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KR102253483B1 - 건축물에 적용 가능하고 효율이 개선된 컬러태양광모듈 - Google Patents

건축물에 적용 가능하고 효율이 개선된 컬러태양광모듈 Download PDF

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KR102253483B1
KR102253483B1 KR1020210004663A KR20210004663A KR102253483B1 KR 102253483 B1 KR102253483 B1 KR 102253483B1 KR 1020210004663 A KR1020210004663 A KR 1020210004663A KR 20210004663 A KR20210004663 A KR 20210004663A KR 102253483 B1 KR102253483 B1 KR 102253483B1
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shingled
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sio
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조성배
양연원
주진
김민규
김대성
조근영
유보연
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(주)에스케이솔라에너지
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Abstract

본 발명은 건축물에 적용 가능하고 효율이 개선된 컬러태양광모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 색상 조절이 용이하면서, 동시에 태양광의 발전 효율을 높은 수준으로 유지할 수 있는 컬러태양광모듈에 관한 것이다.

Description

건축물에 적용 가능하고 효율이 개선된 컬러태양광모듈 {Color Photovoltaic Module For Building}
본 발명은 건축물에 적용 가능하고 효율이 개선된 컬러태양광모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 색상 조절이 용이하면서, 동시에 태양광의 발전 효율을 높은 수준으로 유지할 수 있는 컬러태양광모듈에 관한 것이다.
최근 석유나 석탄과 같은 기존 에너지 자원의 고갈이 예상되면서 이들을 대체할 대체에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 그 중에서 태양전지는 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 차세대 전지로서 각광받고 있다. 이러한 태양전지는 복수개가 리본에 의하여 직렬 또는 병렬로 연결되고, 복수의 태양전지를 보호하기 위한 패키징(packaging) 공정에 의하여 태양전지의 형태로 제조된다.
일반적으로 태양전지를 건물의 옥상이나 지붕 등에 설치하였으나, 아파트나 고층 건물 등에서는 옥상이나 지붕에 설치될 수 있다는 태양전지의 크기가 한정되어 태양광을 효율적으로 활용하기 어렵다. 이에 최근 주택, 건물 등의 외벽 등에 설치되어 주택, 건물 등과 일체화되는 건물 일체형 태양전지에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
건물 일체형 태양전지를 적용하면, 건물의 외벽의 넓은 면적에서 광전 변환이 이루어질 수 있어 태양광을 효율적으로 사용할 수 있다.
그러나, 건물 일체형 태양전지가 성공적으로 건물의 외벽에 적용되기 위해서는 우수한 외관 심미성을 가져야 한다. 그러나 기존의 건물 일체형 태양전지는 태양전지, 이에 연결되는 배선 등이 그대로 외부에서 보여지거나, 태양광의 흡수를 최대화하기 위해 검은 색 계열의 색상만 가지고 있기에 외관 심미성을 향상시키기에 어려움이 있었다.
이에 대한 대안으로 선행문헌 1(한국공개특허공보 제10-2018-0002974호)에서는 다수의 베이스부, 착색부 및 반사부를 포함하는 구조를 제시하고 있으나, 공정상으로 복잡하고 비용이 많이 소요되는 문제점이 있다.
이와 같이 기존의 컬러 태양광 모듈은 단조로운 검은 색 태양광 모듈에 심미성을 부여하기 위해 다채로운 색상을 입힌 태양광 모듈이 개발되었으나, 컬러안료가 광투과를 저해하여 태양광 모듈의 효율저하가 발생하였다.
일예로 흡광 안료를 사용한 컬러 태양광 모듈을 고려할 수 있다. 하지만 흡 광안료를 사용하게 되면, 광투과도가 낮아지는 문제점이 있다. 즉, 광투과도가 낮기 때문에 태양 전지에 도달하는 광량이 적어서 발전효율이 급격히 떨어지는 문제점이 있다.
한편, 선행문헌 2(한국등록특허 10-2137258)은 양면 망점인쇄를 이용한 가변컬러태양광 모듈 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 태양광 모듈의 유리양면에 이색 망점을 인쇄함으로써, 각도에 따라 이색을 발현하는 컬러태양광 모듈을 개시하고 있다. 그러나, 이와 같은 선행문헌 2에 따른 태양광 모듈은 원하는 특정 색상을 구현하기는 어렵다는 문제점이 있고, 인쇄된 망점에 의하여 태양광 발전 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 태양광 모듈은 전력 손실을 최소화하기 위하여, 복수의 슁글드태양광발전셀을 연결리본으로 연결하는 형태에 해당한다. 이와 같은 종래의 태양광 모듈의 경우, 연결리본이 위치하는 슁글드태양광발전셀 사이의 공간에서는 발전이 이루어지지 않기 때문에, 단위 면적당 발전량이 줄어든다는 문제점이 있다.
