KR20240047423A - 효과 안료 및 산란 첨가제를 포함하는 층 - Google Patents

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전 웽
클라우디오 브리기나
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Abstract

본 발명은, 하나 이상의 플레이크형 효과 안료 및 하나 이상의 광 산란 중심을 함유하는 층, 시트 또는 필름, 이의 제조 방법, 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈을 포함하지만 이에 국한되지 않는 태양 전지 에너지를 수집하는 임의의 유형의 장치에 대한 이의 용도, 및 이러한 층, 시트 또는 필름을 포함하는 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈을 포함하지만 이에 국한되지 않는 태양 전지 에너지 수집 장치, 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

효과 안료 및 산란 첨가제를 포함하는 층
본 발명은, 하나 이상의 플레이크형 효과 안료 및 하나 이상의 광 산란 중심을 함유하는 층, 시트 또는 필름, 이의 제조 방법, 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈을 포함하지만 이에 국한되지 않는 태양 전지 에너지를 수집하는 임의의 유형의 장치에 대한 이의 용도, 및 이러한 층, 시트 또는 필름을 포함하는 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈을 포함하지만 이에 국한되지 않는 태양 전지 에너지 수집 장치, 및 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
태양 전지는 지난 몇 년 동안 큰 성공을 거두었으며 2019년에는 전 세계 그리드(grid) 연결 설비 규모가 600 GW를 넘어섰으며 대다수가 유틸리티 규모(utility scale)로 설치되었다. 모든 태양 전지의 기본 기능은, 빛을 흡수하여 여기된 전자-정공 쌍을 생성 광활성 재료에 의존한다. 이 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 있으므로, 태양광 산업에는 다음과 같은 상이한 종류의 태양 전지 기술이 알려져 있다:
1) 결정질(crystalline) 실리콘(silicon) 태양전지(단결정질 c-Si 및 다결정질 mc-Si)
2) 카드뮴-텔루라이드 태양 전지 (CdTe)
3) 구리-인듐-갈륨-디셀레나이드 (CIGS/CIS)
4) 비정질(amorphous) 실리콘 태양 전지 (a-Si)
5) 갈륨-비소(GaAs) 태양 전지와 같은 Ⅲ/V 태양 전지 또는 게르마늄/인듐-(알루미늄)-갈륨-비소 또는 인 (In(Al)GaAs/p)과 같은 Ⅲ 및 V 족 원소의 스택으로 이루어진 다중-접합 태양 전지
6) 염료 감응형(sensitized) 태양 전지 (DSSC)
7) 유기 태양 전지 (OSC)
8) 페로브스카이트(Perovskite) 태양 전지 (PSC)
9) 양자점(quantum dot) 태양 전지 (QSC)
10) 아연 셀레나이드(ZnSe) 또는 황화철(FeS)과 같은 Ⅱ 족 및 Ⅵ 족 원소로 이루어진 기타 Ⅱ/Ⅵ 태양 전지
11) 탠덤(tandem) 태양 전지
그럼에도 불구하고, 예를 들어 건물의 더 많은 표면 및 물체(예를 들어, 자동차)의 기타 표면을 사용하면 태양 에너지 생산에 사용될 수 있는 전체 표면적이 증가한다. 이를 위해, 매력적인 색상 및 색상 쉐이드(shade)를 갖는 태양 전지를 만들고 상이한 입사각에서 효율성을 높이는 새로운 기술과 접근법이 태양 에너지 사업의 주요 관심사이다.
국제 특허 공개 제WO 2019/122079A1호는 예를 들어 유리 색상 또는 투명 적층 재료 또는 봉지재와 같은 적용 매질에 효과 안료를 혼입한 후, 태양 전지의 전면 측에 적용함으로써, 단일 태양 전지 또는 복수의 전기적으로 상호 연결된 태양 전지로 제조된 태양 전지 모듈을 착색하는 방법을 개시하고 있다. 효과 안료는 반투명하며 태양 전지 효율을 저하시키지 않으면서 광 입사 표면의 색상을 제어한다.
그러나, 광-입사 표면의 안료 함유 층에 의해 제공되는 반투명 착색으로 인해, 태양 전지 구조체 및/또는 그의 전도성 부분은 보호 유리 및 봉지재 필름을 통해 적어도 부분적으로 여전히 보일 수 있는 것으로 관찰되었다. 이러한 바람직하지 않은 패턴의 출현은, 특히 건물의 파사드(facade)와 같은 영역 또는 건물 일체형 광전지의 다른 영역에서 유색 태양 전지의 사용을 제한할 수 있는 단점이다. 또한, 색상의 강도는 시야각에 따라 달라지며, 이로 인해 특정 용도에서는 색상 효과가 덜 매력적일 수 있다는 것이 관찰되었다.
WO 2019/122079A1은 외관의 균일성을 향상시키기 위해 균질한 암색의 배경을 사용하는 것 및/또는 원하지 않는 패턴의 외관을 억제하기 위해 태양 전지 모듈의 전도성 부분을 흑화하는 것을 제안한다. 그러나, 이는, 추가 공정 단계 또는 컴포넌트를 요구하고, 태양광 모듈 생산 공정의 시간과 비용을 증가시킨다.
US 5,807,440은, 광 입사 측에 착색제, 안료 또는 염료를 함유하는 착색 층을 포함하고, 15 내지 90%의 헤이즈 특성을 제공하는 디퓨저 층을 추가로 포함하는 유색 광전지 장치를 기재하고 있다. 디퓨저 층은 백색 또는 거의-무색인 안료, 다공성 수지 또는 반투명 수지에 분산된 불용성 수지를 포함할 수 있다. 그러나, 이 문헌의 실시예는, 흡수 염료를 갖는 착색 층 및 추가 디퓨저 층을 포함하는 광전지 장치는 디퓨저 층이 없는 기준 장치에 비해 32 내지 36%의 단락 전류 손실을 보인다고 보고한다. 또한, 착색 층에 추가하여 별도의 디퓨저 층을 사용하게 되면 태양광 모듈 생산 공정이 더욱 복잡해지고 공정 시간과 비용이 증가하게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 종래 기술의 필름에서 관찰되는 결점을 갖지 않고 넓은 범위의 시야각에서 우수한 색상 반사 강도를 나타내면서 바람직하지 않은 가시 패턴, 예를 들어 스트링이나 버스 바를 방지하는 태양 전지 및 태양 전지 모듈용 개선된 착색 층을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 이러한 착색 층을 포함하는 개선된 유색 태양 전지 및 유색 태양 전지 모듈, 및 이들의 제조를 위한 보다 시간 및 비용 효과적인 방법을 제공하는 것이다.
놀랍게도 이들 목적 중 하나 이상이, 하나 이상의 효과 안료를 포함하고 예를 들어 산란 입자와 같은 하나 이상의 광 산란 중심을 추가로 포함하여, 결과적으로 투명하게 나타나지 않지만 특정 헤이즈를 보이면서, 어두운 배경에 대해 원하는 색상 효과를 제공하는, 이하에 개시되고 청구된 층, 시트 또는 필름을 제공함으로써 달성될 수 있다는 것이 발견되었다. 놀랍게도, 태양 전지 모듈의 전면 측에 이러한 층을 추가함으로써 유색 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 셀 및 스트링/버스 바의 바람직하지 않은 어두운 패턴의 외관을 감소시킬 수 있으며 시야각에 대한 색상 강도의 의존성을 줄일 수 있으면서 안료-함유 층의 높은 투과율을 유지하여 높은 태양 전지 효율에 기여할 수 있다는 것이 발견되었다.
또한, 광 산란 중심이 착색된 층을 더욱 불투명하게 만들고 동일하지 않은 색상을 숨겨 전체 태양광 패널에 보다 균일한 색상을 제공한다는 것도 놀랍게도 발견되었다. 동시에, 하기 실시예에서 볼 수 있는 바와 같이, 태양 전지의 효율은 광 산란 중심으로 인해 크게 감소하지 않으며 심지어 증가할 수도 있다.
따라서, 본 출원은 투명 또는 반투명 재료의 하나 이상의 층 및 임의적으로 후(post) 코팅으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재(flake-form substrate)로 이루어진 하나 이상의 효과 안료를 포함하고, 하나 이상의 광 산란 중심(light scattering center)을 추가로 포함하는 층, 시트 또는 필름에 관한 것이다.
본 출원은 또한 상기 및 하기 기재된 층, 시트 또는 필름을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 출원은 또한 태양 전지 모듈의 착색 층, 특히 착색 봉지재 층 또는 유리 색상으로서의 상기 및 하기 기재된 층, 시트 또는 필름의 용도에 관한 것이다.
본 출원은 또한 상기 및 하기에 기술된 층, 시트 또는 필름을 포함하는 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈에 관한 것이다.
본 출원은 또한 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈에 관한 것으로서,
하기 컴포넌트
- 투명 전면(front) 커버 층(이하 간단히 "전면 시트"라고도 함),
- 임의적으로, 상기 태양 전지의 전면 측(front side)의 추가 투명 층,
- 하나 이상의 태양 전지, 또는 전도성 부품(part), 바람직하게는 버스 바(bus bar)에 의해 전기적으로 상호 연결된 태양 전지의 어레이(array), 및
- 후면(rear) 시트
를 포함하고, 이때 상기 투명 전면 커버 층 또는 상기 태양 전지의 전면의 추가 투명 층이 투명 또는 반투명 재료의 하나 이상의 층 및 임의적으로 후 코팅으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재로 구성된 하나 이상의 효과 안료를 포함하고 하나 이상의 광 산란 중심을 추가로 포함한다.
본 출원은 또한 상기 및 하기에 기술되는 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈을 제조하는 방법에 관한 것이다.
상기 및 하기에서 용어 "광 산란 중심"은, 산란 입자 또는 기타 첨가제, 버블, 액적, 유체의 밀도 변동체, 다결정 고체의 미결정, 단결정 고체의 결함, 표면 거칠기 스팟 등을 포함하나 이에 국한되지 않는 다양한 종류의 산란 중심을 포함하는 것으로 이해된다. 본 발명에 따른 산란 중심에 의해 발생하는 산란 효과는 정반사와 달리 확산 반사로 이해될 수도 있으며, 달리 명시하지 않는 한, 가시광선, UV 및 IR 범위, 바람직하게는 200 내지 1200 nm 범위, 보다 바람직하게는 300 내지 1000 nm 범위의 빛의 산란을 의미한다.
상기 및 하기에서, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 "전면 측"이라는 용어는 광-수용 측면 또는 입사광을 마주하는 측면을 의미하고, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 "후면 측(rear side)" 또는 "배면 측(back side)"이라는 용어는 방사선-수용 측면의 반대 측 또는 입사광을 외면하는 측면을 의미한다. "전면 유리/시트" 또는 "전면 봉지재 필름"은 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 전면에 제공되는 유리, 시트 또는 봉지재 필름을 의미하고, 용어 "후면 유리/시트" 및 "후면 봉지재 필름"은 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 후면 측에 제공되는 유리, 시트 또는 봉지재 필름을 의미한다.
상기 및 하기에서, 달리 언급되지 않는 한 용어 "태양 전지"는 단일 태양 전지 및 태양 전지 모듈, 뿐만 아니라 전술한 어레이, 스트링 또는 패턴을 모두 포함하는 것으로 이해된다. 마찬가지로, "태양 전지 모듈"이라는 용어는 달리 언급되지 않는 한 단일 태양 전지도 포함하는 것으로 이해된다.
상기 및 하기에서, 달리 명시하지 않는 한, 광 산란 입자 및 효과 안료의 중량%은 층, 시트 또는 필름의 고체 부분의 총 중량을 기준으로 한다.
