KR20230065887A - 양자점 기반 광농축기 및 이를 포함하는 태양전지 모듈 - Google Patents

양자점 기반 광농축기 및 이를 포함하는 태양전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 양자점이 분산된 레진막층, 상기 레진막 층의 상부에 접하는 상부층, 및 상기 레진막 층의 하부에 접하는 하부층을 포함하는 광농축기 및 이를 포함하는 태양전지 모듈을 개시한다. 본 발명에 개시된 광농축기 및 태양전지 모듈에서는, 상기 양자점의 최장 파장, 상기 상부층 및 상기 하부층을 구성하는 유리층 및 폴리머층의 평균 투과율 내지 이를 구성하는 재료, 및 상기 광농축기의 단면 종횡비(길이/두께) 등을 최적의 범위로 조절함으로써 광농축기 및 태양전지 모듈의 발전 효율 등이 향상될 수 있다.

Description

양자점 기반 광농축기 및 이를 포함하는 태양전지 모듈{Quantum dot based light concentrator and Photovoltaic module having the same}
본 발명은 양자점 기반 광농축기, 이를 포함하는 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양자점이 분산된 레진막층, 상기 레진막 층의 상하부에 접하는 유리층 혹은 폴리머층을 포함하며, 상기 양자점의 최장 파장, 상기 유리층의 평균 투과율, 상기 폴리머층을 구성하는 재료, 및 상기 광농축기의 단면 aspect ratio(길이/두께) 등을 최적의 범위로 조절함에 따라 이를 포함하는 태양전지 모듈에서의 발전 효율 등이 향상될 수 있는 양자점 기반 광농축기, 이를 포함하는 태양전지에 관한 것이다.
'양자점'(Quantum dot)은 빛 등의 에너지로 자극하면 빛을 발하는 나노 크기의 반도체적 구조물 입자로써, 입자의 크기에 따라 방출하는 빛의 색상이 달라지는 물질이다.
그 원리를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 물질의 크기가 작아져서 물질의 차원이 낮아지면 전자상태밀도와 에너지가 다르기 때문에 물질의 특성도 차원에 따라 각기 다르게 나타나는데, 예를 들면, 수 nm 크기의 작은 나노입자에서는 일반적인 물질에서 나타나지 않는 양자구속효과(quantum confinement effect)가 나타난다.
또한, 차원을 줄인다는 것은 엄밀한 의미에서는 전자들을 드브로이파 길이보다 작은 영역에 가둔다는 것을 뜻하는데, 0차원인 양자점은 면적이 전혀 없는 점이 아니라 실제로는 3차원적으로 크기가 드브로이파 길이 보다 작 은 시료를 말한다. 양자역학에서 운동량을 가진 모든 물질입자에 수반되는 파동 즉 드브로이파 길이는 물질에 따라 다르며 반도체의 경우는 약 10nm 수준 정도이다. 반도체 양자점은 약 백만 개의 전자로 이루어져있으나, 실제로는 전자들이 물질의 원자핵에 견고하게 속박되어있기 때문에 속박되어 있지 않은 자유전자의 개수는 1~100개 정도이다. 그러므로, 양자점 내의 자유전자들은 파동으로 나타낼 수 있으며, 에너지와 상태밀도는 양자화 된다.
따라서, 드브로이파 길이 보다 작은 10 nm 이하의 반도체 나노입자들은 그 입자의 크기가 감소함에 따라 상대적으로 반도체입자의 밴드갭 에너지(band gap energy)가 증가하게 되므로 같은 물질이라도 단지 입자의 크기만 약 간 조절하면 수십 가지 색깔로 만들 수 있어, 디스플레이[Seth Coe-Sullivan, Wing-Keung Woo, Jonathan S. Steckel, Moungi Bawendi, Vladimir Bulovic, "Tuning the performance of hybrid organic/inorganic quantum dot light-emitting devices", Organic Electronics, vol. 4 123-130(2003)], 기록소자 및 각종 센서 그리고 나노컴퓨터 등의 차세대 전자제품 개발 뿐만 아니라 생물, 의약[X. Michalet, F. F. Pinaud, L. A. Bentolila,1 J. M. Tsay,1 S. Doose,1. J. J. Li,1 G. Sundaresan, A. M. Wu, S. S. Gambhir, S. Weiss1, "Quantum Dots for Live Cells, in Vivo Imaging, and Diagnostics" SCIENCE VOL 307, 538-544 (2005)]등 그 응용 잠재력이 상당한 것으로 평가되고 있다.