또한, 이와 같은 점을 개선하기 위하여, 슁글드태양광발전셀 사이의 공간을 감소시키는 경우에, 설치시 리본에 결함이 발생할 수 있다는 문제점이 있다. 이와 같은 리본의 결함을 방지하기 위하여, 선행문헌 3(한국등록특허 10-1144254)는 연결리본과 태양전지 셀의 결합을 방지하고 접착력을 향상시키기 위하여 연결리본에 홀을 형성하는 것을 개시하고 있으나, 이와 같은 방법도 추가적인 공정이 필요하고, 결과적으로 슁글드태양광발전셀 사이의 공간은 어느 경우나 발생하기 때문에, 발전효율이 저하된다는 문제점이 있다.
선행기술문헌
특허문헌
(특허문헌 0001) 한국공개특허공보 제10-2018-0002974호
(특허문헌 0002) 한국등록특허 제10-2137258호
(특허문헌 0003) 한국등록특허 제10-1144254호
본 발명의 목적은 색상 조절이 용이하면서, 동시에 태양광의 발전 효율을 높은 수준으로 유지할 수 있는 컬러태양광모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈로서, 전면유리; 상기 전면유리의 하면에 배치되고, 상기 전면유리에 결합되는 컬러코팅층; 상기 컬러코팅층의 하측에 배치되는 충진재층; 상기 충진재층 내부에서 고정되어 배치되는 복수의 슁글드태양광발전셀; 인접한 두 개의 슁글드태양광발전셀 중 어느 하나의 전면버스바에 접속되고, 다른 하나의 후면버스바에 전기적으로 접속되어, 인접한 두 개의 슁글드태양광발전셀을 상호 전기적으로 접속시키는 1 이상의 연결리본; 및 상기 충진재층의 하측에 배치되는 백시트 혹은 강화유리;를 포함하고, 상기 컬러코팅층은 TiO2 및 폴리실라잔, 무기안료, 및 용매를 포함하는 코팅조성물에 의하여 형성되는, 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈을 제공한다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 무기안료는 직경이 0.02마이크로미터 내지 20마이크로미터의 판상형입자를 갖는 Al2O3 및 SiO2를 포함하는 세라믹계 안료를 포함할 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 인접하는 상기 슁글드태양광발전셀은 서로 오버랩된 부분이 있도록 하면서, 측단면이 상기 전면유리의 표면에 대하여 일정 각도를 형성하는 형태로 배치될 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 각각의 상기 연결리본는 접속되는 전면버스바를 구비하는 슁글드태양광발전셀의 일단부에서 타단부까지 연장될 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 각각의 상기 연결리본는 접속되는 전면버스바를 구비하는 제1슁글드태양광발전셀의 일단부에서, 상기 연결리본이 접속되는 후면버스바를 구비하는 인접한 제2슁글드태양광발전셀의 상기 일단부의 반대측 단부까지 연장될 수 있다.
본 발명의 몇 실시예에서는, 상기 슁글드태양광발전셀의 두께는 1 내지 3mm이고, 상기 충진재층의 두께는 60 내지 70mm이고, 상기 충진재층은 EVA를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컬러태양광모듈은 높은 발전효율을 유지하면서, 컬러를 구현함으로써, BIPV 등에 적용시 외관적 심미감을 도모할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 인접한 슁글드태양광발전셀 사이의 간격을 줄임으로써, 단위면적당 발전효율을 높일 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 인접한 슁글드태양광발전셀 사이를 이어주는 연결리본의 결함을 최소화함으로써 컬러 태양광 모듈의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 발전효율을 높이면서 슁들드태양광발전셀을 충진재층 내부에서 안정적으로 보호할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진공증착 방식이 아닌 스프레이 방식을 통하여 컬러코팅층을 구현함으로써, 컬러태양광모듈을 제조과정을 효율적으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 컬러태양광모듈보다 컬러를 구현하는 요소가 단순하게 구현됨으로써, 제조비용을 감소시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리실라잔에 의하여 컬러감을 구현하는 무기안료를 안정적으로 유지하고, 외부로부터 침투되는 이물질 등으로부터 보호함으로써, 컬러태양광모듈의 컬러감이 시간이 지남에 따라 변색되지 않는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무기안료의 선택을 통하여 다양한 색상의 컬러감을 원하는 대로 구현할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 분해사시도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 적층구조를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전면유리에 컬러코팅층을 형성하는 단계들을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러코팅층을 경화과정을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러코팅층의 내부 구조를 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 실험결과를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 조립체를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸른색 컬러태양광모듈을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드태양광발전셀 및 연결리본의 결합구조를 개략적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드태양광발전셀 및 연결리본의 측면을 개략적으로 도시한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드태양광발전셀 및 연결리본의 측면을 개략적으로 도시한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 적층구조를 개략적으로 도시한다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드태양광발전셀 및 연결리본의 측면을 개략적으로 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 적층구조를 개략적으로 도시한다.