상기 및 하기에서, "중간 입자 크기 D50"이라는 용어는, 입자의 50%가 이 값보다 작은 크기를 갖고 입자의 50%가 이 값보다 큰 크기를 갖도록 크기 분포를 분할하는 마이크론 단위의 입자 크기를 의미한다(또한 중앙 직경으로도 공지됨). 달리 명시하지 않는 한, 중간 입자 크기 D50의 값은 Malvern MS2000 장비를 사용하여 수득된다.
이하, 본 발명에 따른 층, 시트 또는 필름은 또한 간단히 "층"으로 지칭되며, 이는 상기 또는 하기 기재된 본 발명에 따른 층, 시트 또는 필름을 포함하는 것으로 이해된다.
본 발명은, 뛰어난 가요성을 갖고 태양 전지 효율에서 낮거나 무시할 수 있을 정도의 손실, 및 높은 수준의 장기 안정성으로 광범위의 다양한 색상을 달성할 수 있는 최신식 태양 전지뿐만 아니라 전기적으로 상호 연결된 복수의 태양 전지로 이루어진 태양 전지 모듈을 착색하는 매우 효율적인 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 모든 시야각에서 높은 색상 균일성(uniformity) 및 양호한 색상 강도를 달성하기 위한 해결책을 제공하며, 여기서, 버스 바 및 개별 태양 전지가 덜 가시적이고 동시에 태양 전지 효율에서 낮거나 무시할 수 있는 손실이 달성된다.
따라서, 놀랍게도, 태양 전지의 전면 측에서 효과 안료를 함유하는 층에 광 산란 첨가제를 첨가함으로써, 유색 태양 전지 또는 태양 전지 모듈에서 전지 및 스트링/버스 바의 바람직하지 않는 어두운 패턴의 출현을 감소시키거나 심지어 방지하고, 시야각에 따른 색상 강도의 의존성을 감소시키면서 안료-함유 층의 높은 투명도를 유지하여 태양 전지의 높은 양자 효율을 보장하는 것이 가능하다는 점이 발견되었다.
특히, 바람직하게는, 낮은 마이크로미터 범위의 직경을 갖는 투명한 입자로부터 선택되는 광 산란 첨가제를 안료 함유 층에 사용할 때, 이들이 산란 중심으로 작용하고, 투과율에 전혀 영향을 주지 않거나 또는 미미한 영향을 주면서 헤이즈를 증가시킴에 의해 착색된 층의 은폐력을 증가시킬 수 있고, 심지어 태양 전지 효율에 긍정적인 영향을 미칠 수도 있다는 것이 놀랍게도 발견되었다.
더욱이, 특히 커버 유리의 전면에 사용되는 경우, 층 중 효과 안료의 농도는 광학 투명 입자로부터 선택된 광 산란 첨가제와 조합하여 사용되는 경우에도 감소될 수 있어서, 태양 전지 효율에 대한 효과 안료의 가능한 영향은 더욱 감소될 수 있다는 것이 놀랍게도 발견되었다.
전형적인 용도의 경우, 효과 안료의 농도는 1 g/m2 이상이어야 하는데, 이는, 그렇지 않으면 태양 전지 구조체가 여전히 가시적이면서도 색상 인상(impression)이 이미 강할 수 있기 때문이다. 은폐력이 높아질 뿐만 아니라 태양 전지 모듈 색상의 각도 의존성이 줄어든다. 산란 입자 자체에 의한 효율성 증가와 조합하여, 이는 효과 안료에 의한 빛의 부분 반사로 인한 전력 손실이 훨씬 덜하면서 유색 태양 전지 모듈을 설계할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다.
본 발명에 따른 효과 안료 및 광 산란 첨가제를 함유하는 층은 전체 태양 전지 효율을 크게 감소시키지 않고 충분한 색상을 제공하는 데 이상적인 것으로 밝혀졌다. 장기간 테스트는 높은 수준의 안정성을 보여주었다. 효과 안료-함유 필름과 태양 전지 사이의 직접적인 접촉은 태양광 모듈의 설정에서 가장 요구가 많은(demanding) 위치이므로, 효과 안료-함유 필름은, 태양광 모듈 스택의 임의의 다른 위치에 사용되는 경우라도 부정적인 영향을 나타내지 않을 것이라고 안전하게 가정할 수 있다.
효과 안료는 입사 가시광선의 일부를 반사하지만 광전 과정에 의해 에너지를 생성하는 데 필요한 빛은 통과시킨다. 효과 안료는 최고의 효율성 각도를 수정하여 색상과 효율성을 조절할 수 있도록 배향될 수 있다.
효과 안료와 광 산란 첨가제를 갖는 층은 당업계의 태양 전지에 쉽게 적용할 수 있어 더욱 효율적으로 적용할 수 있다. 효과 안료 및 광 산란 첨가제를 함유하는 층을 태양 전지 모듈에 적용하는 공정 단계는 캡슐화된 태양 전지 모듈을 제조하기 위한 기존의 당업계의 공정에 쉽게 통합될 수 있다.
본 발명을 사용함으로써, 태양 전지의 시각적 외관은 특별한 필요성에 따라 조정될 수 있다. 건물, 장치, 자동차 등과 같은 태양 전지를 포함하는 물체의 외부 시각적 외관이 개선될 수 있고, 태양 전지의 투과율 및 반사율이 제어될 수 있다. 또한, 어두운(dark) 배면 시트가 사용되고 버스 바 및 연결 지점이 어두운 경우, 전지 및 밝은 색상의 버스 바의 가시성(visibility)이 줄어들거나 회피될 수 있다. 또한, 본 발명은 특수 효과 및 디자인을 달성하기 위한 특별한 색상을 갖는 태양 전지를 제공하는 데 사용될 수 있으며, 예를 들어 사용된 효과 안료에 따라 패널 상의 스파클(sparkle) 효과, 벽돌 벽의 모방, 또는 주택 건설에 사용되는 재료의 다양한 표면의 색상 쉐이드와 같은 질감(texture)이 추가될 수도 있다.
본 발명의 또 다른 장점은, 사람들이 사용하는 중립적인 모습으로 외관을 변경하여 임의의 표면, 예를 들어 건물 표면(파사드 및 지붕), 휴대용, 휴대형 및 설치형 장치, 자동차 또는 기타 운송 물체(자동차, 트럭, 오토바이, 스쿠터, 기차, 선박, 트레일러 등), 가격표, 플라스틱, 웨어러블 품목 및 가전 제품 또는 이와 유사한 물품, 또는 광학적 외관을 변경함이 없이 태양 전지의 심리스(seamless) 통합을 필요로 하는 기타 고도로 가시적인 표면, 태양 전지의 전형적인 기술적 외관이 사람들이 사용하는 중립적인 모습으로 바뀌고 장기적인 안정성이 필수적인 기타 종류의 태양광 설비에 태양 전지를 심리스형으로 통합할 수 있다는 것이다.
태양 전지의 착색은 다양한 색상으로 가능하고 유리와 같은 단단한 기재 또는 단일 태양 전지 기술에 국한되지 않는다. 또한, 적층 스택의 추가 층과 같은 임의의 복잡한 해결책이 필요하지 않다.
효과 안료-함유 층은 태양 전지의 전면 표면 외관을 적색, 청색, 보라색, 녹색 등 및 이들의 혼합색과 같은 다양한 색상으로 만든다. 바람직한 색상 효과를 얻기 위해 층의 두께, 사용된 재료뿐만 아니라 효과 안료의 농도 또는 이들의 조합이 변경될 수 있다. 상이한 농도의 적색, 녹색 및 청색 효과 안료의 조합물/혼합물의 경우, 큰 색상 공간/범위가 달성될 수 있다.
유리하게는, 광 산란 중심을 태양 전지 모듈의 착색을 제공하는 효과 안료와 동일한 층에 통합할 수 있으며, 이는 개별 층의 수를 줄이고 모듈 생산 공정을 보다 시간 및 비용 효율적으로 만든다.
또한, 태양 전지 성능에 영향을 미친다는 큰 단점을 가지고 있고 실제 사용 조건에서 태양 전지 효율이 15% 초과의 초기 성능에서 10% 미만으로 떨어질 수 있는 현재 이용 가능한 기술과 대조적으로 착색 태양 전지의 효율성은 크게 영향을 받지 않기 때문에, 태양광 발전 비용이 눈에 띌 정도로 크게 증가하지 않는다.
놀랍게도, 효과 안료의 농도가 적절하게 선택되면, 효과 안료는 전지 효율에 미미한 영향을 주어 태양 전지를 균일하게 착색할 가능성을 보여준다. 또한 놀랍게도, 특히 통상적인 효과 안료 예컨대 진주 광택 안료, 간섭 안료 및/또는 다층 안료가 바람직한 효과를 나타내는 것으로 밝혀졌다. 이러한 효과 안료의 작동 원리는 특정 파장 영역의 선택된 반사를 기반으로 하기 때문에, 색상 효과를 선택적으로 조정할 수 있고 결과적인 효율성은 빛의 투과된 부분과 직접적으로 연관될 수 있다. 일반적으로, 특정 파장의 낮은 반사율에서 바람직한 색상 효과가 이미 얻어질 수 있다. 하기 실시예에서 입증된 바와 같이, 안료와 산란 첨가제를 적절하게 선택하면 태양 전지의 성능과 효율을 심지어 높일 수도 있다.
더욱이, 광 산란 중심의 통합은 한편으로는 본 발명에 따른 안료 함유 층에 헤이즈를 제공하고, 이는 태양 전지 어레이 구조체 또는 전기 상호 연결 버스 바 등의 형태에서 어두운 패턴의 출현을 유리하게 감소시키지만, 다른 한편으로는 안료 함유 층의 투과율을 크게 감소시키지 않으므로 태양 전지의 전력 변환 효율에 부정적인 영향을 미치지 않는다는 것이 놀랍게도 발견되었다.
본 발명에 따른 층의 광 산란 중심은 바람직하게는 모두 광을 산란시킬 수 있는 입자, 버블, 예를 들어 유리 버블, 액적 및 안료 층의 밀도 변동체로부터 선택되고, 이들 모두는, 더욱 바람직하게는, 광학적으로 투명 또는 반투명하고 유기 또는 무기일 수 있는 입자[이하에서는 "(광) 산란 입자"라고도 한다]로부터 선택된다.
매우 바람직하게는, 본 발명에 따른 층의 광 산란 입자는 SiO2, 바람직하게는 실리카 구체 또는 가루, 구형 실리콘 수지 분말, 또한 BaSO4, Al2O3, BaMgAlOx 또는 Eu-도핑된 BaMgAlOx 입자 또는 유리 버블로부터 선택된다.
황산바륨 입자는 다양한 크기로 예를 들어 Sakai Chemical Industry Co., LTD에서 예컨대 BMH 시리즈 또는 B 시리즈, 예컨대 BMH 40 또는 B-1으로 입수가능하다.
구형 실리콘 수지 분말은 다양한 크기로 ABC NanoTech Co. Ltd.에서 예를 들어 E+508, E+520, E+540로 입수가능하다.
유리 버블은 예를 들어 3M에서 다양한 크기로 예컨대 S60로 입수가능하다.
실리카 가루는 예를 들어 Sibelco에서 다양한 크기로 예컨대 M500 및 M800으로 입수가능하다.
구형 실리콘 수지 분말과 같은 광 산란 입자는 바람직하게는 구형 형상, 예컨대 구체 또는 과립을 가지며, 즉 이는 소판 형상(platelet shaped)이 아니다. 광 산란 입자는 바람직하게는 0.1 내지 10 μm, 보다 바람직하게는 0.2 내지 8 μm, 매우 바람직하게는 0.5 내지 6 μm, 가장 바람직하게는 1 내지 4 μm의 평균 입자 크기, 바람직하게는 중간 입자 크기 D50을 갖는다. 또 다른 바람직한 실시양태에서, 입자는 2 내지 10 μm, 매우 바람직하게는 3 내지 6 μm의 평균 입자 크기, 바람직하게는 중간 입자 크기 D50을 갖는다.
