제조를 위해 개발된 습식 화학적 코팅 방법이 사용될 수 있다. 습식 화학적 적용 후, 코팅된 제품은 연속적으로 분리, 세척, 건조 및 바람직하게는 소성된다.
개별 층의 두께는 일반적으로 10 내지 1000 nm, 바람직하게는 15 내지 800 nm, 특히 바람직하게는 20 내지 600 nm, 특히 20 내지 200 nm이다.
광선, 온도, 물 및 기후 안정성을 증가시키기 위해, 효과 안료는 후 코팅 또는 후 처리될 수 있다. 후 코팅은 마지막 층/층들로서 유기 코팅 및/또는 무기 코팅일 수 있다. 후 코팅은 바람직하게는 원소 Al, Si, Zr, Ce 또는 이들의 혼합물 또는 혼합 상의 하나 이상의 금속 산화물 층을 포함한다. 또한, 유기 또는 조합된 유기/무기 후 코팅이 가능하다. 또한, 실란 및/또는 유기 작용성 실란이 단독으로 또는 금속 산화물과 함께 사용될 수도 있다. 적합한 후 코팅 또는 후 처리 방법은, 예를 들면, DE 22 15191, DE-A 31 51 354, DE-A 32 35 017 또는 DE-A 33 34 598, EP 0090259, EP 0 634 459, WO 99/57204, WO 96/32446, WO 99/57204, US 5,759,255, US 5,571,851, WO 01/92425, WO 2011/095326에 기술된 방법 또는 당업자에게 공지된 다른 방법이다.
본 발명에 사용될 수 있는 효과 안료는, 예를 들면, 이리오딘®(Iriodin®), 피리스마®(Pyrisma®), 자이랄릭®(Xirallic®), 미라발®(Miraval®), 컬러스트림®(Colorstream®), 로나스타®(RonaStar®), 비플레어®(Biflair®), 및 루미나 로얄®(Lumina Royal®)이란 상표명으로 시판되는 간섭 안료 또는 진주 광택 안료이다. 또한, 다른 시판되는 효과 안료가 사용될 수도 있다. 특히, 컬러스트림®, 자이랄릭®, 미라발® 및 로나스타® 안료가 사용될 수 있다.
태양 전지에 적용하기 위해, 효과 안료는 적용 매질, 바람직하게는 투명한 코팅 제형에 혼입되고 이어서 태양 전지에 적용된다.
적용 매질은 예를 들면 수계 바니시, 용매계 바니시, UV 경화성 바니시 및 E-빔 경화성 바니시, 세라믹 광택제, 졸-겔 기반 성분으로부터 선택될 수 있다.
효과 안료는 태양 전지의 외부의 층 내에, EVA(에틸 비닐 아세테이트 필름), TPU(열가소성 폴리우레탄) 또는 실리콘과 같은 임의의 적층 재료 상에 또는 내에, 태양 전지의 광활성 재료의 바로 위에, 또는 태양 전지 모듈을 덮고 있는 보호 기판 상에 포함될 수 있다. 효과 안료는 또한 졸-겔 기반 층, 중합체 기반 층 또는 내부 또는 외부 대면 유리 층 상의 유리 프릿을 기반으로 하는 층 내에 포함될 수 있다.
내부 또는 외부 대면 유리층 상의 졸-겔 기반 또는 중합체 기반 반사 방지 층은 또한 임의의 태양 전지 또는 태양 전지 모듈 상에서 효과 안료를 구현하기 위해 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 하나의 예시적인 방식은, 예를 들면, 테트라에틸 오르토실리케이트를 가수분해시킨 다음 기재 상의 용액을 중축합시킴으로써 제조된 실리카계 졸-겔 용액 중에 효과 안료를 혼입시키는 것이다. 다른 예시적인 방식은 인쇄 산업에서 통상적으로 사용되는 유리 프릿을 효과 안료와 혼합한 다음, 생성되는 유리 입자 혼합물을 용융시킴으로써 전방 유리 상에 유리 유사 층을 형성시키는 것이다. 반사 방지 층은 또한 중합체와 혼합되어 고온 단계 중에 반사 방지 특성을 개선하는 공동(cavity)을 생성하거나 미세 구조화될 수 있다. 산업계에 공지된 반사 방지 층을 생성하는 유사한 방식이 또한 본 발명에 따른 효과 안료를 혼입시키는데 사용될 수도 있다.