특허문헌 1(미국 공개특허공보 제US2011/0171773 A1호)은 실리콘 양자점을 가진 평면 집광형 태양전지 어셈블리를 제조하는 방법에 관한 것으로, 실리콘 양자점 필름의 양면에 배치된 기판이 유리, 플라스틱, 또는 레진으로 제조됨을 개시하고 있다.
특허문헌 2(한국공개특허공보 제2016-0061267호)는 비카드뮴 양자점을 파장변환 물질로 채용한 봉지재와 이를 채용한 태양전지모듈 및 발광형 태양광 집광장치에 관한 것으로, 양자점이 포함된 고분자 시트를 개시하고 있다.
특허문헌 3(한국공개특허공보 제2021-0092521호)은 태양광 집광 장치 및 이를 포함하는 태양전지 모듈에 관한 것으로, 제1 양자점층의 양면에 저굴절층이 배치되는 구성을 개시하고 있다.
한편, 양자점 기반 광농축기의 효율은 적절한 dimension, 매질(유리 및 폴리머)과 양자점 발광 특성 등에 의해 영향을 받는다. 구체적으로, 광농축기는 적절한 크기(dimension; 이하에서 '치수'라고도 함)를 가져야 현실적인 m2급에서는 잘 동작하며, 매질의 투과율이 우수하여야 양자점에 의한 빛의 흡수가 용이하게 되어 고효율이 보장된다. 나아가, 양자점의 최장/최단 파장[Bergren et. al., 'High-performance CuInS2, Quantum dot laminated glass luminescent solar concentrators for windows, ACS Nano, 3, 520(2018)]에 따른 C-H stretching에 의한 효율 저하 또한 고효율의 광농축기 개발의 주요 고려요소이다.
미국공개특허공보 US2011/0171773 A1 한국공개특허공보 제2016-0061267호 한국공개특허공보 제2021-0092521호
본 발명은 양자점이 분산된 레진막층, 상기 레진막 층의 상부에 접하는 상부층, 및 상기 레진막 층의 하부에 접하는 하부층을 포함하며, 상기 양자점의 최장 파장, 상기 상부층 및 하부층을 구성하는 유리층 및 폴리머의 평균 투과율 내지 이를 구성하는 재료, 및 상기 광농축기의 단면 종횡비(aspect ratio; 길이/두께) 등을 최적의 범위로 조절함에 따라 이를 포함하는 태양전지 모듈에서의 발전 효율 등이 향상될 수 있는 양자점 기반 광농축기, 이를 포함하는 태양전지 모듈을 제공하는 데에 있다.
전술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 양상에 따른 양자점 기반 광농축기는, 양자점이 분산된 레진막층; 상기 레진막층의 상부에 접하는 상부층; 및 상기 레진막층의 하부에 접하는 하부층을 포함하되, 상기 상부층 및 하부층은 유리층 및 폴리머층에서 선택되는 어느 하나의 층인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 양상에 따른 양자점 기반 광농축기는 양자점이 분산된 폴리머층을 포함하되, 상기 폴리머층은 슬랩(slab) 형태로 제공되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 양상 또는 상기 제2 양상에 따른 양자점 기반 광농축기는, 상기 양자점의 최장 파장이 650~900nm일 수 있다.
상기 제1 양상에 따른 양자점 기반 광농축기는, 상기 유리층이 400~1000nm에서 평균 투과율이 91~95%일 수 있다.
상기 제1 양상 또는 상기 제2 양상에 따른 양자점 기반 광농축기는, 상기 폴리머층이 투명 폴리이미드(clear polyimide), 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트(fluorinated PolyMethyl MethAcrylate; fluorinated PMMA), 및 플루오르화 폴리이미드(fluorinated PolyImide; fluorinated PI))로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 양상 또는 상기 제2 양상에 따른 양자점 기반 광농축기는, 상기 광농축기의 단면 종횡비(aspect ratio)(길이/두께)가 50~200일 수 있다.
본 발명의 제1 양상에 따른 태양전지 모듈은, 양자점이 분산된 레진막층; 상기 레진막층의 상부에 접하는 상부층; 상기 레진막층의 하부에 접하는 하부층; 상기 레진막층, 상기 상부층, 및 상기 하부층 둘레에 제공되는 점착제; 및 상기 점착제에 부착되는 태양전지를 포함하되, 상기 상부층 및 하부층은 유리층 및 폴리머층에서 선택되는 어느 하나의 층인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 양상에 따른 태양전지 모듈은, 양자점이 분산된 폴리머층; 상기 폴리머층 둘레에 제공되는 점착제; 및 상기 점착제에 부착되는 태양전지를 포함하되, 상기 폴리머층은 슬랩 형태로 제공되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 양상 또는 상기 제2 양상에 따른 태양전지 모듈은, 상기 양자점의 최장 파장이 650~900nm일 수 있다.