다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "양상", "예시" 등은 기술되는 임의의 양상 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않을 수도 있다.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 명백하게 다른 내용을 지시하지 않는 “한”과, “상기”와 같은 단수 표현들은 복수 표현들을 포함한다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 일 예로, “컴포넌트 표면(component surface)”은 하나 혹은 그 이상의 컴포넌트 표면들을 포함한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

한편, 본 특허는 과제 '심미적 건축 디자인 적용을 위한 마이크로 패턴 컬러 BIPV 모듈 개발 (사업명: 광역협력권산업육성사업)'의 지원을 받아 수행된 연구임.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 분해사시도를 개략적으로 도시한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부분투명 컬러태양광모듈의 적층구조를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈로서, 전면유리(100); 상기 전면유리(100)의 하면에 배치되고, 상기 전면유리(100)에 결합되는 컬러코팅층(200); 상기 컬러코팅층(200)의 하측에 배치되는 충진재층(300); 상기 충진재층(300) 내부에서 고정되어 배치되는 1 이상의 태양광발전셀(400); 및 상기 충진재층(300)의 하측에 배치되는 백시트 혹은 강화유리(500);를 포함한다.
상기 건축물에 적용가능한 컬러태양광모듈은 BIPV(Building Intergrated PhotoVoltaics)에 해당할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서는 상기 태양광발전셀은 리본 등과 함께 도 1과 다른 형태의 구조를 가질 수도 있다.
본 발명에서는 컬러코팅층(200)이 전면유리(100)의 외측에 해당하는 상측이 아닌, 전면유리(100)와 충진재층(300) 사이에 배치됨으로써, 컬러코팅층(200)의 외부 환경에 의한 변색 등을 방지할 수 있다.
바람직하게는, 상기 충진재층(300)는 EVA(Ethylene Vinyl Acetate)를 포함하는 충진재에 해당하고, EVA 충진재의 경우 컬러코팅층(200) 내부의 무기안료 및 폴리실라잔 바인더에 대한 변색 및 성질 변화 없이 컬러코팅층(200)의 폴리실라잔 바인더와의 경계면에서 강한 접합성을 가질 수 있다.
상기 컬러코팅층(200)은 TiO2 및 평균분자량이 25000이하인 폴리실라잔, 무기안료, 및 용매를 포함하는 코팅조성물에 의하여 형성되는, 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈.
상기 폴리실라잔은 하기의 화학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112021004495278-pat00001
여기서, R1, R2 및 R3는 독립적으로 수소, 알킬기, 알케닐기, 시클로알킬기, 아릴기, 규소에 직결하는 기가 탄소인 기, 알킬실릴기, 알킬아미노기 및 알콕시기이며, n은 정수이다.
바람직하게는, 폴리실라잔은 상기 R1, R2, R3가 무기물인 폴리실라잔임이 바람직하고, 이 경우 보다 광투광성을 향상시킬 수 있고, 무기안료의 특성변화를 방지할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 폴리실라잔은 상기 R1, R2, R3가 수소인 폴리실라잔임이 바람직하고, 이 경우, 하기와 같은 화학식으로 표시될 수 있다.
Figure 112021004495278-pat00002
이 경우, 코팅 적용시 9H경도 이상으로 경화될 수 있고, 유리와의 부착성을 개선할 수 있다. 특히 탄소를 함유하고 있지 않기 때문에, 경화시 고순도의 SiO2막을 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 폴리실라잔은 Si-N-Si- 결합을 갖는 고분자 화합물로서 상기 전면유리(100)에 컬러코팅층(200)을 형성하는 열처리를 통하여 폴리실라잔이 실리카(SiO2)로 전화되면서 실리카 막이 형성된다.
이와 같은 열처리에 의하여 폴리실라잔으로부터 실리카 막이 제조되고, 이 과정에서 용매가 제거되면서 실리카 막 내부에 다수의 기공을 형성한다. 이와 같이 형성된 기공은 컬러를 구현하는 컬러코팅층(200)의 굴절율과 반사율을 낮추고 투과율을 증가시킴으로써, 컬러코팅층(200)에서 무기안료가 위치하는 영역 외의 영역에서의 광투과에 따른 태양광발전셀(400)의 발전효율을 증대시킬 수 있다.
한편, 폴리실라잔은 다른 실라카 전구체 대비 수분과의 반응성이 매우 뛰어나 경도, 친수성, 내구성, 유리와의 접착력이 뛰어나기 때문에, 균일한 두께로 전면유리(100)의 하측면에 컬러코팅층(200)을 형성할 수 있고, 이로 인하여 컬러 태양광 모듈에 전체적으로 동일한 색감을 유지시킬 수 있다.
바람직하게는, 폴리실라잔의 중량평균분자량은 1000~25000g/mol인 것이 바람직하고, 6,000~18,000g/mol인 것이 더욱 바람직하다. 중량평균분자량이 1,000g/mol 미만인 경우 내구성이 저하되고, 25,000g/mol를 초과하는 경우 가공성 및 코팅성이 오히려 저하된다.