본 발명의 적용 매질은 또한 상이한 효과 안료들의 혼합물을 포함할 수도 있는데, 이는 많은 경우에 적어도 2 개의 상이한 효과 안료를 사용하면 특수 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 이러한 경우, 효과 안료는 임의의 비율로 혼합될 수 있지만, 적용 매질 중의 모든 효과 안료의 전체 함량이 60 중량%를 초과해서는 안된다.
효과 안료 또는 효과 안료의 혼합물의 농도는 바람직하게는 적용 매질의 고체 부분의 총 중량을 기준으로 1 내지 40 중량%, 바람직하게는 1 내지 25 중량%의 범위이다. 바람직하게는, 효과 안료의 양은 1 내지 15 중량%의 범위, 바람직하게는 2 내지 12 중량%의 범위, 특히 3 내지 8 중량%의 범위이다.
m2 당 그램 단위의 필름 중의 효과 안료의 양은 필름 두께에 의해 정의된다. 예를 들면, 결합제 매질을 기반으로 하는 제형에서 1%의 효과 안료를 갖는 20 μm 두께의 필름은 m2 당 ~ 0.4 g의 효과 안료로 해석되는 반면, 12%의 효과 안료를 갖는 100μm 두께의 필름은 m2 당 ~ 18 g의 효과 안료로 해석될 것이다. 따라서, 처리된 태양 전지 표면의 m2 당 효과 안료의 일반적인 범위는 박막(1 μm)의 저농도의 경우에는 m2 당 0.1 g의 범위이며, 후막(200 μm)의 고농도의 경우에는 m2 당 75g 이하이다. 본 발명의 실제 범위는 m2 당 0.4 내지 30g의 효과 안료의 범위, 바람직하게는 1 내지 25 g/m2, 특히 바람직하게는 1 내지 16 g/m2의 범위이다. 전형적인 매질은 일반적으로는 하나 이상의 효과 안료를 선택된 시판되고 있는 즉시 사용가능한 바니시와 혼합함으로써 제조된다. 특정 바니시는 또한 임의의 엄격한 요건을 충족하도록 제조될 수도 있다.
전형적인 바니시는 적어도 하나 이상의 결합제 및 용매 또는 용매의 혼합물을 함유한다. 또한, 바니시는 다른 첨가제, 예를 들면, 소포제, 처짐 방지제, 분산제, 균염제, 내스크래치성 첨가제, 기재 습윤제, 커플링제, 부식 억제제, 유동성 개질제, 난연제, 안정화제, 촉매, 냄새 차단제, 착색제 등을 함유할 수도 있다.
본 발명의 전형적인 적용 매질은 기술된 바와 같은 효과 안료, 결합제 및 용매를 함유하며, 또한 하기의 다른 첨가제들을 함유할 수도 있다: 소포제, 처짐 방지제, 분산제, 균염제, 내스크래치성 첨가제, 기재 습윤제, 커플링제, 부식 억제제, 유동성 개질제, 난연제, 안정화제, 촉매, 냄새 차단제, 등등. 적용 매질은 또한 추가의 착색제를 포함할 수도 있다.
적용 매질은 일반적으로는, 하나 이상의 효과 안료를 초기에 도입하고, 이를 결합제, 용매 및 임의의 첨가제와 균질하게 혼합함으로써 제조된다.
사용될 수 있는 결합제는 인쇄 공정에 일반적으로 사용되는 결합제 또는 결합제 시스템, 예를 들면 니트로셀룰로오스, 폴리아미드, 아크릴레이트, 폴리비닐부티랄, PVC, PUR 또는 이들의 적합한 혼합물을 기반으로 하는 수성 또는 용매 함유 결합제이다. 이성분 시스템이 사용될 수 있다.
다른 옵션은 본 발명의 효과 안료와 혼합된 세라믹 광택제(프릿/프릿 혼합물)이다. 세라믹 프릿 및 플럭스는 본 발명의 효율을 방해하지 않기 위해 투명 및 무색 방식으로 경화될 수 있다.