유리 버블의 경우, 중간 입자 크기 D50은 바람직하게는 10 내지 50 μm 범위, 더욱 바람직하게는 20 내지 50 μm 범위이다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 층 중 광 산란 입자의 농도는 0.01 내지 10 중량%, 더 바람직하게는 0.05 내지 10 중량%, 훨씬 더 바람직하게는 0.05 내지 5 중량%, 매우 바람직하게는 0.05 내지 3 중량%, 가장 바람직하게는 0.1 내지 1.5 중량%, 바람직하게는 0.1 내지 10 g/m2 범위이다.
본 발명에 따른 층의 효과 안료는 바람직하게는 진주광택 안료, 간섭 안료 및 다층 안료로부터 선택된다. 효과 안료는 바람직하게는 합성 또는 천연 운모, 플레이크 형태 유리 기재, 플레이크 형태 SiO2 기재 또는 플레이크 형태 Al2O3 기재를 기반으로 한다. 플레이크형 기재는 바람직하게는 Ti, Sn, Si, Al, Zr, Fe, Cr 및 Zn의 금속 산화물 및/또는 금속 산화물 수화물의 하나 이상의 층으로 코팅된다.
본 발명에 따른 층에 사용되는 효과 안료는 바람직하게는 투명 또는 적어도 반-투명하다. 본 발명에 유용한 효과 안료는 바람직하게는 적색, 청색 또는 녹색을 나타낸다. 그러나, 회색, 백색, 보라색, 적색, 또는 주황색과 같은 다른 색상도 적합하다. 특정 색상과 쉐이드를 생성하기 위한 다른 색상 또는 이들의 혼합색이 사용될 수 있다. 효과 안료는 또한 금속 효과, 예컨대 비제한적으로, 은, 백금, 금, 구리 및 기타 다양한 금속 효과를 생성할 수 있다. 다른 색상의 혼합물 및 층 두께의 변화를 사용하여 인쇄된 이미지/픽쳐(picture)/쉐이드를 생성하는 것도 가능하다.
효과 안료는 바람직하게는 투명 또는 반투명 물질의 하나 이상의 층 및 임의적으로 후 코팅으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재를 포함하고, 매우 바람직하게는 이로 이루어진다.
바람직하게는 효과 안료는 금속 산화물, 금속 산화물 수화물 또는 이들의 혼합물을 포함하는 하나 이상의 코팅을 포함하는 플레이크형 기재를 함유한다. 바람직하게는, 효과 안료는 투명 또는 반-투명 무색 물질의 하나 이상의 층으로 코팅된 투명 또는 반-투명 무색 플레이크형 기재로 이루어진다. 진주광택 안료, 간섭 안료, 및/또는 다층 안료를 사용하는 것이 바람직하다. 효과 안료의 장기간 안정성은, 바람직하게는, 예를 들어 WO 2011/095326 A1호 및 하기에서 기술된 바와 같이, 효과 안료의 마지막 층으로서 유기 코팅 및/또는 무기 코팅의 후 코팅을 사용하여 개선될 수 있다.
효과 안료에 적합한 기재는, 예를 들어, 전부 공지된 코팅되거나 코팅되지 않은 플레이크형 기재, 바람직하게는 투명 또는 반-투명, 바람직하게는 무색 플레이크이다. 예를 들어, 필로실리케이트, 특히 합성 또는 천연 운모, 유리 플레이크, SiO2 플레이크, Al2O3 플레이크, TiO2 플레이크, 액정 중합체(LCP), 홀로그램 안료, BiOCl 플레이크 또는 상기 플레이크들의 혼합물이 적합하다. 유전성(dielectric) 코팅을 갖는 알루미늄 플레이크 또한 활성 광전지 층의 매우 높은 은폐력을 얻기 위해 낮은 농도로 본 발명에 따라 사용될 수 있다.
유리 플레이크는 당업자에게 공지된 모든 유리 유형, 예를 들어 A 유리, E 유리, C 유리, ECR 유리, 재활용된 유리, 창 유리, 보로실리케이트(borosilicate) 유리, 듀란(Duran)® 유리, 실험실용 유리 또는 광학 유리로 이루어질 수 있다. 유리 플레이크의 굴절률은 바람직하게는 1.45 내지 1.80, 특히 1.50 내지 1.70 이다. 특히 바람직한 유리 플레이크는 A 유리, C 유리, E 유리, ECR 유리, 석영 유리 및 보로실리케이트 유리로 이루어진다.
합성 또는 천연 운모, SiO2 플레이크, Al2O3 플레이크, 및 유리 플레이크, 특히 C 유리, ECR 유리 또는 칼슘 알루미늄 보로실리케이트의 코팅되거나 코팅되지 않은 플레이크가 바람직하다. 특히, 바람직하게는 칼슘 알루미늄 보로실리케이트 유리를 기재로 하는 효과 안료가 사용된다. 본 발명의 변형례에서는 Al2O3 플레이크가 바람직하다.
상기 기재는 일반적으로 0.01 내지 5 μm, 특히 0.05 내지 4.5 μm 및 특히 바람직하게는 0.1 내지 1 μm의 두께를 갖는다. 길이 또는 폭 치수는 일반적으로 1 내지 500 μm, 바람직하게는 1 내지 200 μm, 특히 5 내지 125 μm이다. 이들은 일반적으로 2:1 내지 25,000:1, 바람직하게는 3:1 내지 1000:1 및 특히 6:1 내지 250:1의 종횡비(평균 직경 대 평균 입자 두께의 비)를 갖는다. 플레이크형 기재에 대한 상기 치수는 원칙적으로 본 발명에 따라 사용되는 코팅된 효과 안료에도 적용되는데, 이는 추가적인 코팅이 일반적으로 단지 수백 나노미터의 영역에 있고 따라서 효과 안료의 두께 또는 길이 또는 폭(입자 크기)에 크게 영향을 미치지 않기 때문이다.
효과 안료 및 그 기재의 입자 크기 및 입자 크기 분포는 당업계에서 통상적인 다양한 방법에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 멜버른 매스터사이저(Malvern Mastersizer) 2000, 베크만 쿨터(Beckman Coulter), 마이크로트랙(Microtrac) 등에 의한 표준 공정의 레이저 회절 방법을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, SEM(주사 전자 현미경) 이미지와 같은 다른 기술이 사용될 수도 있다.
바람직한 실시양태에서, 기재는 금속 산화물, 금속 산화물 수화물, 금속 수산화물, 금속 아산화물(suboxides), 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 및 저-굴절률 층을 포함하는 다층 구조체가 또한 존재할 수 있으며, 여기서 고-굴절률 및 저-굴절률 층이 바람직하게는 서로 교번된다(alternate). 특히 고-굴절률 층(굴절률 2.0 이상) 및 저-굴절률 층(굴절률 1.8 미만)을 포함하는 층 패키지가 바람직하며, 여기서 이러한 층 패키지 중 하나 이상은 기재에 적용된 것일 수 있다. 고-굴절률 및 저-굴절률 층의 순서는 상기 다층 구조체로 기재를 포함하도록 기재와 매칭될 수 있다.
특히 금속 산화물, 금속 산화물 수화물 또는 이들의 혼합물, 바람직하게는 Ti, Sn, Si, Al, Zr, Fe, Cr 및 Zn, 특히 Ti, Sn 및 Si가 바람직하다. 산화물 및/또는 산화물 수화물은 단일 층 또는 별개 층으로 존재할 수 있다. 특히, 루틸(rutile) 또는 아나타제 변형(anatase modification), 바람직하게는 루틸 변형 형태의 이산화 티타늄이 사용된다. 이산화 티타늄을 루틸 변형체로 전환하기 위해서는, 이산화 티타늄 층 아래에 이산화 주석 층이 적용되는 것이 바람직하다. 바람직한 다층 코팅은 바람직하게는 TiO2 - SiO2 - TiO2와 같이 고-굴절률 및 저-굴절률 층을 교대로 포함한다.
금속 산화물, 수산화물 및/또는 산화물 수화물의 층은 바람직하게는 공지된 습식(wet)-화학적 방법에 의해 적용되며, 여기서는 효과 안료의 제조를 위해 개발된 습식-화학적 코팅 방법을 사용하여 기재를 둘러싼다. 습식-화학 물질 적용 후, 코팅된 생성물은 후속적으로 분리되고, 세척되고, 건조되고 바람직하게는 하소된다(calcined).
이들의 개별 층의 두께는 일반적으로 10 내지 1000 nm, 바람직하게는 15 내지 800 nm, 특히 20 내지 600 nm, 특히 20 내지 200 nm이다.
빛, 온도, 물 및 기후 안정성을 높이기 위해, 효과 안료는 후-코팅 또는 후-처리로 처리될 수 있다. 후-코팅은 마지막 층(들)으로서 유기 코팅 및/또는 무기 코팅일 수 있다. 후-코팅은 바람직하게는 원소 Al, Si, Zr, Ce, Fe, Cr 또는 이들의 혼합물 또는 혼합상의 하나 이상의 금속 산화물 층을 포함한다. 또한, 유기 또는 조합된 유기/무기 후-코팅이 가능하다. 실란(silane) 및/또는 유기작용성 실란은 또한 단독으로 또는 금속 산화물과 조합하여 사용될 수 있다. 적합한 후-코팅 또는 후-처리 방법은, 예를 들어, DE 22 15 191, 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, U.S. 5,759,255, U.S. 5,571,851, WO 01/92425, WO 2011/095326에 기술된 방법 또는 당업자에게 공지된 다른 방법이다.
본 발명에 사용될 수 있는 효과 안료는, 예를 들어, 이리오딘(Iriodin)®, 피리스마(Pyrisma)®, 자이랄릭(Xirallic)®, 미라발(Miraval)®, 컬러스트림(Colorstream)®, 스펙트라발(Spectraval)®, 로나스타(RonaStar)®, 비플레어(Biflair)®, 및 루미나 로얄(Lumina Royal)®이라는 상표명으로 제공되는 상업적으로 구매 가능한 간섭 안료 또는 진주광택 안료이다. 다른 상업적으로 구매 가능한 효과 안료가 또한 사용될 수 있다. 특히, 컬러스트림®, 자이랄릭®, 미라발®, 로나스타® 및 피리스마®안료가 사용될 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 층은 상이한 효과 안료, 보다 바람직하게는 2개 이상, 매우 바람직하게는 3개 이상의 상이한 효과 안료의 혼합물을 포함한다. 이를 통해 특수 효과를 얻을 수 있다. 이러한 바람직한 실시양태에서, 효과 안료는 임의의 비율로 혼합될 수 있지만, 바람직하게는 층 중 모든 효과 안료의 전체 함량은 60 중량%를 초과해서는 안 된다.
매우 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 층은 적색, 녹색 및 청색 효과 안료의 혼합물을 포함한다. 농도에 따라, 넓은 색 공간/범위가 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 층 중 효과 안료의 농도는 바람직하게는 0.01 내지 40 중량%, 바람직하게는 0.01 내지 20 중량% 범위이다. 보다 바람직하게는, 본 발명에 따른 층 중 효과 안료의 농도는 0.01 내지 15 중량% 범위, 특히 0.1 내지 10 중량% 범위, 가장 바람직하게는 0.1 내지 8 중량% 범위이다.
또 다른 바람직한 실시양태에서, 본 발명에 따른 층의 m2 당 효과 안료의 양은 0.1 g/m2 내지 75 g/m2 범위, 보다 바람직하게는 0.2 내지 30 g/m2 범위, 매우 바람직하게는 0.5 내지 15 g/m2, 가장 바람직하게는 0.5 내지 6 g/m2이다.