상기 폴리실라잔은 용매 100중량부에 대하여 3~13중량부 사용되며, 함량이 3중량부 미만인 경우 막의 강도와 내구성이 저하되고, 13중량부를 초과하는 경우 균일한 코팅층을 형성할 수 없어 막의 투과율 및 내구성이 오히려 저하된다.
폴리실라잔, 무기안료, 및 TiO2를 포함한 코팅조성물로 형성한 컬러코팅층(200)은 높은 광투과도를 나타내고, 전면유리(100)에서 층 형성이 용이한 이점이 있다.
상기 컬러코팅층(200)은 폴리실라잔에 의하여 TiO2 및 무기안료의 산화, 열화 및 백화 현상으로부터 보호할 수 있고, 장시간 태양광에 노출되더라도 황변 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있기 때문에, 점차적으로 투과도가 떨어지는 문제를 방지할 수 있다.
바람직하게는, 후술하는 바와 같이 TiO2 및 평균분자량이 25000이하인 폴리실라잔, 무기안료, 및 용매를 포함하는 코팅조성물은 전면유리(100)상에 스프레이 분사법으로 도포된 후에, 후술하는 특수한 열처리에 의하여 보다 투광성 및 내구성을 개선할 수 있다.
바람직하게는, 상기 무기안료는 직경이 0.02마이크로미터 내지 20마이크로미터의 판상형입자를 갖는 Al2O3 및 SiO2를 포함하는 세라믹계 안료를 포함한다.
한편, 상기 TiO2는 후술하는 코팅조성물의 경화단계에서 비교적 저온에서의 경화를 안정적으로 수행할 수 있게 하고, 0.02마이크로미터 내지 20마이크로미터의 판상형입자를 갖는 Al2O3 및 SiO2를 포함하는 세라믹계 안료에 있어서, 판상형의 Al2O3 혹은 SiO2 와의 접합이 됨으로써, 광의 투과특성을 더욱 향상시키는 역할도 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 세라믹계 안료는 Al2O3 및 SiO2 가 기재가 되고, 이를 분쇄/분급한 후에, 금속염의 가수분해가 수행되고, 이후 알칼리염이 제거된 후에, 건조 및 열처리 과정을 통하여 결정수 제거 및 코팅층의 결정화가 수행된다.
바람직하게는, 상기 코팅조성물은, 용매;와 TiO2, 평균분자량이 25000이하인 폴리실라잔, 및 무기안료;의 비율이 20:1 내지 5:1이다.
우선, TiO2, 평균분자량이 25000이하인 폴리실라잔, 및 무기안료가 준비되고, 이후 준비된 물질들이 용매에 혼합된다. 한편, 용매;와 TiO2, 평균분자량이 25000이하인 폴리실라잔, 및 무기안료;의 비율이 20:1을 초과하는 경우, 컬러코팅층(200)이 균일하게 형성되지 않을 수 있고, 용매;와 TiO2, 평균분자량이 25000이하인 폴리실라잔, 및 무기안료;의 비율이 5:1 보다 낮아지게 되는 경우, 폴리실라잔의 경화가 원활하게 이루어지지 않아 헤이즈 및 광투광성 등의 광학적 특성이 저하될 수 있다.
한편, 상기 코팅조성물의 TiO2, 폴리실라잔, 및 무기안료의 질량비율과 관련하여, 바람직하게는, 상기 코팅조성물은 60 중량부의 폴리실라잔; 10 내지 30 중량부의 TiO2; 및 10 내지 30 중량부의 무기안료;를 포함한다.
더욱 바람직하게는, 상기 폴리실라잔과 상기 무기안료의 질량비는 0.5:1 내지 2:1에 해당한다.
위와 같은 함량에서, 컬러코팅층(200)이 형성되는 경우에, 판상형의 Al2O3 입자 및 SiO2 입자 주변에 TiO2 가 균질하게 접합이 되어, 보다 나은 색감을 발휘할 수 있고, 또한, 컬러코팅층(200)의 경화시 TiO2, Al2O3 입자 및 SiO2 입자, 및 폴리실라잔의 결합구조가 치밀해질 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
바람직하게는, TiO2와 무기안료의 비율은 0.8:1 내지 2:1 임이 바람직하다. 0.8:1보다 TiO2의 함량이 적은 경우에는, 폴리실라잔의 결합구조가 비교적 약하게 되고, 이에 따라 내구성이 감소하게 되고, 또한 결합구조의 불균일로 인하여 광투광 손실이 발생할 수 있다. 2:1보다 TiO2의 함량이 많은 경우에는, TiO2 가 단독으로 결정을 형성함으로써, 전체적으로 얼룩이 발생한 것과 같은 외관을 가질 수 있고, 결과적으로 광투광성에 있어서 문제가 발생할 수 있다.
바람직하게는, 상기 용매는 폴리실라잔을 용해할 수 있는 것이면 제한되지 않지만, 구체적으로 방향족 탄화수소, 지방족 탄화수소, 에스테르, 에테르, 알코올계의 유기용매 중 1 이상을 포함하고, 더욱 바람직하게는, 상기 용매는 다이부틸에테르를 포함한다.