바람직하게는, 결합제는 가시 광선에 대해 투명하고, 태양 전지 또는 라미네이션 또는 스크래치 방지/보호 층(적용되는 경우에 따라 다름)에 대한 양호한 접착 성을 제공하고, 환경에 대한 양호한 안정성을 제공하며, 완성된 층으로서 사용되지 않은 경우 후속 층에 대한 양호한 습윤성 및 접착성을 제공한다.
물 이외에도, 유기 용매, 예를 들면, 에탄올, 1-메톡시프로판올, 1-에톡시-2-프로판올, 에틸 아세테이트, 부틸 아세테이트, 톨루엔 또는 이들을 포함하는 혼합물과 같은 분지형 또는 비분지형 알코올, 방향족 화합물 또는 알킬 에스테르를 사용할 수도 있다. 그러나, 개개의 착색된 코팅 제형은 또한, 예를 들면, UV-경화성 결합제 시스템과 같은 방사선-경화성 결합제 시스템이 사용되는 경우 낮은 용매 함량을 갖거나 또는 용매가 전혀 없을 수도 있다.
결합제 또는 결합제 시스템 및 경우에 따라 용매 또는 용매들 이외에도, 코팅 비히클은 또한, 개개의 효과 안료 이외에도, 다양한 보조제, 착색제 및/또는 첨가제를 포함할 수도 있다.
적합한 첨가제는 UV 안정화제, 억제제, 방염 가공제, 윤활제, 분산제, 재분산제, 소포제, 흐름 조절제, 필름 형성제, 접착 촉진제, 건조 촉진제, 건조 지연 제, 광개시제 등이다. 개개의 코팅 비히클은 바람직하게는 본 발명의 효과가 추가의 고체에 의해 약화되거나 달리 손상되지 않도록 모든 필요한 보조제를 액체 형태로 포함한다. 이러한 이유로, 본 발명에 따라 필요한 효과 안료 이외의 다른 (가용성) 염료 또는 다른 착색 안료 또는 고체 충전제가 완성된 착색된 코팅 잉크 중에 존재하지 않는 것이 특히 바람직하다.
이어서, 착색된 코팅 제형은 다양한 방법에 의해, 예를 들면, 분무, 코팅 또는 인쇄, 예를 들면 스크린 인쇄, 플렉소 인쇄, 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄, 잉크젯 인쇄, 기타 디지털 인쇄 방법, 슬롯 다이 코팅, 분무 코팅, 딥 코팅, 닥터 블레이드/나이프 코팅, 커튼 코팅, 필름 전사 코팅, 에어로졸 분사에 의해 적용될 수 있다. 외관과 최저 성능 손실 사이의 최적 균형(trade-off)을 위한 스크린 인쇄 및 약간 더 높은 전력 손실에서 최적 외관을 위한 분무 코팅이 바람직하다.
건조 층 두께는 0.1 μm 내지 1 mm, 바람직하게는 0.5 μm 내지 200 μm, 보다 바람직하게는 1 μm 내지 50 μm, 특히 1 μm 내지 10 μm의 범위이다.
건조 필름에서 효과 안료의 농도는 필름의 총 중량을 기준으로 약 1 내지 20%, 바람직하게는 2 내지 10%, 특히 2 내지 6%이다. 안료의 양은 자동차 적용을 위해서는 훨씬 더 높을 수 있다(1 내지 40%, 바람직하게는 1 내지 25%). 바람직하게는, 효과 안료의 양은 m2 당 0.1 내지 75 g의 범위이다.
본 발명에 따른 효과 안료를 포함하는 코팅 매질은 단일 전지로 제조된 태양 전지 모듈뿐만 아니라 비정질, 단결정질 및 다결정질 실리콘 태양 전지, CIGS, CdTe, III/V 태양 전지, II/VI 태양 전지, 페로브스카이트 태양 전지, 유기 태양 전지 및 염료 감응형 태양 전지와 같은 임의의 목적하는 태양 전지에 적용될 수 있다. 결정질 태양 전지는 결정질 실리콘 기재를 기반으로 하는 Al-BSF, PERC, PERL, PERT, HIT, IBC, 양면형 또는 임의의 다른 전지 유형과 같은 전지 구조를 포함한다.