효과 안료(들) 및 광 산란 중심(들)을 함유하는 본 발명에 따른 층은 원칙적으로 중합체 기반, 졸-겔 기반, 폴리실라잔 기반, 유리 기반 또는 세라믹 기반 층을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 투명 재료로부터 선택될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 효과 안료(들) 및 광 산란 중심(들)을 함유하는 층은 중합체 필름이다.
바람직한 중합체 필름은, 폴리올레핀 중합체 또는 공중합체, 특히 폴리에틸렌, EVA(에틸렌 비닐 아세테이트), EBA(에틸렌 부틸 아크릴레이트), EMA(에틸렌 메틸 아크릴레이트), EEA(에틸렌 에틸 아크릴레이트), POE(폴리올레핀 엘라스토머), BPO(폴리올레핀 공중합체), 추가로 PVB 또는 TPU(열가소성 폴리우레탄)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 폴리에틸렌 중합체 또는 공중합체로부터 선택되고, 바람직하게는 EVA 또는 폴리에틸렌 공중합체이다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시양태에서, 효과 안료(들) 및 광 산란 중심(들)을 함유하는 층은 유리, 세라믹 또는 에나멜 층이다. 이러한 용도를 위해, 층은 유리 시트 또는 유리 물품 상에 제공되는 것이 바람직하다.
효과 안료 및 광 산란 중심을 함유하는 층의 두께는 바람직하게는 중합체 필름의 경우 5 μm 내지 1000 μm, 보다 바람직하게는 20 μm 내지 800 μm, 훨씬 더 바람직하게는 200 μm 내지 600 μm, 세라믹 층의 경우 바람직하게는 300 μm 내지 300 μm, 유리, 세라믹 또는 에나멜 층의 경우 더욱 바람직하게는 20 μm 내지 200 μm, 가장 바람직하게는 30 μm 내지 100 μm이다.
효과 안료 및 광 산란 입자는 당업자에게 공지되고 문헌에 기술된 방법에 의해 본 발명에 따른 층에 혼입될 수 있다.
본 발명에 따른 층이 유리, 세라믹 또는 에나멜 층인 경우, 이는 예를 들어 효과 안료(들) 및 광 산란 입자(들)를 유리 프릿 또는 플럭스, 세라믹 또는 에나멜 전구체(들)와 혼합하고, 혼합물을 기재 상에 놓고, 각각 유리 프릿, 플럭스, 세라믹 또는 에나멜의 유리 온도보다 높은 온도에서 혼합물을 베이킹하거나 소성하여 제조될 수 있다.
전구체 조성물을 기재에 적용하는 전형적인 방법에는, 용매(예: 물 또는 글리콜 에테르) 중 플럭스, 에나멜 또는 세라믹 전구체, 산란 및 안료 혼합물의 롤러 코팅, 스크린 인쇄 또는 분무가 포함된다.
특히 유리 물품, 특히 유리판의 장식에서, 바람직하게는 하나 이상의 안료, 하나 이상의 광 산란 첨가제 및 하나 이상의 유리 프릿 또는 플럭스를 함유하는 전구체 조성물이 사용된다. 전구체 조성물을 기재 위에 코팅한 후 베이킹하면 안료 및 광 산란 첨가제를 함유하는 유리-에나멜이 형성된다. 유리판에 전구체 조성물을 적용할 때, 전구체 조성물의 용융 거동은 템퍼링 공정의 전형적인 조건에 따라 조정되어야 한다. 전형적인 베이킹 조건은 유리 온도가 약 580℃ 내지 650℃이고, 베이킹 시간은 수 분이다. 건축 및 기구 유리 분야에서 유리판을 다채롭게 장식하려면, 조성물에 함유된 유리 프릿과 무기 안료 사이에 우수한 상용성이 필요하다. 많은 사용 분야에서, 베이킹된 조성물, 즉 유리-에나멜의 요구 사항에는 가능한 한 낮은 온도에서 짧은 베이킹 시간과 원활한 작동, 균열 방지, 산 및 알칼리성 물질에 대한 우수한 내화학성뿐만 아니라 풍화(weathering)에 대한 우수한 저항성이 포함된다. 바람직한 플럭스는 Si, Zn 및 B를 주성분으로 하는 무 카드뮴 및 납 플럭스이다(예: 붕규산 유리 기반).
본 발명에 따른 층이 중합체 필름인 경우, 이는 예를 들어 효과 안료(들) 및 산란 입자(들)가 압출 전에 중합체 용융물에 첨가되는 중합체 물질의 용융 압출과 같은 압출 방법에 의해 제조될 수 있다.
압출에서, 열가소물을 스크류에서 점성 매스로 용융시킨 다음, 평면 필름 다이를 통해 형상을 압축한다. 가능한 형상의 다양성은 크다. 필름, 호일, 플레이트는 평면 다이를 통해 압출된다.
마스터배취(masterbatches) 또는 화합물은 일반적으로 용융된 물질을 효과 안료 및 산란 입자로 착색하는 데 사용된다. 효과 안료 및 첨가제를 사용한 플라스틱 압출에서 만족스러운 결과를 얻으려면, 혼합물 에너지(mixture energy)와 가능한한 손상되지 않는 안료 및/또는 입자 사이의 균형비가 유지되어야 한다. 혼합 섹션 또는 부적절한 스크류 또는 필터로 인한 과도한 전단력(shear)은 효과 안료를 파괴하고 진주 광택 효과를 극적으로 감소시킨다. 안료의 배향성은 균일한 효과에 있어서 매우 중요하다. 이는 상응하는 엔지니어링 및 기계 설계를 통해 공정에서 보장되어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 중합체 물질에 바람직한 양, 예를 들어 5 내지 30 중량%의 효과 안료 및 산란 입자를 포함하는 마스터배취가 중합체 필름의 압출 공정 중에 첨가된다. 이는 예를 들어 EVA 펠릿과 착색된 마스터배취 펠릿의 사전-혼합물(premix)을 생성하거나, 또는 다른 알려진 임의의 방법으로 수행될 수 있다.
용융 압출 공정 동안 효과 안료에 작용하는 전단력으로 인해 효과 안료는 봉지재 필름 표면에 실질적으로 평행하게 배향된다.
또 다른 바람직한 실시양태에서, 효과 안료(들) 및 산란 입자(들)를 함유하는 층은 동일하거나 상이한 중합체 물질의 2개 이상의 층의 공-압출된 필름이고, 이때 하나의 층, 바람직하게는 전면 시트를 향하는 층은 하나 이상의 효과 안료를 함유한다.
PV 모듈의 적층을 위한 봉지재로 사용되는 EVA는 열가소성 중합체로서, 그의 제형은 특히 태양광 적용례에 사용하도록 조정되었다. 이는 높은 전기 절연성, 투명성, 가요성 및 부드러움(softness)을 제공한다. 캡슐화제와 같은 가교-결합 제형(예컨대 봉지재의 경우)에서는, 추가로 높은 치수 안정성, 빠른 경화 및 쉬운 적층을 나타낸다. 통상적인 EVA 제형은 전형적으로 중합체 수지 외에, 가교제, 접착 촉진제, UV 흡수제, UV 안정제, 및 항산화제를 포함한다. 가교제는 적층 동안 열에 의해 분해되는 라디칼 개시제(일반적으로 과산화물)이고, 중합체 골격(backbone)에서 라디칼을 개시하는 자유 라디칼을 형성한다. 형성된 라디칼은 차례로 중합체 사슬 사이에 공유 결합을 형성한다.
본 발명에 따른 층은 또한, 예를 들어 원하는 패턴으로 2개의 서로 다른 색상을 스크린 인쇄함으로써 달성될 수 있는, 예컨대 벽돌 벽을 모방하기 위한 색상 쉐이드 또는 색상 패턴, 또는 예를 들어 2종의 상이한 색상 쉐이드를 서로 분무함에 의해 달성될 수 있는, 주택 건설에 사용되는 재료의 서로 다른 표면의 색상 쉐이드를 제공할 수 있게 한다.
c-Si 태양 전지에 대한 안료 및 층의 영향은 반사 데이터로 평가될 수 있다. 반사 데이터는 처리된 전지의 최대 흡수 전력/최대 광전류 생성을 평가하는데 사용된다. 반사율 및 투과율 측정 및 계산은 당업자에게 공지되어 있고 실험 섹션에서 추가로 설명된 바와 같은 통상적인 방법에 의해 수행된다.
효과 안료 및 광 산란 중심을 함유하는 층의 헤이즈는 실시예 1에 기재된 바와 같이 투과율로부터 결정될 수 있다.
효과 안료 및 산란 첨가제를 포함하는 층의 투과율은 500 내지 800 nm 범위, 보다 바람직하게는 450 내지 900 nm 범위, 매우 바람직하게는 400 내지 1000 nm 범위, 가장 바람직하게는 350 내지 1150 nm 범위의 광에 대해 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상, 매우 바람직하게는 75% 이상, 가장 바람직하게는 80% 이상이다.
효과 안료 및 산란 첨가제를 포함하는 층의 반사율은 450 내지 800 nm 범위, 보다 바람직하게는 400 내지 1000 nm 범위, 가장 바람직하게는 300 내지 1150 nm 범위의 광에 대해 바람직하게는 40% 미만, 보다 바람직하게는 30% 미만, 매우 바람직하게는 25% 미만, 가장 바람직하게는 20% 미만이다.
효과 안료 및 산란 첨가제를 포함하는 층의 헤이즈는 500 내지 800 nm 범위, 보다 바람직하게는 450 내지 900 nm 범위, 가장 바람직하게는 350 내지 1150 nm 범위의 광에 대해 바람직하게는 50% 이상, 보다 바람직하게는 60% 이상, 매우 바람직하게는 70% 이상, 가장 바람직하게는 80% 이상이다.
본 출원은 또한, 유기 포토다이오드, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈(유기, 무기 또는 하이브리드 유형일 수 있음)을 포함하지만 이에 국한되지 않는, 태양열 또는 광전지 장치와 같은 태양 에너지를 수집하고 전환하는 임의 유형의 장치에서의 착색 층, 특히 착색 봉지재 층으로서의 상기 및 하기에 기재된 층의 용도에 관한 것이다.
본 출원은 또한, 상기 및 하기에 기술된 본 발명에 따른 층을 포함하는, 유기 포토다이오드, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈(유기, 무기 또는 하이브리드 유형일 수 있음)을 포함하지만 이에 국한되지 않는, 태양열 또는 광전지 장치와 같은 태양 에너지를 수집하고 전환하는 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 바람직한 태양 전지 또는 태양 전지 모듈은 하기 컴포넌트
1) 바람직하게는 유리 또는 플라스틱 필름으로 된 투명한 전면 시트, 예컨대 폴리카보네이트, 플렉시글래스, TPT(Tedlar®-Polyester-Tedlar®, 여기서 Tedlar®는 DuPont에서 시판되는 PVF(폴리비닐플루오라이드) 필름임),
2) 임의적으로, 태양 전지의 전면 측에 있는 하나 이상의 추가 투명 층(이는 바람직하게는 전면 유리 시트 상에 제공되는 중합체 필름 또는 세라믹 층으로부터 선택되고 봉지화(encapsulation) 필름 또는 전면 시트의 역할도 할 수 있음),
3) 태양 전지, 또는 전기적으로 상호 연결된 태양 전지의 스트링 또는 어레이,
4) 임의적으로, 바람직하게는 중합체 필름으로부터 선택되는, 태양 전지의 후면 측에 있는 하나 이상의 추가 층,
5) 바람직하게는 유리 또는 플라스틱 필름으로 된 후면 시트, 예를 들어 폴리카보네이트, 플렉시글라스, TPT(Tedlar®-Polyester-Tedlar®, 여기서 Tedlar®는 DuPont에서 시판되는 PVF(폴리비닐플루오라이드) 필름임)
를 포함하고, 이때
컴포넌트 1)의 전면 시트는 상기 및 하기 기재된 하나 이상의 효과 안료 및 하나 이상의 광 산란 중심을 포함하거나, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈은, 상기 및 하기 기재된 하나 이상의 효과 안료 및 하나 이상의 광 산란 중심을 포함하는, 컴포넌트 2)로서의 추가 전면 측 투명 층을 포함한다.