다이부틸에테르는 폴리실라잔, Al2O3 및 SiO2 를 포함하는 세라믹계무기안료, 및 TiO2 을 균질하게 분산시킬 수 있고, 또한 후술하는 건조공정에 의하여 코팅조성물이 컬러코팅층(200)을 형성할 때 보다 폴리실라잔의 실리카로의 균질한 변화를 촉진함으로써 보다 바인더 부분에 있어서는 양호한 광투광성을 도모할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전면유리(100)에 컬러코팅층(200)을 형성하는 단계들을 개략적으로 도시한다.
상기 컬러코팅층(200)은, 전면유리(100)를 플라즈마전처리 등으로 하여 표면 전처리를 수행하는 단계(S100); 상기 전면유리(100)에 상기 코팅조성물이 스프레이 방식으로 도포되는 단계(S200); 상기 코팅조성물이 상기 전면유리(100)에 도포된 상태에서 140° 내지 160°의 온도의 열풍을 가하여 1차 건조를 수행하는 단계(S300); 상기 코팅조성물이 상기 전면유리(100)에 도포된 상태에서 상기 전면유리(100)와 직접적으로 접촉하는 오븐에 의하여 180° 내지 250°의 온도로 가열이 수행되는 단계(S400);에 의하여 상기 전면유리(100)의 일면에 형성된다.
단계 S100에서는 세륨옥사이드 및 알코올에 의하여 전면유리(100)가 세정되고, 이후, Ar/O2 의 환경에서 플라즈마 전처리가 수행된다.
단계 S200에서는 코팅조성물이 스프레이 방식으로 도포된다. 이와 같이 스프레이 방식으로 도포하는 경우에는 기존의 증착 방식 등에 비하여 작업상 큰 이점을 가질 수 있다.
단계 S300에서는 밀폐된 챔버 내부에서 140° 내지 160°의 온도의 열풍이 가해지는 상태에서, 코팅조성물이 상면에 도포된 전면유리(100)가 컨베이어를 따라 이동한다. 바람직하게는, 상기 단계 S300은 2 내지 10분 동안 이루어진다. 더욱 바람직하게는, 상기 단계 S300은 2 내지 4분 동안 이루어진다.
본 발명에서는, TiO2 및 평균분자량이 25000이하인 폴리실라잔, 무기안료의 경화에 있어서 바로 오븐에서 경화를 시키는 방식이 아니라, 예비적으로 단계 S300에서 열풍에 의한 경화를 수행함으로써, 폴리실라잔 바인더에 TiO2 및 무기안료가 보다 치밀하게 경화될 수 있고, 이에 따라 전체적인 광투광성이 향상될 수 있다.
단계 S400에서는 상기 전면유리(100)에 도포된 상태에서 상기 전면유리(100)와 직접적으로 접촉하는 오븐에 의하여 180° 내지 250°의 온도로 가열이 수행되는 단계;가 수행된다. 바람직하게는, 상기 단계 S400은 40분 내지 1시간 반 동안 수행되고, 더욱 바람직하게는 50분 내지 1시간 10분 동안 수행된다.
이와 같은 과정을 통하여 용매가 증발하게 되고, 전면유리(100)의 일면에 컬러코팅층(200)이 견고하게 형성될 수 있다. 구체적으로, S300 단계 이후 S400단계를 수행함으로써 판상형의 Al2O3 및 SiO2 입자의 둘레면에 TiO2가 전체적으로 균일하게 둘러싸게 되고, 이는 폴리실라잔 내부에서의 매트릭스를 더욱 견고하게 형성하게 하는 효과를 발휘할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러코팅층(200)을 경화과정을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러코팅층(200)의 내부 구조를 개략적으로 도시한다.
폴리실라잔 바인더 내부에서 Al2O3 혹은 SiO2의 판상형 입자는 TiO2 에 의하여 일종의 코팅이 되어 있는 상태이다. 전면유리(100)를 투과한 빛은 광투광성이 높고, 광반사율이 낮은 폴리실라잔 바인더를 통과하고, Al2O3 혹은 SiO2 의 판상형 입자를 통과할 때 회절이 일어나게 된다. Al2O3 혹은 SiO2의 판상형 입자는 상당히 높은 양의 광을 투광시키고, 일부의 광이 Al2O3 혹은 SiO2의 판상형 입자와 TiO2의 경계면(하측)에서 반사하게 된다.