상기 제1 양상에 따른 태양전지 모듈은, 상기 유리층이 400~1000nm에서 평균 투과율이 91~95%일 수 있다.
상기 제1 양상 또는 상기 제2 양상에 따른 태양전지 모듈은, 상기 폴리머층이 투명 폴리이미드, 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트, 및 플루오르화 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
상기 제1 양상 또는 상기 제2 양상에 따른 양자점 기반 광농축기는, 상기 광농축기의 단면 종횡비(길이/두께)가 50~200일 수 있다.
본 발명에 따르면, 양자점 기반 광농축기를 구성하는 양자점의 최장파장, 유리층과 폴리머층의 평균 투과율 내지 이를 구성하는 재료, 및 상기 광농축기의 단면 종횡비(길이/두께) 등을 최적의 범위로 조절함에 따라, 양자점 기반 광농축기의 효율을 극대화하고 이를 포함하는 태양전지 모듈의 효율을 증대시키는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 제1 양상에 따른 접합유리 혹은 접합폴리머 기반 양자점 광농축기의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제2 양상에 따른 양자점 분산 폴리머층이 슬랩(slab) 형태인 양자점 광농축기의 구조를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 광녹축기를 구성하는 레진/폴리머층의 재료에 따라 측정한 투과율을 도시한 그래프이다.
도 4는 폴리메틸메타아크릴레이트(PolyMethyl MethAcrylate; PMMA)를 포함한 다양한 고분자에 대해 측정한 투과율을 도시한 그래프이다.
도 5는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 및 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트(Fluorinated PMMA)로 이루어진 레진/폴리머의 흡수계수(Absorption coefficient [cm-1])를 도시한 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 광농축기를 구성하고 있는 양자점의 발광 스펙트럼(Photoluminescence spectrum)을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 양자점 1을 기반으로 한 정사각형 크기의 광농축기에 대하여, 길이(mm) 및 두께(mm)를 변수로 하여 몬테-카를로 시뮬레이터(Monte-Carlo simulator)을 통해 측정한 광농축기의 효율을 도시한 도이다.
도 8은 일반(normal) 유리, 저철분(Low iron) 유리, 및 석영(Quartz) 유리에 따른 투과율을 도시한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.
본 발명에서 사용되는 용어 '양자점'은, 빛 등의 에너지로 자극하면 빛을 발하는 나노 크기의 반도체적 구조물 입자를 의미한다.
본 발명에서 사용되는 용어 '투과'는, 입사된 빛이 상기 양자점이 분산된 레진/폴리머에 흡수되지 아니하는 현상을 의미하며, 용어 '투과율'은, 입사한 빛 대비 상기 레진/폴리머에 흡수되지 아니하는 빛의 비율을 의미한다.
본 발명에서 사용되는 용어 '최장 파장'은, 입사된 빛이 상기 레진/폴리머에 흡수되는 양이 최소이며, 상기 레진/폴리머에 분산된 양자점에 최대로 흡수되는 한계 파장을 의미할 수 있다. 예를 들어, '양자점의 최장 파장'은 양자점의 발광 스펙트럼에서 반치폭의 상한 파장일 수 있다. '반치폭(이하, '스펙트럼 반치폭'이라고도 함)'은, 양자점의 발광 스펙트럼에서의 에너지가 최대 상대 복사 에너지의 1/2가 되는 상한 파장과 하한 파장 간의 차이일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 용어 '슬랩(slab)'은, 제 2양상에 따른 양자점 기반 광농축기를 구성하는 양자점 분산 폴리머가 '여러 개의 층'이 아닌 '평면 형태의 하나의 덩어리'로 이루어져있음을 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 양상에 따른 접합유리 혹은 접합폴리머 기반 양자점 광농축기(100) 및 이를 포함하는 태양전지 모듈(200)의 구조를 나타낸다.
구체적으로, 본 발명의 제1 양상에 따른 접합유리 혹은 접합폴리머 기반 양자점 광농축기(100)는, 양자점(QD)이 분산된 레진막층(110); 상기 레진막층(110)의 상부에 접하는 상부층(120); 및 상기 레진막층(110)의 하부에 접하는 하부층(130)을 포함한다. 여기서 상기 상부층(120)은 유리층 또는 폴리머층으로 이루어질 수 있으며, 상기 하부층(130) 또한 유리층 또는 폴리머층으로 이루어질 수 있다.