컴포넌트는 다음 순서로 스택킹된다: 1) 전면 시트, 2) 전면 측의 임의적 추가 투명 층(들), 3) 태양 전지(들), 4) 후면 측의 임의적 추가 층(들), 5) 후면 시트.
도 1은, 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 태양 전지 모듈을 예시적이고 개략적으로 도시한다.
도 2는, 다양한 크기 및 유형의 산란 입자를 갖는 본 발명에 따른 필름 a) 내지 e)(Ta-e, Ha-e), 및 추가 산란 입자가 없는 기준 필름(Tref, Href)에 대한 상응하는 투과율 값(그래프 Ta 등) 및 상응하는 헤이즈 값(그래프 Ha 등)을 도시한다.
도 3은, 서로 다른 농도에서 산란 입자 E+520을 갖는 본 발명에 따른 필름 d), f) 및 g)(Td, Tf, Tg, Hd, Hf, Hg) 및 추가 산란 입자가 없는 기준 필름(Tref, Href)에 대한 상응하는 투과율 값(그래프 Td 등)뿐만 아니라 상응하는 헤이즈 값(그래프 Hd 등)을 도시한다.
도 4는, 전면 유리가 있는 적층된 태양 전지의 배경에 대해 산란 입자(A)가 없고 산란 입자 BMH-40이 1%(B) 또는 2%(C) 있는 생성된 필름의 광학 이미지를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 층 1 및 2(T1-2, H1-2)를 갖는 유리판과 기준 층 Ref1(Tref1, Href1)을 갖는 유리판에 대한 상응하는 투과율 및 헤이즈 값을 도시한다.
도 6은 코팅된 샘플의 투과율 값을 보여준다.
도 7은, 도 6의 투과율 곡선을 적분하여 수득된 코팅된 샘플의 광 손실률을 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 태양 전지 모듈은 도 1에 예시적이고 개략적으로 도시되어 있으며, 바람직하게는 유리 시트인 투명 전면 시트(11), 효과 안료(들) 및 광 산란 중심(들)을 함유하는 본 발명에 따른 투명 층(12)을 포함한다. 화살표는 입사광의 방향을 나타낸다.
바람직한 실시양태에서, 하나 이상의 추가 봉지재 필름(도 1에는 도시되지 않음)이 안료 함유 층(12)과 태양 전지(13) 사이 및/또는 태양 전지(13)와 후면 시트(14) 사이에 제공된다. 추가 봉지재 필름(들)은 효과 안료 또는 광 산란 중심을 포함하지 않는다.
또 다른 바람직한 실시양태(도 1에는 도시되지 않음)에서, 태양 전지 모듈은 전면 시트(11)를 포함하지 않고, 효과 안료 및 광 산란 중심을 포함하는 투명 층(12)이 전면 시트 역할을 한다.
또 다른 바람직한 실시양태(도 1에는 도시되지 않음)에서, 효과 안료 및 광 산란 중심을 함유하는 층(12)은 봉지재 필름의 역할을 한다.
다른 바람직한 실시양태(도 1에는 도시되지 않음)에서, 보호 호일 또는 외부 호일은 마무리된 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 상부에 적용된다.
전면 시트(11), 층 필름(12) 및 임의적인 추가 전면 봉지재 필름과 같이 태양 전지 모듈의 전면 측에 위치한 컴포넌트는 태양 전지 또는 태양 전지 어레이(13)를 통과하는 입사광에 대해 실질적으로 투명하다.
전면 시트(11) 및 후면 시트(14)는 유리 시트로부터 선택되는 것이 바람직하다. 다른 바람직한 실시양태에서, 전면 시트(11) 및/또는 후면 시트(14), 더 바람직하게는 후면 시트(14)는 중합체 시트, 바람직하게는 TPT 또는 폴리카보네이트 시트이다.
전면 측 및 후면 측의 중합체 필름은 바람직하게는, 폴리올레핀, 예를 들어 폴리에틸렌 중합체 또는 공중합체, 예를 들어 폴리에틸렌, EVA(에틸렌 비닐아세테이트), EBA(에틸렌 부틸아크릴레이트), EMA(에틸렌 메틸아크릴레이트), EEA(에틸렌 에틸아크릴레이트), POE(폴리올레핀 엘라스토머), BPO, 추가로 폴리에스테르, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리비닐부티랄 PVB, 폴리카보네이트, 폴리염화비닐, 폴리비닐 아세테이트, 폴리아크릴레이트, 폴리올, 폴리이소시아네이트 또는 폴리아민뿐만 아니라 전술된 것들의 공중합체, 수지, 블렌드 또는 다층체, 예컨대 폴리카보네이트-함유 우레탄 수지, 염화비닐-비닐 아세테이트 함유 우레탄 수지, 아크릴 수지, 폴리우레탄 아크릴레이트 수지, 폴리에스테르 수지, 또는 TPU(열가소성 폴리우레탄)를 포함하지만 이에 제한되지 않는 유기 중합체로부터 선택된다.
전면 투명 층이 중합체 필름인 경우, 이는 바람직하게는 폴리올레핀 중합체 또는 공중합체 필름, 매우 바람직하게는 폴리에틸렌 중합체 또는 공중합체 필름, 특히 EVA, EBA, EMA, EEA, POE, BPO, PVB 또는 TPU 필름, 가장 바람직하게는 폴리에틸렌 공중합체 또는 EVA 필름에서 선택된다.
후면 시트로서 또는 후면 시트에 사용하기 위한 추가의 바람직한 중합체는 이중 플루오로중합체, 단일 플루오로중합체 및 비-플루오로중합체로 분류될 수 있고 각 범주 내에서 다양한 구조를 이룰 수 있다. 이중 플루오로중합체 후면 시트는 일반적으로 주로 테들러® 폴리비닐 플루오라이드(PVF) 필름, 또는 키나(Kynar)® 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 필름으로 된 외부 층 및 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)로 된 코어 층으로 이루어진다. 단일 플루오로중합체 후면 시트는 전형적으로 공기 측의 테들러® 또는 키나®, 내부 측의 PET 및 프라이머 또는 EVA 층으로 이루어진다. 비-플루오로중합체 후면 시트는 일반적으로 두 개의 PET 및 한 개의 프라이머(primer) 또는 EVA 층으로 이루어진다.
도 1에 예시적으로 도시된 바와 같은 태양 전지 어레이(13)는 또한 단일 태양 전지로 대체될 수 있다.
태양 전지(13)는 비정질, 단결정질 및 다결정질 실리콘 태양 전지, CIGS, CdTe, Ⅲ/V 태양 전지, Ⅱ/Ⅵ 태양 전지, 페로브스카이트 태양 전지, 유기 태양 전지, 양자점 태양 전지 및 염료 감응형 태양 전지뿐만 아니라 단일 전지들로 구성된 태양 전지 모듈을 포함하는 태양 전지 장비들의 임의의 종류로부터 선택될 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 구조물을 포함한다.
후면 시트(14)는 바람직하게는 흑색 또는 암색이고/이거나, 예를 들어 후면 봉지재 필름 또는 추가 봉지재 필름과 같은 흑색 또는 암색의 시트가 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 후면 측, 즉, 태양 전지(13)와 후면 시트(14) 사이에 제공되며, 이때 상기 암색은 바람직하게는 태양 전지의 색과 동일한 어두운 청색이다.
태양 전지에서 전도성 부품은 바람직하게는
i) 메인 수직 커넥터로 이루어진 H-그리드 - 소위 버스 바,
ⅱ) 수평 집전(current gathering) 부품 - 소위 핑거(finger),
ⅲ) 전지 사이의 커넥터 및 납땜(solder)
을 포함하지만 이에 제한되지 않는 금속 기반 전도성 부품을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 태양 전지(13)의 완전히 균질한 외관을 달성하기 위해, 상술한 부품 i) 내지 ⅲ)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 금속 기반 전도성 부분은 바람직하게는, 효과 안료 및 광 산란 중심을 갖는 층(12)의 적용 전에 흑색 또는 어두운 태양광 청색과 같은 암색으로 착색된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시양태에서, 암색, 바람직하게는 흑색 또는 어두운 청색의 그리드가 태양 전지의 하나 이상의 층에 통합되며, 상기 그리드는 단일 태양 전지와 버스 바, 전도 경로 및 납땜 지점을 포함하는 전도성 부품의 사이 공간과 같은 밝은 영역을 덮는다. 본 발명의 또 다른 바람직한 실시양태에서는, 단일 태양 전지들 사이의 공간을 감추기 위해, 흑색 또는 어두운 청색 배면 층이 태양 전지 뒷부분에 적용된다. 흑색 또는 어두운 청색 배면 층은 인쇄되거나 호일로서 적용될 수 있다.
H-그리드 전면 패턴을 가진 태양 전지(24)의 그 밖의 백색으로 보이는 금속 부분을 어둡게 하는(darkening) 적합하고 바람직한 방법은 금속 스트립(strip)을 흑색 중합체 호일로 덮거나 또는 상기 금속 부분을 흑색 페인트로 브러싱(brushing)하는 것을 포함한다. 인쇄된 은(silver) H-그리드의 경우, 상기 은은 황화은의 얇은 층의 형성(예를 들어, H2S 처리) 또는 구리의 도금 및 산화에 의해 직접 흑화될 수 있다. 도금된 금속 그리드의 경우, 금속 스택의 상부는 강한 흡수성 금속 산화물 또는 황화물, 예컨대 CuO 또는 Ag2S 또는 유사한 암색의 금속 산화물 등으로 직접 도금될 수 있다. (스마트 와이어 기술과 같은) 새로운 금속화 방식을 사용하는 경우, 흑화된 와이어 또는 반사율을 감소시켜 금속 그리드의 어두운 외관을 만드는 미세 구조를 가진 와이어도 본 발명에 따라 사용될 수 있다. 흑색 또는 어두운 태양광 청색 후면 시트를 모듈 배경으로 사용하는 경우, 심지어 가까운 거리에서도 전체 모듈의 매우 균일한 외관이 달성될 수 있다.
전면, 후면 및 추가의 봉지재 필름은 바람직하게는 TPU 또는 폴리올레핀, 비제한적으로 예를 들어 EVA, EBA, EMA, EEA, POE 또는 BPO, 가장 바람직하게는 EVA를 함유하고, 매우 바람직하게는 이로 이루어진다.
효과 안료(들) 및 광 산란 중심을 함유하는 층(12)은 방사선-수용 측면에, 즉, 본 발명에 따른 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 가시부(visible part) 내에 위치된다. 이는, 도 1에 도시된 바와 같이 전면 시트(11)의 내부, 즉, 태양 전지 또는 태양 전지의 어레이와 마주하는 측면의 태양 전지 모듈에 위치하거나, 대안적으로 전면 시트(11)의 외부, 즉, 입사광을 마주하는 측면에 위치될 수 있다.
본 발명에 따른 유색 세라믹 층이 커버 유리의 외부(기후에 마주하는) 표면에 사용되는 경우, 바람직하게는 투명한 보호 층이 추가된다. 이 보호 층은 예를 들어 산화물의 CVD 층 또는 예를 들어 폴리실라잔의 습식 코팅 필름을 기반으로 할 수 있다.