효과 안료는 완성된 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 외부 상에, 모듈을 덮고 있는 보호 기판(유리 또는 플라스틱) 상에, EVA, TPU 또는 실리콘과 같은 임의의 적층 재료 상에 또는 광활성 재료/태양 전지의 바로 위에 적용될 수 있다. EVA 상에 인쇄하거나 또는 완성된 태양 전지 또는 태양 전지 모듈 상에 인쇄하여 적용하는 것이 바람직하다.
태양 전지 또는 태양 전지 모듈식 장치에 대한 추가의 가능한 적용 방식은 유리 및 다른 표면에 고착될 수 있는 효과 안료를 포함하는 (자가 결합성) 호일을 사용하는 것이다. 이는 또한 태양 전지 모듈 또는 태양 전지 미니 모듈 또는 심지어는 휴대용 디바이스, 운송 차량, 빌딩 등에서의 단일 전지에 대한 임의의 기존의 설비에 적용될 수도 있다.
본 발명의 특별한 이점은, 태양 전지를 빌딩(전면 및 지붕), 휴대용 및 설치된 디바이스, 자동차(승용차, 오토바이, 스쿠터, 트럭 등), 또는 태양 전지의 전형적인 기술적인 모습을 사람들이 사용하는 전형적인 외관으로 변경하는 다른 종류의 태양광 설비 내에 이음매없이 매끄럽게 통합할 수 있다는 점이다. 유리하게는, 자동차에 사용하기 위해 효과 안료가 자동차의 클리어 코트 내에 적용될 수 있다. 또한, 이러한 개선은 효율성의 유의미한 손실없이 달성된다.
통상적으로 사용되는 실리콘 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 완전히 균일 한 외관을 달성하기 위해, 태양 전지 모듈뿐만 아니라 태양 전지의 금속 기반 전도성 부품(주요 수직 커넥터로 구성되는 H-그리드 - 소위 버스 바; 뿐만 아니라 수평 집전 부품 - 소위 핑거(finger); 전지들 사이의 커넥터 및 땜납)은 효과 안료를 적용하기 전에 진한 색이어야 한다. H-그리드 전방 패턴을 가진 실리콘 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 다른 백색으로 보이는 금속 부분을 "어둡게 만드는(darkening)" 가능한 방식은 흑색 중합체 호일로 금속 스트립을 덮거나 흑색 페인트로 금속 부분을 브러싱하는 것이다. 인쇄된 은(printed silver) H- 그리드의 경우, 은은 (예를 들면 H2S로 처리함으로써) 황화은의 얇은 층을 형성시키거나 또는 구리를 도금하고 산화시킴으로써 직접 흑화시킬 수 있다. 도금된 금속 그리드의 경우, 금속 스택의 상부 층은 CuO 또는 Ag2S와 같은 강한 흡수성 금속 산화물 또는 황화물 또는 유사한 진한 착색 금속 산화물 등으로 직접 도금될 수 있다. (스마트 와이어 기술과 같은) 신규한 금속화 방식을 사용하는 경우, 흑화된 와이어 또는 반사율을 감소시킴으로써 금속 그리드의 어두운 외관을 만드는 미세 구조를 갖는 와이어가 또한 본 발명에 따라 사용될 수도 있다. 흑색 또는 진한 청색 백시트를 모듈 배경으로서 사용하는 경우, 가까운 거리에서도 전체 모듈의 매우 균일한 외관이 달성될 수 있다.
또한, 본 발명은, 효과 안료가 가요성 플라스틱 호일을 통과하여 산소 및 수증기 장벽으로서 작용하는 수증기를 부분적으로 차단하거나 또는 적어도 수증기가 가요성 플라스틱 호일을 통과하는 것을 방지할 수 있기 때문에 태양 전지 및 태양 전지 모듈의 장기 안정성을 개선시킬 수 있다. 유기 재료뿐만 아니라 II/VI 또는 III/V 재료로 제조되는 많은 태양 전지는 태양 전지의 표면에 도달하여 활성 재료의 광산화를 유발하는 습기로 인해 많은 어려움을 겪고 있다.