추가적으로, 상기 유리층은 저철분(Low iron) 유리, 석영(Quartz) 유리 혹은 이에 준하는 고투과 유리인 것이 바람직하다. 이때 고투과 유리란, 바람직하게는 400~700nm에서 평균 투과율이 94%인 유리를 의미하며, 보다 바람직하게는 400~700nm에서 평균 투과율이 94.5%인 유리를 의미한다. 또한, 상기 폴리머층 또한 투명 폴리이미드, 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트, 및 플루오르화 폴리이미드와 같이 투과율이 높은 물질로 사용되는 것이 바람직하며, 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트로 구성되는 것이 보다 바람직하다.
한편, 본 발명의 제 1양상에 따른 태양전지 모듈(200)은, 상기 양자점 광농축기(100)를 구성하고 있는 양자점 분산 레진막층(110), 상기 레진막층(110)의 상부에 접하는 상부층(120), 및 상기 레진막층(110)의 하부에 접하는 하부층(130)의 둘레에 점착제(140)가 추가로 제공되고, 상기 점착제(140)에 태양전지(150)가 부착되는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 제2 양상에 따른 양자점 분산 폴리머 슬랩 형태의 양자점 광농축기(200) 및 이를 포함하는 태양전지 모듈(210)의 구조를 나타낸다.
구체적으로, 본 발명의 제2 양상에 따른 양자점 분산 폴리머 슬랩 형태의 양자점 광농축기(100A)는, 접합유리 혹은 접합폴리머가 양자점(QD)이 분산된 레진막층(110)의 상부 및 하부에 위치하여 여러 개의 층을 이루고 있는 제1 양상에 따른 양자점 기반 광농축기(100)와는 달리, 슬랩 형태를 띠는 양자점 분산 폴리머(110A)로만 이루어져 있다는 것이다.
마찬가지로, 상기 양자점 분산 폴리머(110A) 또한 투명 폴리이미드, 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트, 및 플루오르화 폴리이미드와 같이 투과율이 높은 물질로 사용되는 것이 바람직하며, 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트로 구성되는 것이 보다 바람직하다.
한편, 본 발명의 제 2양상에 따른 태양전지 모듈(200A)은, 상기 양자점 광농축기(100A)를 구성하고 있는 슬랩(slab) 형태의 양자점 분산 폴리머(110A)의 둘레에 점착제(140; 도 1 참조)가 추가로 제공되고, 상기 점착제(140)에 태양전지(150)가 부착되는 것을 특징으로 한다.
참고로, 상기 점착제(140)는 프레스넬(Fresnell) 반사를 줄이기 위해 양자점 광농축기(100, 100A)를 구성하고 있는 유리층 또는 폴리머층과 유사한 굴절률을 갖는 물질로 이루어지며, 이는 본 발명에 따른 양자점 광농축기(100, 100A) 및 이를 포함하는 태양전지 모듈(200, 200A)의 효율을 고효율로 유지하도록 한다. 따라서, 상기 점착제(140)는 투명 폴리이미드, 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트, 및 플루오르화 폴리이미드와 같이 투과율이 높은 물질로 사용되는 것이 바람직하며, 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트로 구성되는 것이 보다 바람직하다.
도 3은 도 1에 따른 광녹축기(100)를 구성하고 있는 레진막층(110), 및 상부층(120) 및 하부층(130)을 구성하는 폴리머층, 및 도 2에 따른 광농축기(100A)를 구성하고 있는 폴리머층(110A)(이하 "레진/폴리머")를 각기 다른 재료로 하여 측정한 투과율 그래프를 나타낸 것이다.
구체적으로, 아이소보르닐 아크릴레이트(isobornylacrylate. IBOA)(재료 A), 상기 IBOA와 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트(DiPentaerythritol HexaAcrylate, DPHA)를 3:1의 중량비로 혼합한 소재(재료B), 및 상기 재료 B에 Oxe-02 광개시제(Photoinitiator Oxe-02)를 3%의 무게비로 첨가한 소재(재료C)로 구성된 레진/폴리머로 실험을 진행하였다. 재료 A, 재료 B, 및 재료 C 각각에 대하여, 도 3은 해당 레진/폴리머의 파장에 따른 투과율을 나타내고 있다.
도 4는 폴리메틸메타아크릴레이트를 포함한 다양한 고분자에 대해 측정한 투과율을 나타낸 그래프이다.
구체적으로, 투과율이 높다고 알려져 있는 폴리메틸메타아크릴레이트 또한 850nm의 파장 영역 부근에서 그 투과율이 소폭 감소한다는 것을 확인할 수 있으며, 이는 해당 파장 영역 부근에서도 투과율의 변화가 없는 보다 개선된 재료가 필요하다는 것을 시사한다.