효과 안료 및 광 산란 중심을 갖는 층(12)은 임의의 표면에 국소적으로 유연하게 적용될 수 있다. 따라서, 이는, 완성된 태양 전지 또는 태양 전지 모듈의 외부 상에, 태양 전지 또는 태양 전지 모듈을 덮고 있는 보호 기재(유리 또는 플라스틱) 상에, 또는 직접 광활성 물질/태양 전지 상에 적용될 수 있다.
유리하게는, 효과 안료 및 광 산란 중심을 갖는 층(12)은 또한 반사-방지 필름으로서 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 태양 전지 모듈 또는 태양 전지 모듈은 당업자에게 공지되고 문헌에 기술된 공정에 의해 제조될 수 있다.
효과 안료 및 광 산란 중심을 갖는 층이 유리, 세라믹 또는 에나멜 층인 경우, 이는 바람직하게는 전술된 바와 같이 유리 기재 상에 제조되고, 효과 안료 및 광 산란 중심을 갖는 층으로 덮힌 유리 기재는 이어서 전술 및 후술되는 바와 같이, 원하는 순서로 스택킹되는 태양 전지 모듈의 다른 개별 컴포넌트 또는 층 상에 제공된다. 유리 기재 상에 효과 안료와 광 산란 중심이 있는 세라믹 층 또는 에나멜 층은 태양 전지에 통합되거나 외부 층을 형성할 수 있다. 외부 층을 형성하는 경우에는, 보호 층으로 보호하는 것이 바람직하다. 보호 층은 유색 에나멜 층이나 세라믹 층의 상부에 적용될 수 있다.
효과 안료 및 광 산란 중심을 갖는 층이 중합체 필름인 경우, 바람직하게는 상기 중합체 필름 및 상기 및 하기에 기술된 태양 전지 모듈의 다른 개별 컴포넌트 또는 층은 원하는 순서로 스택킹된 후 예를 들어 열 및/또는 압력을 가하거나 접착제 또는 결합제를 사용하여 스택킹된다.
대안적으로, 태양 전지 모듈 또는 태양 전지 모듈을 제조하는 적층 공정은, 효과 안료 및 광 산란 중심을 함유하는 층이 제1 적층(또는 예비-적층) 단계에서 전면 시트에 적층되고, 이어서 전면 시트와, 효과 안료 및 광 산란 중심을 함유하는 적층된 층이 제2 적층 단계에서 나머지 컴포넌트의 스택에 적층되도록 두 단계로 수행될 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈을 제조하는 바람직한 방법은 다음 단계를 포함한다:
a) 바람직하게는 열 및/또는 압력을 적용하거나, 또는 접착제 또는 결합제 또는 결합층을 사용하여, 바람직하게는 진공 프레스에서, 하나 이상의 효과 안료 및 하나 이상의 광 산란 센터를 함유하는 층, 바람직하게는 중합체 필름을 전면 시트에 적층하는 단계,
b) 임의적으로, 효과 안료 및 광 산란 중심을 함유하는 적층된 층을 갖는 전면 시트를, 바람직하게는 실온으로 냉각시키는 단계,
c) 하기 층
C1) 임의적으로 하나 이상의 전면 봉지재 필름,
C2) 하나 이상의 태양 전지, 또는 전도성 부품, 바람직하게는 버스 바에 의해, 전기적으로 상호 연결된 태양 전지의 어레이,
C3) 임의적으로 하나 이상의 후면 봉지재 필름,
C4) 후면 시트
를 포함하는 스택을 상기 효과 안료 및 광 산란 중심를 함유하는 적층된 층을 갖는 전면 시트의 상부에 제공하거나, 또는 상기 효과 안료 및 광 산란 중심을 함유하는 적층된 층이 있는 전면 시트를 층 C1 내지 C4의 스택의 상부에 제공하는 단계, 및
d) 바람직하게는 열 및/또는 압력을 가하거나, 또는 접착제 또는 결합제를 사용하여, 바람직하게는 진공 프레스에서, 상기 효과 안료 및 광 산란 중심을 함유하는 적층된 층을 갖는 전면 시트에 상기 층 C1 내지 C4의 스택을 적층하는 단계.
적층 단계, 예컨대 상기 단계 a) 및 d)는, 표준 방법을 사용하여, 예를 들어 2개의 층에 열 및 압력을 적용하여, 예를 들어 진공 및/또는 임의의 다른 형태의 물리적 압력을 특정 시간 간격 동안 적용하여, 예를 들어 적층 기계 내에서 수행될 수 있다.
대안적으로 및/또는 추가적으로, 적층은 하나 이상의 접착제 및/또는 결합제 또는 결합층을 사용하여 달성되거나 지지될 수 있다. 접착제/결합제는 반응성 또는 비-반응성일 수 있으며, 천연 또는 합성 기원(origin)을 포함하거나 이로 이루어질 수 있다. 적합하고 바람직한 예는 바람직한 적용례에 따라 폴리우레탄(PUR), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 고무, 아크릴 및 실리콘 접착제가 포함되지만 이에 제한되지 않는다.
제1 또는 예비-적층 단계 a) 후에, 적층을 위해 열이 가해지는 경우, 효과 안료 및 광 산란 중심을 함유하는 적층된 층을 갖는 전면 시트는 바람직하게는 단계 b)에서 냉각되고, 매우 바람직하게는 실온으로 냉각된다. 효과 안료 및 광 산란 중심을 함유하는 층은 이제 유리에 영구적으로 고정되고 손으로 떼어낼 수 없다. 상기 안료는 표면에 균등하게 분포되어 있다.
다음 단계 c)에서, 임의적 전면 봉지재, 태양 전지, 임의적 후면 봉지재, 및 후면 시트의 나머지 스택이 전면 유리, 및 효과 안료 및 광 산란 중심을 갖는 층의 예비-적층된 이중층의 상부에 배치되거나, 대안적으로 예비-적층된 이중층이 나머지 스택 상부에 배치된다. 바람직하게는, 예비-적층된 이중층은 효과 안료 및 광 산란 중심을 갖는 층이 태양 전지를 향하도록 배치된다.
그 후, 스택의 최종 적층이 바람직하게는 예비-적층 단계의 조건과 유사한 조건 하에 단계 d)에서 수행된다.
적층 단계, 예컨대 상기 단계 a) 및 d)에서, 적절한 적용된 열 및 압력 및 시간 간격은 사용되는 시트 및 필름의 유형에 따라 다르고, 당업자에 의해 용이하게 선택될 수 있다. 전면 유리 시트 및 EVA 중합체 필름을 사용하는 경우, 가열 온도는 바람직하게는 130℃ 내지 160℃, 매우 바람직하게는 약 135℃이고, 시간 간격은 20 내지 30분이 바람직하다. 바람직하게는, 진공 프레스가 사용된다. 바람직하게는, 400 내지 900 mbar의 압력이 적용된다.
최종 적층 단계 d) 후에, 적층된 스택은 바람직하게는 실온으로 다시 냉각된다. 봉지재 필름 및 후면 시트(플라스틱 후면 시트가 사용되는 경우)의 과잉의 재료를 제거하고, 태양 전지 모듈의 전기적 연결을 위해 정션(junction) 박스가 부착될 수 있다. 최종적으로, 적층체(laminate)가 프레임화될 수 있다.
적층 단계(들) 후, 필름 두께는 적층 조건에 따라 통상적으로 감소될 것이다.
바람직하게는 생성된 적층체는 완전히 밀봉되고, 이상적인 경우에, 적어도 25년 동안 태양 전지를 보호할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 태양 전지 및 태양 전지 모듈은 -5% 미만, 보다 바람직하게는 -2% 미만, 매우 바람직하게는 0.1% 미만의 하기 식의 전력 변화율(power change) ΔP를 나타낸다:
상기 식에서,
Pi는 상기 및 하기에 기술된 효과 안료 및 산란 중심을 포함하는 층을 갖는 본 발명에 따른 태양 전지 또는 태양 전지 모듈 SCi의 전력이고, Pref는 효과 안료가 있는 층에 광 산란 중심이 포함되어 있지 않다는 점을 제외하면 SCi와 동일한 컴포넌트를 갖는 기준 태양 전지 또는 태양 전지 모듈 SCref의 전력이다. 따라서, AP의 음수 값은 전력 손실을 나타내고, AP의 양수 값은 기준 대비 전력 이득을 나타낸다.
다음 실시예는 본 발명을 제한하지 않고 설명하기 위한 것이다.
실시예 1 - 효과 안료 및 산란 입자를 갖는 중합체 필름
필름 제조
0.15%의 효과 안료 Iriodin® 7235 Ultra Rutile Green Pearl을 함유(1g/m2의 효과 안료 농도를 생성함)하고, 각 경우에 하기 열거된 하나의 유형의 광 산란 입자을 추가로 함유하는 본 발명에 따른 상이한 폴리에틸렌 필름을 제조했다:
a) 중간 입자 크기 D50이 5 μm인 1% 황산바륨 BMH-40 입자,
b) 중간 입자 크기 D50이 0.5 μm인 1% 황산바륨 B-1 입자,
c) 중간 입자 크기 D50이 0.8 μm인 1% 구형 실리콘 수지 분말 E+508,
d) 중간 입자 크기 D50이 2 μm인 1% 구형 실리콘 수지 분말 E+520,
e) 중간 입자 크기 D50이 4 μm인 1% 구형 실리콘 수지 분말 E+540,
f) 중간 입자 크기 D50이 2 μm인 0.5% 구형 실리콘 수지 분말 E+520,
g) 중간 입자 크기 D50이 2 μm인 2% 구형 실리콘 수지 분말 E+520,
h) 중간 입자 크기 D50이 4 μm인 0.5% 구형 실리콘 수지 분말 E+540,
i) 중간 입자 크기 D50이 2 μm인 2% 구형 실리콘 수지 분말 E+540,
j) 중간 입자 크기 30 μm인 1% 유리 버블 S60.
첨가된 모든 입자는, 광 산란을 하면서 광학적으로 투명하다.
비교 목적을 위해, 효과 안료 Iriodin® 7235 Ultra Rutile Green Pearl 0.15%를 함유하지만 어떠한 산란 입자도 첨가하지 않고 전술된 바와 같이 기준 필름을 제조했다.
봉지재 필름은 일반적으로 캐스트 필름의 압출을 통해 제조되지만, 본 실시예에서는 실제적인 이유로 크기 10 x 15 cm 및 두께 700 μm의 필름 샘플을 하기와 같이 안료와 입자를 함유하는 폴리에틸렌 수지의 사출 성형을 통해 제조했다:
Kraus-Maffei CX-130-380 유형의 사출 성형기가 사용되었다. 금형을 닫은 후 투명한 플라스틱 용융물(Evatane® 28-25PV, Arkema 제품)을 사출 금형에 주입했다. 주입 작업은 180 내지 200℃ 범위의 온도와 450 내지 900bar(4.5x107 N/m2 내지 9x107 N/m2) 범위의 압력에서 수행되었다. 플라스틱 용융물을 착색하거나 산란 입자를 첨가하기 위해 필요한 농도에 상응하게 마스터배치를 사용했다. 중합체 필름은 필요한 경우 후-단계에서 엠보싱 처리될 수 있다. 엠보싱 구조는 일반적으로 태양광 모듈의 적층 단계 동안 공기의 제거를 지원한다.
투과율 및 헤이즈 측정
본 발명에 따른 필름 및 기준 필름의 투과율은 Ulbrich 구체가 장착된 Cary UV/Vis 분광계(ASTM DI 003 이후)에서 측정되었다. 본 발명에 따른 필름과 기준 필름의 헤이즈는 하기 식을 통해 투과율 측정으로부터 계산되었다.