또한, 효과 안료는 UV 광선의 흡수로 인해 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 수명을 개선하는데 도움을 줄 수 있다. 효과 안료 층에서의 흡수는 유기 캡슐화에서의 손상을 감소시키며, 따라서 이들 봉합재에 더 적은 양의 UV 흡수제가 사용되고 중합체의 광산화로 인한 황변이 감소되어야 한다. 이를 위해서는, 상술된 바와 같은 안정화된 안료의 사용이 필수적이다.
실시예
실시예 1:
c-Si 태양 전지(CZ)를 상이한 효과 안료, 상이한 효과 안료 농도 및/또는 효과 안료 혼합물을 포함하는 상이한 층으로 코팅한다. 효과 안료를 포함하는 층은 캡슐화된 재료의 시트의 표면 외관을 상이한 색상, 예를 들면 녹색 또는 보라색으로 만든다.
예를 들면, 프로엘 아쿠아 젯(Proell Aqua Jet) FGL M 093 바니시(95.5%) 및 프로엘 소포제(Proell Defoamer) L36459(1.5%) 중의 피리스마® 그린(3%)을 함유하는 잉크를 수동 평판 스크린 프린터(manual flat-bed screen printer)를 사용하여 표준 c-Si 패널 상에 인쇄한다. 세파(Sefar)사의 메쉬(Mesh) PET1500 54/137-64W(메쉬의 파라미터: 137 l/inch, 115 μm 메쉬 개구 및 64 μm 스레드 직경)가 사용된다. 인쇄에 사용되는 스퀴지(squeegee)는 75°쇼어 경도를 갖는 수동 스퀴지이다. 층을 주변 조건에서 실온에서 건조시킨다.
추가의 효과 안료 및 효과 안료 농도는 하기 표 1에 열거되어 있다.
표 1
c-Si 태양 전지에 대한 안료 층의 영향은 반사율 측정치에 의해 평가된다.
반사 데이터는 처리된 전지의 최대 전력 흡수/최대 광전류 생성을 추정하는데 사용된다:
스펙트럼 반사율은 280 nm 내지 1200 nm의 파장 간격으로 기록된다.
전지의 투과율은 인위적으로 제로로 설정된다(이는 또한 통상적으로는 이러한 장치의 후면 전극을 형성하는 소결 및 합금된 알루미늄 페이스트의 후면 범위를 거의 완전하게 포함하는 Si 태양 전지의 실제 조건에 대해서도 예상되기 때문임).
전지의 크기에 의해 단파장 광선을 규칙적으로 완전히 흡수한다.
전체 시스템에 의한 광선의 흡수율을 계산한다.
안료 층에서의 흡수, SiNx 및 Al은 무시됨(알 수 없기 때문임).
AM1.5G 스펙트럼을 기반으로 하는 전력 흡수율을 최대의 달성 가능한 광전류로 전환한다(ASTM G173-03에 해당하는 IEC 60904-3 Ed. 2에 따름). 이러한 목적을 위해, 상술된 기준 스펙트럼을 취하고, 280 nm 내지 1200 nm의 파장 영역에 대한 보폭(stepwidth)으로서 단일 나노미터 해상도를 적용하는 스펙트럼의 보간(interpolation)에 의해 조사 강도를 다시 계산한다. 보간된 스펙트럼을 적분하여 835.998 W/m²의 전체 조사 강도를 산출한다. 후자는 조사 강도가 836.19 W/m²인 본래의 기준 스펙트럼의 동일한 파장 범위에 대한 적분값과 매우 잘 일치한다. 본래의 스펙트럼과 보간된 스펙트럼 사이의 차이는 0.2%에 달한다.
반사율 표준(PTFE)
캐리(Cary) 5000 (UV/ViS/NIR); 애질런트(Agilent)
모든 전지(해당되는 경우)는 4회 탐색된다.
전지의 반사도를 측정한다
'기준 샘플'을 사용하여 측정 설정값을 확인한다
광선은 전지의 표면에 수직으로 입사한다
전지의 전면으로부터 반사율을 측정한다
- 전면(front side): 이러한 맥락에서, SiNx에 의해 보호되는 태양 전지의 표면은 정의에 따라 완전한 Al 전극과는 반대로 착색된 소위 "전면"으로 간주된다
- 측정은 3회 반복하여 수행된다(총 4회 측정)
조사된 표면은 직경이 최대 1 cm인 넓은 면적을 보호하도록 되어 있다.