도 5는 폴리메틸메타아크릴레이트, 및 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트로 이루어진 레진/폴리머의 흡수계수(Absorption coefficient [cm-1])를 도시하고 있다.
구체적으로, 레진/폴리머가 폴리메틸메타아크릴레이트로 이루어진 경우, 500nm 내지 1500nm 사이의 파장 영역 전반에 걸쳐, 약 10-3에서 100 사이의 흡수계수를 가지는 것을 알 수 있고, 파장이 증가함에 따라 일정하지 않은 변동폭을 거치면서 흡수계수가 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 반면, 레진/폴리머가 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트로 구성된 경우에는, 500nm 내지 1500nm 사이의 파장 영역 전반에 걸쳐 폴리메틸메타아크릴레이트의 경우보다 더 낮은 흡수계수를 가진다는 것을 알 수 있으며, 폴리메틸메타아크릴레이트의 경우와는 달리 파장이 증가할수록 흡수계수가 일정하게 감소한다는 사실을 확인할 수 있다. 특히, 850nm 부근에서 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트의 흡수계수는 대략 10---4(cm-1)으로 대략 10---1(cm-1)의 흡수계수를 갖는 폴리메틸메타아크릴레이트보다 약 1000배 가량 낮은 값을 갖는다는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 광농축기를 구성하고 있는 양자점의 발광 스펙트럼을 도시하고 있다.
구체적으로, 양자점 1은 650nm 내지 700nm 사이, 양자점 2는 700nm 내지 750nm 사이, 양자점 3은 720nm 내지 770nm 사이에서 발광 피크 파장(peak emission wavelength)을 가지며, 각각 대략 150nm, 170nm, 및 240nm의 반치폭(Full Width at Half Maximum, FWHM)을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
도 7은 양자점 1을 기반으로 한 정사각형 크기의 광농축기에 대하여, 길이(mm) 및 두께(mm)를 변수로 하여 몬테-카를로 시뮬레이터(Monte-Carlo simulator)을 통해 측정한 광농축기의 효율 그래프를 나타낸 것이다. 본 명세서에서, "광농축기의 효율"은 "광농축기에 입사된 빛(광농축기의 상면에 입사된 빛)의 세기에 대한 광농축기의 둘레로부터 방출되는 빛의 세기"를 의미할 수 있다.
구체적으로, 광농축기의 효율(ηopt)은 광농축기의 두께가 늘어날수록 증가하는 반면, 길이가 늘어나게 되면 감소하는 경향성을 띈다는 것을 알 수 있다. 환언하면, 광농축기의 효율은 광농축기의 단면 종횡비(길이/두께)와 비례함을 확인할 수 있다.
도 8은 일반(normal) 유리, 저철분(Low iron) 유리, 및 석영(Quartz) 유리에 따른 투과율 그래프를 나타낸 것이다.
구체적으로, 400nm 내지 1000nm의 파장 영역 전반에 걸쳐, 일반(normal) 유리는 대략 87~92%의 투과율을 갖는 반면, 저철분(Low iron) 유리, 및 석영(Quartz) 유리는 대략 92~95%의 투과율을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
좀 더 구체적으로, 본 개시내용에서 사용되는 유리는 저철분(Low iron) 유리, 및 석영(Quartz) 유리이다. 일반적으로 사용되는 유리는 조성물 총 중량에 대비하여 SiO2 65~75%, CaO 5~15%, Na2CO3 10~20% 등이 포함되어 있다. 한편, "저철분 유리"는 "유리의 전체 중량 중 FeO, Fe2O3, 및 Fe3O4의 합계 중량의 비율이 0.01% 이하인 유리"를 의미할 수 있다. 한편, 본 발명에서 개시하고 있는 석영(Quartz) 유리는 순수한 이산화규소(SiO2)로만 이루어진 유리이다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<시험예 1> 양자점 분산 레진/폴리머의 투과율 실험
본 발명에 따른 양자점 광농축기에 사용되는 양자점의 발광 특성을 특정하기 위해, 양자점 광농축기를 구성하는 레진/폴리머의 투과율을 하기 재료 및 크기로 구성하여 선결적으로 평가하였다.