헤이즈(%) = ((T4/T2)-(T3/T1))·100
상기 식에서,
T1은, 샘플 홀더에 샘플이 없고 측정 위치에 반사 표준이 있는 유입(incoming) 광에 대한 기준을 나타내고,
T2는, 샘플 홀더에 샘플을 두고 측정 위치에 반사 표준이 있는 검사 샘플을 투과한 빛이고(샘플을 직접 투과한 빛만 측정),
T3은, 홀더에 샘플이 없고 측정 스팟에 반사 표준이 없는 분광기 자체로부터의 기준 산란광을 측정한 것이고,
T4는, 샘플 홀더에 샘플이 있고 측정 스팟에 반사 표준이 없는 분광기 및 샘플로부터의 산란광을 측정한 것이다(샘플을 직접 투과한 모든 빛을 측정).
도 2는, 상기에서 열거한 바와 같은 다양한 크기 및 유형의 산란 입자를 갖는 본 발명에 따른 필름 a) 내지 e)(Ta-e, Ha-e), 및 추가 산란 입자가 없는 기준 필름(Tref, Href)에 대한 상응하는 투과율 값(그래프 Ta 등) 및 상응하는 헤이즈 값(그래프 Ha 등)을 도시한다.
도 2에서, 산란 입자가 있는 필름은 기준 필름에 비해 특히 가시 범위에서 양호한 헤이즈를 나타내는 것을 볼 수 있다. 또한 산란 입자 크기가 증가함에 따라 헤이즈가 증가하는 반면, 필름 투과율에 대한 산란 입자의 영향은 거의 없음을 볼 수 있다.
도 3은 서로 다른 농도에서 산란 입자 E+520을 갖는 본 발명에 따른 필름 d), f) 및 g)(Td, Tf, Tg, Hd, Hf, Hg) 및 추가 산란 입자가 없는 기준 필름(Tref, Href)에 대한 상응하는 투과율 값(그래프 Td 등)뿐만 아니라 상응하는 헤이즈 값(그래프 Hd 등)을 도시한다.
도 3에서, 산란 입자가 있는 필름은 기준 필름에 비해 특히 가시 범위에서 양호한 헤이즈를 나타내는 것을 볼 수 있다. 또한, 산란 입자 농도가 증가함에 따라 헤이즈가 증가하는 반면, 필름 투과율에 대한 산란 입자의 영향은 단지 거의 없음을 알 수 있다.
태양 전지 봉지재로서의 중합체 필름의 용도
서로 다른 크기의 구형 실리콘 수지 분말 E+508, E-520 및 E-540 1%를 각각 포함하는 본 발명에 따른 필름 c), d) 및 e)와 기준 필름을 각각 태양광 플래셔 상에 태양 전지 위에 봉지재로서 제공하고, Wavelab Sinus 7 태양광 시뮬레이터를 사용하여 태양 전지 효율에 미치는 영향을 측정했다.
태양광 PV 모듈의 출력 성능 적합성(output performance conformity)을 측정하기 위해 플래시 테스트기(태양광 플래셔 또는 태양광 시뮬레이터)가 사용되었다. 플래시 테스트 중에, PV 모듈은 제논 충전 아크 램프에서 나오는 짧고(1 ms 내지 30 ms) 밝은(100 mW/cm2) 광의 플래시에 노출된다. 이 램프의 출력 스펙트럼은 가능한 한 태양의 스펙트럼에 가깝도록 선택된다. 출력은 컴퓨터와 전압계로 수집되며 데이터는 기준 태양광 모듈과 비교할 수 있다.
결과를 하기 표 1에 나타내었다.
태양 전지의 효율
필름 샘플 전압/V 전류/mA 전력/mW Δ 전력 vs. 기준/%
기준 0.6132 50.94 31.23 n.a.
c) 1% E+508 0.6113 49.75 30.41 -2.63
d) 1% E+520 0.6114 50.87 31.10 -0.43
e) 1% E+540 0.6121 50.82 31.10 -0.41
표 2에서, 입자 크기가 0.8 μm인 더 작은 입자는 작은 영향을 미치고, 입자 크기가 2 또는 4 μm인 더 큰 입자 d) 및 e)는, 태양광 효율에 매우 작은 영향을 미친다는 것을 알 수 있다. 동시에, 도 2는 이러한 입자가 헤이즈가 증가하고 투과율이 약간만 감소하는 필름을 생성한다는 것을 보여준다.
산란 입자 농도의 영향 효과를 조사하기 위해, 본 발명에 따른 필름 d)-i) 및 기준 필름을 각각 태양광 플래셔 상에 태양 전지 위에 봉지재로서 제공하고, 전술된 바와 같이 Wavelab Sinus 7 태양광 시뮬레이터를 사용하여 태양 전지 효율에 미치는 영향을 측정했다.
그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
태양 전지의 효율
필름 샘플 전압/V 전류/mA 전력/mW Δ 전력 vs. 기준/%
기준 0.6132 50.94 31.23 n.a.
f) 0.5% E+520 0.6127 51.15 31.34 +0.33
d) 1.0% E+520 0.6114 50.87 31.10 -0.43
g) 2.0% E+520 0.6116 50.35 30.79 -1.42
h) 0.5% E+540 0.6125 51.02 31.25 +0.04
e) 1.0% E+540 0.6121 50.82 31.11 -0.41
i) 2.0% E+540 0.6113 50.51 30.88 -1.15
표 2에서, 모든 경우에 입자는 태양광 효율에 거의 영향을 미치지 않으며, 입자 농도가 증가할수록 그 효과는 더욱 뚜렷해짐을 알 수 있다. 놀랍게도, 작은 입자 농도의 경우, 태양 전지 효율이 기준에 비해 심지어 증가한다는 것도 볼 수 있다. 이는, 증가된 광전류에서 볼 수 있는 태양 전지에 의한 산란된 광자의 더 나은 흡수에 기인할 수 있다.
전반적으로, 한편으로는 필름의 투과율 및 헤이즈 값에 대한 위의 결과와 다른 한편으로는 봉지재로서 필름을 포함하는 태양 전지의 효율 데이터는, 안료-함유 필름에 산란 입자를 첨가하면, 투과율이 약간만 감소하여 원하는 헤이즈를 얻을 수 있는 반면, 태양 전지 효율은 크게 영향을 받지 않거나 심지어 약간 향상됨을 입증한다.
실시예 2 - 효과 안료 및 산란 입자를 갖는 중합체 필름
필름 제조
산란 첨가제가 태양 전지 구조체의 광학적 외관 및 효율에 미치는 영향을 조사하기 위해, 0.15%(또는 1g/m2)의 효과 안료 Iriodin® 7235 Ultra Rutile Green Pearl, 및 황산바륨 입자 BMH-40(D50: 5 μm) 또는 황산바륨 입자 B-1(D50: 0.55 μm) 또는 유리 버블 S60(D50: 30 μm)에서 선택된 산란 첨가제를 1% 또는 2% 농도로 함유하는, 700 μm 두께의 압출된 EVA 필름이 적층된 3 mm 두께의 유리 패널 2개로 구성된 유리 샘플을 제조했다.
비교 목적을 위해, 임의의 추가 산란 입자 없이 Iriodin® 7235 Ultra Rutile Green Pearl 안료 0.15%를 갖는 전술된 바와 같이 기준 필름을 제조했다.
투과율 및 헤이즈
도 4는, 전면 유리가 있는 적층된 태양 전지의 배경에 대해 산란 입자(A)가 없고 산란 입자 BMH-40이 1%(B) 또는 2%(C) 있는 생성된 필름의 광학 이미지를 도시한다. 산란 입자가 있는 필름은, 배경이 덜 가시적이거나(B) 또는 사실상 비가시적으로(C) 만드는 헤이즈를 나타냄을 알 수 있다.
태양 전지 봉지재로서의 중합체 필름의 용도
효율성에 대한 영향을 조사하기 위해, 상업적으로 이용 가능한 페로브스카이트 단일 태양 전지에 설치된 플래시 테스트기를 사용하여 필름을 테스트했다. 광원으로서, 350 nm 내지 1100 nm의 스펙트럼 범위를 제공하는 제어된 LED 세트가 사용되었으며, 전력 출력은 Wavelab Sinus 7 태양광 시뮬레이터 및 전압계를 사용하여 측정되었다.
그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
태양 전지의 효율
필름 샘플 전압/V 전류/mA 전력/mW Δ 전력 vs. 기준/%
기준 0.6132 50.94 31.23 n.a.
a) 1% BMH-40 0.6102 50.54 30.84 -1.20
b) 1% BMH-1 0.6092 49.98 30.45 -2.50
j) 1% S60 0.6118 50.98 31.19 -0.13
표 3에서, 입자를 첨가하면 전지 효율에 약간의 부정적인 영향만 미치는 것을 알 수 있다.
전반적으로, 결과는, 안료 함유 필름에 산란 입자를 첨가하면 원하는 헤이즈를 제공하는 반면, 태양 전지 효율은 크게 영향을 받지 않거나 심지어 약간 향상된다는 것을 입증한다.
실시예 3 - 효과 안료 및 산란 입자를 갖는 에나멜 층
층 제조
48 매시 스크린이 있는 핸드 스크린프린터를 사용하여 유리판 상에 에나멜 층을 인쇄하여 필름 두께가 36 μm가 되도록 했다. 사용된 에나멜은 세라믹 산업의 표준 에나멜이며, 착색 안료로서 Iriodin® 7235 Ultra Rutile Green Pearl 또는 Iriodin® 7225 Ultra Rutile Blue Pearl을 2% 함유하여 건조된 필림 중 약 1.4g/m2의 안료 농도를 제공했다. 또한, 다양한 입자 크기의 실리카 가루를 첨가하고, 헤이즈와 투과율을 측정했다. 사용된 입자는 페이스트 중 0.5% 또는 건조된 필름 중 0.4 g/m2의 농도이며 평균 직경 D50이 4 μm(M500)인 석영 분말이거나, 페이스트 중 0.5% 또는 건조된 필름 중 0.4 g/m2의 농도이며 평균 직경 D50이 1.8 μm(M800)인 석영 분말이었다. 그 후, 필름을 고속 소성로에서 유리 온도 620℃로 소성하여 에나멜을 용융시켜 안료와 실리카 가루를 함유하는 투명한 유리 층을 남겼다.
비교 목적을 위해, 동일한 안료 농도를 사용하되 임의의 추가 산란 입자 없이 전술된 바와 같이 기준 에나멜 층을 제조했다.
개별 층 중 안료 및 입자 농도는 하기 표 4에 나열되어 있다.
안료 및 입자 농도
샘플 번호 안료 안료 농도 산란 입자 산란 입자 농도
기준 1 Iriodin® 7235 2% - -
1 Iriodin® 7235 2% M500 0.5%
2 Iriodin® 7235 2% M800 0.5%
기준 2 Iriodin® 7225 2% - -
3 Iriodin® 7225 2% M500 0.5%
4 Iriodin® 7225 2% M800 0.5%
투과율 및 헤이즈 측정
본 발명에 따른 효과 안료 및 실리카 가루를 함유하는 에나멜 층 1-4를 갖는 유리판, 및 효과 안료만을 함유하는 기준 에나멜 층 Ref1 및 Ref2를 갖는 유리판의 투과율 및 헤이즈를 실시예 1에 기술된 바와 같이 측정 및 계산하였다.
도 5는 본 발명에 따른 층 1 및 2(T1-2, H1-2)를 갖는 유리판과 기준 층 Ref1(Tref1, Href1)을 갖는 유리판에 대한 상응하는 투과율 및 헤이즈 값을 도시한다.
도 5에서, 산란 입자는 기준 층에 비해 에나멜 층의 투과율을 변경하지 않지만 헤이즈를 증가시키는 것을 알 수 있다.