따라서, 반사율 데이터는 금속화/비금속화 표면을 포함하는 평균 적분값이다.
측정된 데이터를 평균하고, 그 평균을 추가 고려 사항에 사용한다:
전지의 평균 반사율을 평균한다
표준 편차 및 분산을 추정한다
PTFE 표준을 기준으로서 사용하여 수행된 99%(신뢰 구간)의 확률에 따른 T-오차 범위를 추정한다
샘플 빔은 깨지기 쉬운 실리콘 태양 전지를 파괴하는 의도하지 않은 손상을 방지하기 위해 측정 중에 광 흡수성 덮개로 덮지 않고 밀봉하였다.
결과가 하기 표 2에 요약되어 있다.
표 2
실시예 2:
수계 수지 중의 본 발명에 따른 효과 안료를 함유하는 층이 시판되는 Al-BSF 태양 전지의 바로 위에 인쇄되는 방식으로 태양광 미니 모듈이 제조된다. 모듈은 이후 수동 납땜에 의해 접촉되고, 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 에틸-비닐 아세테이트(EVA)를 사용하여 유리 플레이트와 테들러 백시트 사이에서 캡슐화된다. 효율은 AM1.5 조건하에 표준화된 설정에서 측정된다.
코팅되지 않은 기준 모듈은 17.6% 이하의 효율을 나타내는 반면, 시험된 태양광 미니 모듈 중 어느 것도 10%(상대적)를 초과하는 효율 강하를 나타내지 않는다. 백색으로 나타나는 모듈조차도 효과 안료에 의해 야기되는 광선의 선택 반사로 인해 16%의 유효 효율을 나타낸다.
실시예 3:
수계 유리/프릿 혼합물 중의 본 발명에 따른 효과 안료를 함유하는 층이 스크린 인쇄에 의해 태양광 모듈에 사용되는 시판되고 있는 저철분 유리(low iron glass)의 바로 위에 인쇄되고, 그 후에 오븐 중 600℃ 내지 680℃에서 템퍼링되는 방식으로 태양 미니 모듈이 제조된다. 제 2 단계에서, 단일 전지와 버스 바 사이의 공간, 전도 경로 및 납땜 지점과 같은 밝은 영역을 덮을 수 있도록 착색된 세라믹 색상을 갖는 그리드가 설계시에 층의 상부에 인쇄된다.
모듈은 융합되기 전에 하기 단계에 의해 제조된다.
- 유리 플레이트를 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 에틸-비닐 아세테이트(EVA)로 된 진한 청색으로 착색된 백 시트로 덮었다. 이 경우, 백 시트는 디마트(Dymat)사의 흑색 다층 백 시트(Bk PYE SPV-L)이다.
- 전지가 배치하고, 수동 멜딩에 의해 접촉시킨다.
- 열가소성 폴리우레탄(TPU) 또는 에틸-비닐 아세테이트(EVA)로 된 제 2 시트를 전지의 상부에 배치한다.
- 남아있는 모든 밝은 영역을 짙은 그리드로 덮는 방식으로 착색된 유리 플레이트를 상부에 배치한다.
- 모듈을 진공 오븐에서 100 ℃로 가열하여 모듈을 밀봉한다.
효율은 AM1.5 조건하에 표준화된 설정에서 측정된다.
코팅되지 않은 기준 모듈은 17.6% 이하의 효율을 나타내는 반면, 시험된 태양광 미니 모듈 중 어느 것도 20%(상대적)를 초과하는 효율 강하를 나타내지 않는다. 백색으로 나타나는 모듈조차도 효과 안료에 의해 야기되는 광선의 선택 반사로 인해 15.1%의 유효 효율을 나타낸다.