투과율 실험에 앞서, 상술하였듯이 각각 아이소보르닐 아크릴레이트(isobornylacrylate. IBOA)(재료 A), 상기 IBOA와 디펜타에리트리톨 헥사아크릴레이트(dipentaerythritol hexaacrylate, DPHA)를 3:1의 중량비로 혼합한 소재(재료B), 및 상기 재료 B에 Oxe-02 광개시제(Photoinitiator Oxe-02)를 3%의 무게비로 첨가한 소재(재료 C)로 레진/폴리머를 구성하였으며, 이때 크기는 10cm(길이)×10cm(길이)×1cm(두께)의 동일한 크기로 제작하여 실험을 진행하였다.
도 3을 살펴보면, 재료 A, B, 및 C로 이루어진 레진/폴리머의 투과율 모두 대략 400nm의 파장 전후로 급격하게 증가하다가, 대략 500nm 이상의 파장부터는 대략 90%의 거의 일정한 투과율을 갖는 것으로 나타났다. 그러나, 대략 850nm의 파장 영역 부근에서는 상기 재료 A, B, 및 C로 이루어진 레진/폴리머 모두 투과율이 소폭 감소되는 현상이 관찰되었는데, 이는 레진/폴리머를 구성하는 재료 A, 재료 B, 및 재료 C 모두 C-H 결합을 포함하는 유기물인바, 해당 C-H결합의 흡수 파장이 850nm 영역이기 때문인 것으로 확인되었다.
이는 양자점의 최장파장은 850nm 보다 작아야 한다는 것을 의미하며, 이는 본 발명에 따른 양자점 기반 광농축기 및 이를 포함하는 태양전지 모듈을 제공하기 위해서는, 궁극적으로 투과율이 우수한 양자점 분산 레진/폴리머가 제공되어야 한다는 것을 시사한다.
<비교예 1> PMMA와 플루오르화 PMMA의 투과율 비교
우선, 도 4를 살펴보면, 레진/폴리머가 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)로 구성된 경우 또한 여타 폴리스티렌(Polystyrene), 폴리카보네이트(Polycarbonate)와 마찬가지로 850nm의 파장 부근에서 투과율이 소폭 감소한다는 것을 알 수 있다.
상기 시험예 1 및 도 4를 토대로, 양자점 광농축기를 구성하는 레진/폴리머의 크기는 상기 시험예 1에서와 동일하게 제작하되, 폴리메틸메타아크릴레이트, 및 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트로 구성하여 투과율 실험을 추가적으로 진행하였다. 해당 실험 결과는 도 5에 나타내었으며, 이때 흡수계수(Absorption coefficient [cm-1])가 낮을수록 투과율이 높다는 것을 의미한다.
도 5를 살펴보면, 레진/폴리머가 폴리메틸메타아크릴레이트로 이루어진 경우보다 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트로 구성된 경우에 500nm 내지 1500nm 사이의 파장 영역 전반에 걸쳐 더 낮은 값의 흡수계수를 갖는 것을 확인할 수 있다. 특히, 850nm 부근에서 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트의 흡수계수는 대략 10---4(cm-1)으로 대략 10---1(cm-1)의 흡수계수를 갖는 폴리메틸메타아크릴레이트보다 약 1000배 가량 낮은 값을 갖는다는 것을 알 수 있다.
따라서, 해당 실험 결과, 제1 양상에 따른 양자점 기반 광농축기를 구성하는 "레진막층(110)"과 "상부층(120) 및 하부층(130)을 구성하는 폴리머층", 및 제2 양상에 따른 "폴리머층(110A)"은 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트로 구성되는 것이 바람직하다.
<시험예 2> 양자점, 및 양자점 기반 광농축기의 효율 평가
본 발명에 따른 광농축기의 효율 평가에 앞서, 광농축기를 구성하게 되는 양자점의 발광 특성을 선결적으로 평가하였다. 도 6에는 양자점 1, 양자점 2, 및 양자점 3의 발광 특성을 나타낸 그래프가 도시되어 있으며, 상기 발광 특성을 최대 발광파장(Peak wavelength), 스펙트럼 반치폭(FWHM)으로 구체화하여 아래 표 1에 구체적인 수치로 나타내었다(단위: nm).
구분 최대 발광파장
(Peak wavelength)		 스펙트럼 반치폭(FWHM)
양자점 1 670 150
양자점 2 720 170
양자점 3 735 240
<용어 설명>
·최대 발광파장: 발광 스펙트럼에서 최대 강도로 발광되는 파장.
·스펙트럼 반치폭: 발광 스펙트럼에서 나타나는 발광 피크의 1/2의 강도를 가진 두 파장 사이의 간격.