이렇게 반사된 광은 상측의 TiO2층에서 반사되는 반사광과 간섭이 되어 색상이 나타나게 되고, Al2O3 혹은 SiO2 의 두께에 따라 최종 반사되는 광의 파장이 결정된다. 따라서, 반사광의 색상은 판상형의 Al2O3 혹은 SiO2 의 직경 혹은 두께에 의하여 결정될 수 있고, 원하는 색상을 발현할 수 있는 Al2O3 혹은 SiO2 를 선택함으로써, 원하는 심미감을 발휘할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 실험결과를 도시한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 컬러태양광모듈에 사용되는 전면유리(100) 및 컬러코팅층(200)은 높은 광투과율을 가지고 있고, 이에 따라 높은 발전효율을 발휘할 수 있으며, 가혹조건에서도 구조 및 형태를 지속적으로 유지할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 다양한 색상의 컬러태양광모듈 전반에 있어서, 고온고습 온도 싸이클 이후에도, Pmax 값과 Fill Factor 값이 거의 변화하지 않음을 확인할 수 있다.
도 6에 도시된 실시예들의 경우, 도 1에 도시된 구조를 갖는 컬러태양광모듈에 해당하고, 모든 실시예들은 컬러코팅층의 코팅조성물에 있엇 안료에 대한 함량을 제외하고는 하기와 같은 공통적인 성분비를 갖는다.
중량비
용매-다이부틸에테르 90%
폴리실라잔 6%
TiO2 2%
무기안료(C모사의 무기안료) 1.6 내지 3%
기타(계면활성제등) 1%
한편, 하기의 표는 Bare(무컬러 태양광모듈)과 비교한 발전효율에 대한 실험결과를 도시한다.
구분 Bare 2 4 5 6 7 14 18 23
Isc(A) 9.107 8.451 8.492 8.498 8.702 8.501 8.920 8.282 8.470
Bare대비 비율 100% 93% 93% 93% 96% 93% 98% 91% 93%
Pmax(W) 4.51 4.20 4.18 4.17 4.27 4.16 4.36 4.10 4.18
Bare대비 비율 100% 93% 93% 92% 95% 92% 97% 91% 93%
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 조립체를 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 푸른색 컬러태양광모듈을 도시한다.
도 7, 및 8에 도시되는 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 컬러태양광모듈은 다양한 색상을 구현하면서, 전체적으로 색상이 균일하게 유지되는 효과를 발휘할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드태양광발전셀(410) 및 연결리본(430)의 결합구조를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈은 전면유리(100); 상기 전면유리(100)의 하면에 배치되고, 상기 전면유리(100)에 결합되는 컬러코팅층(200); 상기 컬러코팅층(200)의 하측에 배치되는 충진재층; 상기 충진재층 내부에서 고정되어 배치되는 복수의 슁글드태양광발전셀(410); 인접한 두 개의 슁글드태양광발전셀(410) 중 어느 하나의 전면버스바(420)에 접속되고, 다른 하나의 후면버스바에 전기적으로 접속되어, 인접한 두 개의 슁글드태양광발전셀(410)을 상호 전기적으로 접속시키는 1 이상의 연결리본(430); 및 상기 충진재층의 하측에 배치되는 백시트 혹은 강화유리(500);를 포함하고, 상기 컬러코팅층(200)은 TiO2 및 폴리실라잔, 무기안료, 및 용매를 포함하는 코팅조성물에 의하여 형성된다.
상기 컬러코팅층(200) 및 코팅조성물에 대한 설명은 도 1 내지 8을 참조하여 설명한 내용과 중복되는 바, 이에 대한 설명은 하기에서는 생략하기로 한다.
도 9에 도시된 바와 같이 본 발명의 충진재층 내부에 배치되는 슁글드(shingled)태양광발전셀은 인접한 슁글드태양광발전셀(410)과 전기적으로 접속하여 전체적인 태양광발전모듈을 구성한다.
각각의 슁글드태양광발전셀(410)은 전면에 전면버스바(420)가 형성되어 있고, 후면에 후면버스바(미도시)가 형성되어 있는데, 제1슁글드태양광발전셀(410)(도 9에서 좌측)의 전면버스바(420)에 연결리본(430)의 일부가 부착되고, 제2슁글드태양광발전셀(410)(도 9에서 우측)의 후면버스바(미도시)에 상기 연결리본(430)의 일부가 부착됨으로써, 인접한 슁글드태양광발전셀(410)이 상호 전기적으로 접속될 수 있다.
한편, 연결리본(430)은 후면버스바 혹은 전면버스바(420)에 솔더, 전기적으로 전동성인 접착제, 접착필름, 접착테이프 등의 방법으로 부착될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드태양광발전셀(410) 및 연결리본(430)의 측면을 개략적으로 도시한다.
도 10에서는 슁글드태양광발전셀(410)이 상기 전면유리(100)에 실질적으로 수평인 방향 형태로 배치되고, 연결리본(430)의 일부는 좌측의 슁글드태양광발전셀(410)의 전면버스바(420)에 접속되고, 연결리본(430)의 다른 일부는 우측의 슁글드태양광발전셀(410)의 후면버스바에 접속되는 형태에 해당한다.
이와 같은 실시예에서는 인접한 슁글드태양광발전셀(410) 사이의 공간이 발생할 수 밖에 없고, 이와 같은 공간에 의하여 단위면적당 발전효율이 감소할 수 밖에 없다.