태양 전지 봉지재로서의 에나멜 층의 용도
본 발명에 따른 에나멜 층 1-4 및 기준 층 1 및 2를 갖는 유리판을 태양광 플래셔 상의 태양 전지 위에 놓고, 태양 전지 효율에 대한 에나멜 층의 영향을 실시예 1에 기재된 바와 같이 측정하였다.
그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.
태양 전지의 효율
샘플 번호 전압/V 전류/mA 전력/mW Δ 전력 vs. 기준/%
기준 1 0.6078 49.52 30.1 n.a.
1 0.6121 50.28 30.78 +2.2
2 0.6134 50.34 30.88 +2.5
기준 2 0.6079 49.71 30.22 n.a.
3 0.6126 50.39 30.87 +2.1
4 0.6128 50.49 30.94 +2.3
표 5에서, 모든 경우에 산란 입자를 첨가하면 전력 출력이 부정적인 영향을 받지 않고 대신 증가한다는 것을 알 수 있다. 이는, 빛이 산란된 후 가파른 각도로 태양 전지에 닿지 않기 때문에 태양 전지에 의한 광량(light quant)의 더 나은 흡수로 이어지는 입자에 의한 광 산란에 기인할 수 있다.
전반적으로, 결과는, 산란 입자를 안료 함유 에나멜 층에 첨가하면 원하는 헤이즈를 제공하는 반면, 태양 전지 효율은 크게 영향을 받지 않고 대신 심지어 향상된다는 것을 입증한다.
실시예 4 - 효과 안료 및 산란 입자를 사용한 코팅
코팅 제조
태양광 모듈의 커버 유리에 분무 코팅 제형을 적용했다. 제형은, 용액 중 6% 농도의 효과 안료 Xirallic® T-60-23을 갖는, 용매로서의 부틸아세테이트 중 결합제로서의 폴리실라잔의 20% 용액으로 구성되었다. 사용된 산란 입자는 평균 입자 직경 D50이 5 μm인 황산바륨 입자 BMH-40이었다. 입자의 농도가 0 내지 3%에서 변화되는 다양한 제형이 제조되었다. 각 제형을 표준 분무코팅 장비를 사용하여 수동으로 적용하고, 적용 후 200℃에서 2시간 동안 건조시켰다.
코팅된 필름 두께는 모든 경우에 2g/m2의 안료 농도를 제공하도록 선택되었다.
비교를 위해, 동일한 안료 농도를 사용하되 임의의 추가 산란 입자 없이 기준 코팅을 전술된 바와 같이 제조했다.
개별 필름의 안료 및 입자 농도는 하기 표 6에 나열되어 있다.
안료 및 입자 농도
샘플 번호 안료 안료 농도 산란 입자 산란 입자 농도
기준 Xirallic® T-60-23 6% - -
1 Xirallic® T-60-23 6% BMH-40 1%
2 Xirallic® T-60-23 6% BMH-40 2%
3 Xirallic® T-60-23 6% BMH-40 3%
4 Xirallic® T-60-23 6% BMH-40 6%
5 Xirallic® T-60-23 6% BMH-40 12%
투과율 및 헤이즈 측정
건조 단계 후 코팅된 샘플의 투과율을 실시예 1에 기재된 바와 같이 Cary Photo 분광계 및 Ulbricht-구체를 사용하여 측정했다.
도 6은 코팅된 샘플의 투과율 값을 보여준다.
도 6에서, 3% 이하의 산란 입자의 농도에서, 유리 뒤에 있는 모든 구조체의 은폐력이 증가하는 반면, 전체 투과율은 감소하지 않는다는 것을 알 수 있다.
도 7은, 도 6의 투과율 곡선을 적분하여 수득된 코팅된 샘플의 광 손실률을 나타낸다.
도 7에서, 광 손실률이 3%까지의 산란 입자의 농도의 감소를 보임을 알 수 있다.
결과는, 본 발명에 따른 층이, 태양 전지 효율에 상당한 부정적인 영향 없이 또는 심지어 긍정적인 영향을 미치면서 착색된 층을 통해 원하지 않는 쉐도우(shadow) 또는 패턴의 출현을 방지하는 추가 헤이즈를 갖는 태양 전지 모듈의 효율적인 착색을 가능하게 함을 입증한다.

Claims (32)

  1. 투명 또는 반투명 재료의 하나 이상의 층 및 임의적으로 후(post) 코팅으로 코팅된 투명 또는 반투명 플레이크형 기재(flake-form substrate)로 이루어진 하나 이상의 효과 안료를 포함하고, 하나 이상의 광 산란 중심(light scattering center)을 추가로 포함하는 층, 시트 또는 필름.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 산란 중심이 입자(particle), 버블(bubble), 액적(droplet) 및 밀도 변동체(density fluctuation)로부터 선택되는, 층, 시트 또는 필름.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광 산란 중심이, 투명하거나 반투명한 유기 또는 무기 입자로부터 선택되는, 층, 시트 또는 필름.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 산란 중심이 SiO2, 바람직하게는 실리카 구체(sphere) 또는 가루(flour), 구형 실리콘(silicone) 수지 분말, BaSO4, Al2O3, BaMgAlOx 또는 Eu-도핑된 BaMgAlOx 입자 또는 유리 버블로부터 선택되는, 층, 시트 또는 필름.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 중 광 산란 중심의 농도가 0.01 내지 5 중량% 범위인 것을 특징으로 하는, 층, 시트 또는 필름.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    400 내지 1000 nm 범위의 광에 대해 70% 이상의 투과율을 갖는 것을 특징으로 하는 층, 시트 또는 필름.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    400 내지 1000 nm 범위의 광에 대해 50% 이상의 헤이즈(haze)를 갖는 것을 특징으로 하는 층, 시트 또는 필름.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 효과 안료가 진주광택(pearlescent) 안료, 간섭 안료 및 다층 안료로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 층, 시트 또는 필름.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 효과 안료가 합성 또는 천연 운모, 플레이크형 유리 기재, 플레이크형 SiO2 기재 또는 플레이크형 Al2O3 기재를 기반으로 하는 것을 특징으로 하는, 층, 시트 또는 필름.
  10. 제10항에 있어서,
    플레이크형 기재가 Ti, Sn, Si, Al, Zr, Fe, Cr 및 Zn의 금속 산화물 및/또는 금속 산화물 수화물의 하나 이상의 층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는, 층, 시트 또는 필름.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    2종 이상의 상이한 효과 안료를 포함하는 것을 특징으로 하는 층, 시트 또는 필름.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 층 중 효과 안료의 양이 0.01 내지 15 중량% 범위인 것을 특징으로 하는, 층, 시트 또는 필름.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 효과 안료 및 상기 광 산란 첨가제를 함유하는 층의 두께가 5 내지 1000 μm 범위인 것을 특징으로 하는, 층, 시트 또는 필름.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    중합체 기반, 졸-겔 기반, 폴리실라잔 기반, 유리 기반 또는 세라믹 기반 층인 층, 시트 또는 필름.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    중합체 필름인 층, 시트 또는 필름.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    폴리올레핀, 매우 바람직하게는 폴리에틸렌 또는 이의 공중합체로부터 선택되는 중합체 시트/필름인 층, 시트 또는 필름.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    EVA, EBA, EMA, EEA, POE, PC 및 BPO 필름으로부터 선택되는 중합체 시트/필름, 또는 PVB 또는 TPU 시트/필름인 층, 시트 또는 필름.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    유리, 세라믹 또는 에나멜 층인 층, 시트 또는 필름.
  19. 중합체 물질의 용융 압출에 의해 제1항 내지 제18항 중 어느 하나에 따른 층, 시트 또는 필름을 제조하는 방법으로서,
    압출 전에 중합체 용융물에 하나 이상의 효과 안료 및 하나 이상의 산란 첨가제가 첨가되는, 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 하나 이상의 효과 안료 및 하나 이상의 산란 첨가제를 유리 프릿(glass frit) 또는 세라믹 또는 에나멜 전구체(precursor)와 혼합하는 단계,
    혼합물을 기재 상에 코팅하거나, 인쇄하거나, 분무하는 단계, 및
    상기 유리 프릿, 세라믹 또는 에나멜의 유리 온도보다 높은 온도에서 상기 혼합물을 소성(firing)하는 단계
    에 의해 수행되는 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    태양 전지 모듈의 봉지재(encapsulant) 필름 또는 시트인 층, 시트 또는 필름.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 층, 시트 또는 필름을 포함하는 유색(colored) 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈.
  23. 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈로서,
    하기 컴포넌트
    - 투명 전면(front) 커버 층,
    - 임의적으로, 상기 태양 전지의 전면 측(front side)의 추가 투명 층,
    - 하나 이상의 태양 전지, 또는 전도성 부품(part), 바람직하게는 버스 바(bus bar)에 의해 전기적으로 상호 연결된 태양 전지의 어레이(array), 및
    - 후면(rear) 시트
    를 포함하고, 이때 상기 투명 전면 커버 층 또는 상기 태양 전지의 전면 측의 추가 투명 층이 제1항 내지 제18항 중 어느 하나에 따른 층, 시트 또는 필름인, 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 후면 시트가 흑색이거나 암색(dark color)을 갖고/갖거나, 상기 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈이 상기 태양 전지 또는 태양 전지 어레이와 상기 후면 시트 사이에 제공된 추가 시트 또는 봉지재 필름을 포함하고, 상기 추가 시트 또는 봉지재 필름이 흑색이거나 암색을 갖는 것을 특징으로 하는, 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈.
  25. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 효과 안료 및 상기 광 산란 첨가제를 상기 층에 적용하기 전에 태양 전지를 상호 연결하는 전도성 부품이 흑색 또는 암색으로 착색되는 것을 특징으로 하는, 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈.
  26. 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양 전지 또는 태양 전지 어레이에 암색의 그리드(grid)가 통합되고, 상기 그리드는, 상기 태양 전지와 상기 전도성 부품 사이의 공간을 포함하지만 이에 한정되지는 않는 밝은 영역을 덮는 것을 특징으로 하는, 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈.
  27. 제23항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
    전면 시트 및/또는 배면(back) 시트가 유리 시트인 것을 특징으로 하는, 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈.
  28. 제23항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    전면 시트 및/또는 배면 시트가 중합체 시트인 것을 특징으로 하는, 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈.
  29. 제23항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
    비정질, 단결정 및 다결정 실리콘(silicon) 태양 전지, CIGS-, CdTe-, III/V- 또는 II/VI-태양 전지, 페로브스카이트 태양 전지, 양자점(quantum dot) 태양 전지, 유기 태양 전지 및 염료 감응형(dye sensitized) 태양 전지로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈.
  30. 제1항 내지 제17항 및 제23항 내지 제29항 중 어느 하나에 정의된 컴포넌트 또는 층들을 원하는 순서로 스택킹(stacking)한 후, 상기 컴포넌트 또는 층들을, 열 및/또는 압력을 적용하거나 접착제 또는 결합제를 사용하여 함께 적층(laminating)함에 의해, 제23항 내지 제29항 중 어느 하나에 따른 유색 태양 전지 또는 유색 태양 전지 모듈을 제조하는 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    효과 안료 및 광 산란 첨가제를 함유하는 층, 시트 또는 필름이 제1 적층 단계에서 전면 시트에 적층되고, 상기 효과 안료 및 광 산란 첨가제를 함유하는 적층된 층, 시트 또는 필름을 갖는 전면 시트가 제2 적층 단계에서 나머지 컴포넌트들의 스택(stack)에 적층되는, 방법.
  32. 제30항 또는 제31항에 있어서,
    적층 단계가 열 및/또는 압력을 적용하거나 접착제 또는 결합제 또는 층을 사용하여, 바람직하게는 진공 프레스(vacuum press)에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 방법.
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