표 1에서 확인되는 바와 같이, 발광 스펙트럼에서 나타나는 양자점 1의 최대 발광파장은 670nm로 양자점 2, 및 양자점 3의 최대 발광파장에 비해 작으며, 반치폭 또한 150nm으로 양자점 2, 및 양자점 3에 비해 보다 좁은 반치폭을 갖는다는 것을 확인할 수 있다.
상기 양자점 효율 평가를 바탕으로, 10cm(길이)×10cm(길이)×1cm(두께)의 광농축기를 제작하여 상기 양자점 1, 2, 및, 3을 기반으로 한 광농축기의 광효율을 측정하였으며, 그 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
양자점 1 기반
광농축기		 양자점 2 기반
광농축기		 양자점 3 기반
광농축기
광효율 41.1% 26.6% 21.3%
표 2를 살펴보면, 양자점 2, 및 3 기반 광농축기의 광효율은 각각 26.6%, 및 21.3%으로 측정되었으며, 양자점 1 기반 광농축기의 광효율은 41.1%로 상기 양자점 2, 및 3 기반 광농축기의 광효율보다 상당히 높게 측정되었다. 환언하면, 광농축기의 광효율은 파장이 850nm에 가까워질수록 점점 감소하며, 850nm에 도달하는 순간 큰 폭으로 감소한다는 것을 알 수 있다. 이는 표 1에 개시된 양자점들의 발광 특성을 고려해볼 때, 양자점 중에서도 양자점 1의 최대 발광파장이 C-H결합의 흡수 파장에 해당하는 850nm 파장 영역에서 가장 먼 곳에서 측정되었으며, 반치폭 또한 양자점 1의 반치폭이 가장 좁기 때문인 것으로 확인된다.
따라서, 해당 시험예 2는 양자점의 최장파장이 850nm 보다 작을수록 유리하다는 상기 시험예 1의 실험결과를 뒷받침하며, 본 발명에 따른 광농축기에는 양자점 1을 사용하여 구성하는 것이 바람직하다.
<시험예 3> 다양한 크기에 따른 광농축기의 효율 측정
상기 시험예 2에서 효율이 가장 우수하다고 평가된 양자점 1을 기반으로 한 광농축기에 대하여, 정사각형으로 제작하되, 길이 및 두께를 변수로 하여 광효율을 측정하였다. 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다(단위: %).
크기
(치수)		 길이 두께 길이 두께 길이 두께
50mm 1.4mm 100mm 1.4mm 100mm 10mm
효율 36.2% 32.1% 41.1%
표 3을 살펴보면, 광농축기가 길이 50mm, 두께 1.4mm일 때, 광효율은 36.2%이다. 또한, 광농축기가 길이 100mm, 두께 1.4mm일 때, 광효율은 32.1%로 측정되었다. 따라서, 길이가 늘어날수록 광농축기의 효율이 감소한다는 것을 확인하였다. 한편, 광농축기가 길이 100mm, 두께 100mm인 경우, 광효율은 41.1%로 측정되었다. 따라서, 두께는 늘어날수록 광농축기의 효율이 증가한다는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 광농축기의 효율은 광농축기의 단면 종횡비(길이/두께)와 반비례함을 알 수 있으며, 이는 도 7에 도시되어 있는 크기를 변수로 한 몬테-카를로 시뮬레이터(Monte-Carlo simulator) 결과와도 일치한다는 것을 알 수 있다. 그러나, 광농축기의 단면 종횡비가 너무 작아지면 광농축기의 단위 면적당 무게가 과도하게 증가하기 때문에, 다음과 같이, 광농축기의 단면 종횡비의 상한값뿐만 아니라 하한값을 설정한다.
광농축기의 단면 종횡비(길이/두께)는, 50 내지 200인 것이 바람직하며, 70 내지 140인 것이 더 바람직하며, 80 내지 120인 것이 특히 바람직하다.
그에 따라, 광농축기 면적별 요구되는 두께는, 면적(cm2)/40,000(cm) 내지 면적(cm2)/2,500(cm)인 것이 바람직하며, 면적(cm2)/20,000(cm) 내지 면적(cm2)/5,000(cm)인 것이 더 바람직하며, 면적(cm2)/15,000(cm) 내지 면적(cm2)/8,000(cm)인 것이 특히 바람직하다(예를 들어, 두께=면적/10,000인 경우는 1m2 면적에서 두께 1cm임).
<시험예 4> 다양한 유리에 따른 광농축기의 광효율 측정
양자점 1이 분산된 레진/폴리머층에 대하여, 각각 '시중에서 입수한 일반 유리', '유리의 전체 중량 중 FeO, Fe2O3, 및 Fe3O4의 합계 중량의 비율이 0.01% 이하인 저철분 유리', 및 '순도 100%의 SiO2가 함유된 석영 유리'를 상기 레진/폴리머층의 상하부에 접하도록 하되, 크기가 길이 100mm, 두께 10mm인 광농축기를 제작하였다.