또한, 이와 같은 형태에서는 슁글드태양광발전셀(410) 사이의 간격을 줄여서 발전효율을 증가시킨다면, 연결리본(430)의 절곡각도가 매우 급격하게 높아지게 되고, 이는 연결리본(430)의 손상 등을 야기할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드태양광발전셀(410) 및 연결리본(430)의 측면을 개략적으로 도시한다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 인접하는 상기 슁글드태양광발전셀(410)은 서로 오버랩된 부분이 있도록 하면서, 측단면이 상기 전면유리(100)의 표면에 대하여 일정 각도를 형성하는 형태로 배치된다.
이와 같은 방식으로 슁글드태양광발전셀(410) 사이의 공간을 없게 함으로써, 발전효율을 높일 수 있다.
도 11에 도시된 실시예에서는, 각각의 상기 연결리본(430)는 접속되는 전면버스바(420)를 구비하는 슁글드태양광발전셀(410)의 일단부에서 타단부까지 연장된다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 적층구조를 개략적으로 도시한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈은 전면유리(100); 상기 전면유리(100)의 하면에 배치되고, 상기 전면유리(100)에 결합되는 컬러코팅층(200); 상기 컬러코팅층(200)의 하측에 배치되는 충진재층; 상기 충진재층 내부에서 고정되어 배치되는 복수의 슁글드태양광발전셀(410); 인접한 두 개의 슁글드태양광발전셀(410) 중 어느 하나의 전면버스바(420)에 접속되고, 다른 하나의 후면버스바에 전기적으로 접속되어, 인접한 두 개의 슁글드태양광발전셀(410)을 상호 전기적으로 접속시키는 1 이상의 연결리본(430); 및 상기 충진재층의 하측에 배치되는 백시트 혹은 강화유리(500);를 포함하고, 상기 컬러코팅층(200)은 TiO2 및 폴리실라잔, 무기안료, 및 용매를 포함한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 슁글드태양광발전셀(410) 사이에는 빈 공간이 없음으로써 단위면적당 발전효율을 개선할 수 있으며, 연결리본(430)에는 절곡된 부분이 없음으로써, 연결리본(430)의 내구성을 강화할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 슁글드태양광발전셀(410) 및 연결리본(430)의 측면을 개략적으로 도시한다.
도 13에 도시된 실시예는 인접하는 상기 슁글드태양광발전셀(410)은 서로 오버랩된 부분이 있도록 하면서, 측단면이 상기 전면유리(100)의 표면에 대하여 일정 각도를 형성하는 형태로 배치되어 있다.
한편, 도 13에 도시된 실시예에서는 각각의 상기 연결리본(430)는 접속되는 전면버스바(420)를 구비하는 제1슁글드태양광발전셀(410)의 일단부에서, 상기 연결리본(430)이 접속되는 후면버스바를 구비하는 인접한 제2슁글드태양광발전셀(410)의 상기 일단부의 반대측 단부까지 연장되어 있다. 즉, 각각의 연결리본(430)은 인접한 두 슁글드태양광발전셀(410) 전체 길이를 따라 제1슁글드태양광발전셀(410)의 전면버스바(420) 전체 및 제2슁글드태양광발전셀(410)의 후면버스바 전체에 부착되어 있다.
이와 같은 구조에서는, 기울어진 형태에서 전면버스바(420) 및 후면버스바의 연결리본(430)의 부착성 및 전도성을 보다 개선시킬 수 있으며, 연결리본(430)이 접촉되는 후면버스바를 구비하는 제2슁글드태양광발전셀(410)을 안정적으로 지지하는 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 이와 같은 구조에서는 충진재층으로 EVA를 이용시, 각각의 슁글드태양광발전셀(410)의 구조를 보다 강하게 유지할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러태양광모듈의 적층구조를 개략적으로 도시한다.