실시예 4:
통합된 청색 LED(유기 태양 전지로 구동)를 갖는 반투명 유기 태양 전지를 수동 평판 스크린 프린터를 사용하여 프로엘 아쿠아 젯 FGL M 093 바니시(95.5%) 및 프로엘 소포제 L36459(1.5%) 중의 피리스마® 그린(3%)을 함유하는 잉크로 인쇄한다. 세파사의 메쉬(Mesh) PET1500 54/137-64W(메쉬의 파라미터: 137 l/inch, 115 μm 메쉬 개구 및 64 μm 스레드 직경)가 사용된다. 인쇄에 사용되는 스퀴지는 75°쇼어 경도를 갖는 수동 스퀴지이다. 층을 주변 조건에서 실온에서 건조시킨다. 유기 태양 전지에 통합된 LED의 휘도는 그의 생성된 전류를 기반으로 하며, 따라서 효율을 측정하는데 사용될 수 있다. LED는 인쇄되거나 인쇄되지 않은 면에서 조명하에 동일한 휘도를 나타내며, 따라서 효과 안료 코팅은 유기 태양 전지의 전류 및 효율에 무시할만한 영향을 미친다.
실시예 5:
효과 안료 함유 래커를 사용한 태양 전지의 분무 코팅
표준 태양 전지는 자주 사용되는 장치로 분무 적용된다. 사용되는 진주 광택 안료, 이 경우에는 녹색 간섭 안료는 MIPA 사에서 시판하는 2K 리피니쉬 클리어 코트(MIPA CC4 2K Klarlack) 중에서 교반되며, 여기서 사용되는 농도는 제형 상에서 1.13%이다. 코팅은 공급업체가 권장한대로 제조되며, 1000 1/s에서 70 내지 75 mPas의 적용 점도로 조정된다.
하기의 효과 안료가 사용되었다:
이리오딘® 9231 SW
이리오딘® 9235 SW
이리오딘® 97235 SW
미라발® 그린
자이랄릭® 스텔라 그린 SW
이렇게 제조된 코팅을 태양 전지 상에 적용하기 위해, 자동 분무 장치인 오터(Oerter) APL4.6이 사용된다. 이 경우, 코팅은 2개의 사이클에서 서로에 이어 즉시 1.4 mm 노즐로 적용된다. 코팅을 실온에서 10분 동안 건조시킨 다음, 70 ℃에서 60분 동안 스토빙(stoving)한다. 마침내, 약 40 μm의 건조 필름 두께가 달성된다.
녹색 간섭 안료의 특성은 태양 전지 패널에서 분명히 가시적으로, 특정 각도에서는 녹색이 가시적이지만, 다른 각도에서는 가시적이지 않다. 패널 및 추가로 패널의 효율에 대한 사용된 효과 안료의 효과를 특성화하기 위해, 반사율의 측정은 전지의 코팅된 전면 상에서 수행된다. 따라서, 캐리(Cary) 5000 (UV/VIS/NIR) 애질런트가 사용된다. 참조물로서, 코팅되지 않은 표준 태양 전지가 사용된다. 이러한 설정을 사용하면, 달성 가능한 전류의 상대적 손실은 코팅되지 않은 태양 전지와 비교하였을 때 사용된 녹색 간섭 안료에 따라 단지 4.5%(자이랄릭® 스텔라 그린 SW)와 6.7%(이리오딘® 9235 SW) 사이인 것으로 결정된다.
Claims (24)
- 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 전방 방사선 수신측(front radiation-receiving side) 상에 또는 수신측 내에, 투명 또는 반투명 재료의 하나 이상의 층 및 임의적으로 후 코팅(post coating)으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재(flake-form substrate)로 이루어진 적어도 하나의 효과 안료(effect pigment)를 포함하는 적어도 하나의 층을 포함하는 태양 전지 또는 태양 전지 모듈.