위에서 준비된 광농축기에 대하여, 400nm 내지 700nm의 파장 영역을 갖는 빛을 입사시켜 광효율을 측정하였으며, 그 결과는 아래 표 4와 같다.
일반 유리 Low iron 유리 Quartz 유리
효율 22.9% 41.1% 42.3%
표 4에서 확인되는 바와 같이, 일반 유리를 사용한 광농축기의 효율은 22.9%로 측정되었으며, 저철분(Low iron) 유리, 및 석영(Quartz) 유리를 사용한 광농축기의 효율은 각각 41.1%, 및 42.3%로 일반 유리를 사용한 경우보다 높은 효율을 갖는 것으로 측정되었다.
따라서, 본 발명의 제1 양상에 따른 광농축기를 구성하는 유리층은 저철분 유리, 석영 유리, 또는 이에 준하는 고투과 유리로 선택되는 것이 바람직하되, 400nm 내지 1000nm에서 평균 투과율이 91~95%인 유리로 구성되는 것이 바람직하며, 400nm 내지 1000nm에서 평균 투과율이 92~95%%인 유리로 구성되는 것이 더 바람직하고, 400nm 내지 1000nm에서 평균 투과율이 94~95%인 유리로 구성되는 것이 특히 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.
본 명세서에서, "400nm 내지 1000nm에서 평균 투과율"은 "400nm로부터 1000nm까지의 파장 영역에 걸쳐 투과율을 적분한 값을 600nm(=1000nm-400nm)로 나눈 값"을 의미할 수 있다.
본 발명은 첨부된 예시 도면의 바람직한 실시형태를 중심으로 도시하고 설명하였지만, 이에 한정하지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 실시할 수 있음은 물론이다.
100, 100A: 광농축기 110: 레진막층
110A: 폴리머층 120: 상부층
130: 하부층 140: 점착제
150: 태양전지 200, 200A: 태양전지 모듈
QD: 양자점

Claims (13)

  1. 양자점 기반 광농축기에 있어서,
    양자점이 분산된 레진막층;
    상기 레진막층의 상부에 접하는 상부층; 및
    상기 레진막층의 하부에 접하는 하부층
    을 포함하되,
    상기 상부층 및 하부층은 유리층 및 폴리머층에서 선택되는 어느 하나의 층인 양자점 기반 광농축기.
  2. 양자점 기반 광농축기에 있어서,
    양자점이 분산된 폴리머층
    을 포함하되,
    상기 폴리머층은 슬랩(slab) 형태로 제공되는 것인 양자점 기반 광농축기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 양자점의 최장 파장은 650~900nm인 양자점 기반 광농축기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 유리층은 400~1000nm에서 평균 투과율이 91~95%인 양자점 기반 광농축기.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 폴리머층은 투명 폴리이미드(clear polyimide), 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트(fluorinated PMMA), 및 플루오르화 폴리이미드(fluorinated PI)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 양자점 기반 광농축기.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 광농축기의 단면 종횡비(aspect ratio)(길이/두께)는 50~200인 것인 양자점 기반 광농축기.
  7. 태양전지 모듈에 있어서,
    양자점이 분산된 레진막층;
    상기 레진막층의 상부에 접하는 상부층;
    상기 레진막층의 하부에 접하는 하부층;
    상기 레진막층, 상기 상부층, 및 상기 하부층 둘레에 제공되는 점착제; 및
    상기 점착제에 부착되는 태양전지
    를 포함하되,
    상기 상부층 및 하부층은 유리층 및 폴리머층에서 선택되는 어느 하나의 층인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  8. 태양전지 모듈에 있어서,
    양자점이 분산된 폴리머층;
    상기 폴리머층 둘레에 제공되는 점착제; 및
    상기 점착제에 부착되는 태양전지
    를 포함하되,
    상기 폴리머층은 슬랩 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 양자점의 최장 파장은 650~900nm인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 유리층은 400~1000nm에서 평균 투과율이 91~95%인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
  11. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 폴리머층은 투명 폴리이미드, 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트, 및 플루오르화 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 태양전지 모듈.
  12. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 점착제는 투명 폴리이미드, 플루오르화 폴리메틸메타아크릴레이트, 및 플루오르화 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 태양전지 모듈.
  13. 제 7항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 광농축기의 단면 종횡비(길이/두께)는 50~200인 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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