도 14에 도시된 바와 같이, 각각의 상기 연결리본(430)는 접속되는 전면버스바(420)를 구비하는 제1슁글드태양광발전셀(410)의 일단부에서, 상기 연결리본(430)이 접속되는 후면버스바를 구비하는 인접한 제2슁글드태양광발전셀(410)의 상기 일단부의 반대측 단부까지 연장되어 있고, 이와 같은 방식으로 연결리본(430)과 각각의 슁글드태양광발전셀(410)과의 접촉성, 내구성, 지지안정성을 개선할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
한편, 도 12 및 도 14에서, 상기 슁글드태양광발전셀(410)의 두께(a)는 1 내지 3mm이고, 상기 충진재층의 두께(b)는 60 내지 70mm이고, 상기 충진재층로 EVA(에틸렌 비닐아세테이트 공중합체)로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 충진재층의 두께(b)의 범위에서는 기울어진 형태의 슁글드태양광발전셀(410)의 지지력을 양호하게 유지할 수 있으며, EVA층이 형성될 때, 슁글드태양광발전셀(410)의 배향 혹은 위치가 뒤틀리지 않게 할 수 있다. 또한, 도 14에서와 같이 연결리본(430)이 인접한 슁글드태양광발전셀(410) 전체 길이를 따라 연장되는 경우, 연결리본(430)과 전면버스바(420) 및 후면버스바의 상호 압착력을 균질하게 유지함으로써, 보다 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 컬러태양광모듈은 높은 발전효율을 유지하면서, 컬러를 구현함으로써, BIPV 등에 적용시 외관적 심미감을 도모할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 인접한 슁글드태양광발전셀 사이의 간격을 줄임으로써, 단위면적당 발전효율을 높일 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 인접한 슁글드태양광발전셀 사이를 이어주는 연결리본의 결함을 최소화함으로써 컬러 태양광 모듈의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 발전효율을 높이면서 슁들드태양광발전셀을 충진재층 내부에서 안정적으로 보호할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 진공증착 방식이 아닌 스프레이 방식을 통하여 컬러코팅층을 구현함으로써, 컬러태양광모듈을 제조과정을 효율적으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 종래의 컬러태양광모듈보다 컬러를 구현하는 요소가 단순하게 구현됨으로써, 제조비용을 감소시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 폴리실라잔에 의하여 컬러감을 구현하는 무기안료를 안정적으로 유지하고, 외부로부터 침투되는 이물질 등으로부터 보호함으로써, 컬러태양광모듈의 컬러감이 시간이 지남에 따라 변색되지 않는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 무기안료의 선택을 통하여 다양한 색상의 컬러감을 원하는 대로 구현할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
제시된 실시예들에 대한 설명은 임의의 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 이용하거나 또는 실시할 수 있도록 제공된다. 이러한 실시예들에 대한 다양한 변형들은 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이며, 여기에 정의된 일반적인 원리들은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 그리하여, 본 발명은 여기에 제시된 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 여기에 제시된 원리들 및 신규한 특징들과 일관되는 최광의의 범위에서 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈로서,
    전면유리;
    상기 전면유리의 하면에 배치되고, 상기 전면유리에 결합되는 컬러코팅층;
    상기 컬러코팅층의 하측에 배치되는 충진재층;
    상기 충진재층 내부에서 고정되어 배치되는 복수의 슁글드태양광발전셀;
    인접한 두 개의 슁글드태양광발전셀 중 어느 하나의 전면버스바에 접속되고, 다른 하나의 후면버스바에 전기적으로 접속되어, 인접한 두 개의 슁글드태양광발전셀을 상호 전기적으로 접속시키는 1 이상의 연결리본; 및
    상기 충진재층의 하측에 배치되는 백시트 혹은 강화유리;를 포함하고,
    상기 컬러코팅층은 TiO2 및 폴리실라잔, 무기안료, 및 용매를 포함하는 코팅조성물에 의하여 형성되고,
    상기 무기안료는 판상형입자를 갖는 Al2O3 및 SiO2를 포함하는 세라믹계 안료를 포함하고,
    상기 컬러코팅층에서는 상기 폴리실라잔으로 구성되는 바인더 내부에서 Al2O3 및 SiO2의 판상형 입자의 하면 및 상면이 TiO2 에 의하여 둘러싸임으로서, 상기 전면유리를 투과한 빛은 폴리실라잔 바인더를 통과하여, Al2O3 및 SiO2 의 판상형 입자를 통과할 때 회절이 일어나고, Al2O3 및 SiO2의 판상형 입자는 광의 일부를 투과시키고, Al2O3 및 SiO2의 판상형 입자와 TiO2의 경계면에서 광의 일부가 반사함으로써, 상기 컬러 태양광 모듈의 색상을 구현하고,
    인접하는 상기 슁글드태양광발전셀은 서로 오버랩된 부분이 있도록 하고,
    각각의 상기 연결리본은 접속되는 전면버스바를 구비하는 슁글드태양광발전셀의 연결리본의 길이방향 일단부에서 연결리본의 길이방향 타단부측으로 연장되는, 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 무기안료는 직경이 0.02마이크로미터 내지 20마이크로미터의 판상형입자를 갖는 Al2O3 및 SiO2를 포함하는 세라믹계 안료를 포함하는, 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈.
  3. 청구항 1에 있어서,
    인접하는 상기 슁글드태양광발전셀은 측단면이 상기 전면유리의 표면에 대하여 일정 각도를 형성하는 형태로 배치되는, 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈.
  4. 삭제
  5. 청구항 3에 있어서,
    각각의 상기 연결리본는 접속되는 전면버스바를 구비하는 제1슁글드태양광발전셀의 일단부에서, 상기 연결리본이 접속되는 후면버스바를 구비하는 인접한 제2슁글드태양광발전셀의 상기 일단부의 반대측 단부까지 연장되는, 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 슁글드태양광발전셀의 두께는 1 내지 3mm이고, 상기 충진재층의 두께는 60 내지 70mm이고, 상기 충진재층로 EVA로 형성되는, 건축물에 적용가능한 컬러 태양광 모듈.
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