- 제 1 항에 있어서,
상기 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 태양광 스펙트럼의 가시광선의 1 내지 100%, 바람직하게는 5 내지 40%를 선택적으로 반사하는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 특정 태양 전지 또는 태양 전지 모듈과 관련된 방사선, 바람직하게는 260 내지 1200 nm 범위의 방사선에 대해 적어도 30%, 바람직하게는 > 80%의 투명도를 갖는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 260 내지 1200 nm 범위의 방사선에 대해 1 내지 40%, 바람직하게는 < 30%의 반사 수준을 갖는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 260 내지 1200 nm 범위의 방사선에 대해 < 20%, 바람직하게는 < 10%의 반사 수준을 갖는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료는 진주 광택 안료, 간섭 안료 및 다층 안료로부터 선택되는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
적용 매질 중의 효과 안료의 양은, 상기 적용 매질의 고체 부분을 기준으로 1 내지 40 중량%, 바람직하게는 1 내지 15 중량%의 범위인, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료의 양은 m2 당 0.1 내지 75 g의 범위인, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료를 포함하는 층의 두께는 1 내지 200 μm의 범위인, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
내부 양자 효율(internal quantum efficiency)은 260 내지 1200 nm 파장 영역에서 ≥ 0.7, 바람직하게는 ≥ 0.8인, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 40% 미만, 바람직하게는 30% 미만, 가장 바람직하게는 20% 미만의 상대적 전류 손실(relative current loss)[A/m2]을 초래하는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료 및/또는 효과 안료 층은 40% 미만, 바람직하게는 30% 미만, 가장 바람직하게는 20% 미만의 효율 감소[W/m2]를 초래하는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
외부 양자 효율(external quantum efficiency)은 260 내지 1200 nm 파장 영역에서 ≥ 0.6, 바람직하게는 ≥ 0.8인, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료는 플레이크형 유리 기재 또는 플레이크형 SiO2 기재 또는 플레이크형 Al2O3 기재를 기반으로 하는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플레이크형 기재는 Ti, Sn, Si, Al, Zr 및 Zn의 금속 산화물 및/또는 금속 산화물 수화물의 하나 이상의 층으로 코팅되는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료는, 태양 전지의 외부의 층 내에, EVA(에틸 비닐 아세테이트 필름), TPU(열가소성 폴리우레탄) 또는 실리콘과 같은 임의의 적층 재료 상에 또는 내에, 태양 전지의 광활성 재료의 바로 위에, 또는 태양 전지 모듈을 덮고 있는 보호 기재 상에 포함되는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료는 졸-겔 기반 층, 중합체 기반 층, 또는 내부 또는 외부 대면 유리 층 상의 유리 프릿(glass frit)을 기반으로 하는 층 내에 포함되는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 태양 전지 모듈뿐만 아니라 상기 태양 전지의 금속 기반 전도성 부품은 상기 태양 전지 모듈의 조립 전에 진하게 착색되고, 흑색 또는 진한 청색 백시트(back sheet)가 사용되는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 효과 안료 층의 상부에, 단일 전지(single cell)와 버스 바(bus bar) 사이의 공간, 전도 경로 및 납땜 지점과 같은 밝은 영역을 덮는 진하게 착색된 패턴이 배치되거나, 또는 상기 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 금속 기반 전도성 부분이 진하게 착색되거나, 또는 상기 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 후면(rear side) 상에 흑색 또는 진한 청색 백시트가 위치하는, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈. - 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 제조 방법으로서,
투명 또는 반투명 재료의 하나 이상의 층 및 임의적으로 후 코팅으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재를 포함하는 효과 안료, 유기 또는 무기 결합제와 같은 하나 또는 다수의 결합제, 및 임의적으로 첨가제를 포함하는 코팅 조성물이 상기 태양 전지 또는 태양 전지 모듈에 적용되는, 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 코팅 조성물이 스크린 인쇄, 플렉소 인쇄, 그라비아 인쇄, 오프셋 인쇄, 잉크젯 인쇄, 다른 디지털 인쇄 방법, 슬롯 다이 코팅, 분무 코팅, 딥 코팅, 닥터 블레이드/나이프 코팅, 커튼 코팅, 필름 전사 코팅 또는 에어로졸 분사에 의해 적용되는, 방법. - 제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
상기 효과 안료를 포함하는 코팅 조성물의 상부에, 단일 전지와 버스 바 사이의 공간, 전도 경로 및 납땜 지점과 같은 밝은 영역을 덮는 진하게 착색된 패턴이 배치되는, 방법. - 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 태양 전지의 금속 기반 전도성 부분이 진하게 착색되는, 방법. - 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
흑색 또는 진한 청색 백시트가 상기 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 후면 상에 적용되는, 방법.
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