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KR102419282B1 - 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈 및 이의 제조방법 - Google Patents

나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR102419282B1
KR102419282B1 KR1020200116716A KR20200116716A KR102419282B1 KR 102419282 B1 KR102419282 B1 KR 102419282B1 KR 1020200116716 A KR1020200116716 A KR 1020200116716A KR 20200116716 A KR20200116716 A KR 20200116716A KR 102419282 B1 KR102419282 B1 KR 102419282B1
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South Korea
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optical film
solar cell
nanostructured
cell module
encapsulant
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한국전자기술연구원
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Abstract

본 발명은 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 태양전지 모듈에서 커버글라스와 봉지재 사이에 나노구조 광학필름을 삽입된 구조를 가짐으로써, 커버글라스에서 방출되는 Na+의 이동을 억제하고, 입사하는 빛의 광학적 손실을 보상하여 태양전지의 변환효율(Eff) 및 최대출력(Pmax) 증가시키면서 전위유도열화(PID) 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈은 백시트, 백시트 위에 부착되는 후면 나노구조 광학필름, 후면 나노구조 광학필름 위에 부착되는 후면 봉지재, 후면 봉지재 위에 부착되는 태양전지, 태양전지 위에 부착되는 전면 봉지재, 전면 봉지재 위에 부착되는 전면 나노구조 광학필름 및 전면 나노구조 광학필름 위에 부착되는 커버글라스를 포함한다.

Description

나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈 및 이의 제조방법{Solar cell module using nanostructured optical film and its manufacturing method}
본 발명은 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환시키기 위해 제조되는 광전지를 말하는 것으로, 이는 태양전지가 태양광을 받으면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 원리를 이용한 것이다. 태양전지는 무한한 태양에너지를 이용하는 것으로서, 다른 전력시스템과 달리 가동부분이 없어 무인화가 가능하고 안전하며, 환경친화적인 시스템으로 신재생에너지 부문에서도 가장 각광받고 있다.
일반적으로 태양전지는 내부에 서로 다른 극성을 가지는 n형 반도체와 p형 반도체가 접합된 구조를 가질 수 있으며, 태양광에 의해 생성된 전자-정공쌍이 이러한 n-p접합구조에서 생성된 전위차에 의해서 분리되며 태양전지에 배치된 전극으로 수집되어 전류가 흐르게 된다.
태양전지는 셀 단위로 구분할 수 있으며, 이러한 태양전지 셀을 패키징(packging)한 태양전지 모듈(module)과 함께 관련 산업에 활용되고 있다.
태양전지 모듈은 태양광에 노출되기 위해 주로 외부에 설치되며 표면을 보호하기 위하여 태양전지 모듈 상부에 별도의 커버글라스를 배치하고 있다.
그러나, 일반적인 편평한(flat) 형태의 커버글라스는 표면에서 태양광의 일부가 반사되어 광손실이 발생하는 문제점이 있다.
이를 위하여, 종래에는 커버글라스 표면을 텍스처링(texturing)하여 커버글라스 표면에서 일어나는 반사율을 줄이거나, 커버글라스 표면에 커버글라스로 사용되는 유리보다 낮은 굴절률을 가지는 재료로 반사 방지막(Anti-reflection layer, AR layer)을 형성하여 표면반사율을 저하시킬 수 있다.
그러나 일반적인 태양전지 모듈의 커버글라스에는 Na+ 이온이 포함되어 봉지재로 확산되면서 봉지재의 전도도를 높임으로써 누설전류가 증가되며, Na+ 이온이 태양전 태양전지의 표면까지 이동하여 태양전지의 전열막을 파괴하여 열화가 일어나는 전위유도열화(PID, potential induced degradation) 현상이 일어나게 된다.
이러한 전위유도열화(PID) 현상은 태양전지 모듈의 광효율을 저하시키는 문제점이 있다.
한국등록특허공보 제10-1497941호 (2015. 03. 03. 공고)
그러므로, 본 발명은 종래 문제점을 해소하기 위한 것으로, 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈에 있어서, 전위유도열화(PID) 현상을 억제시켜 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈은 백시트, 상기 백시트 위에 부착되는 후면 나노구조 광학필름, 상기 후면 나노구조 광학필름 위에 부착되는 후면 봉지재, 상기 후면 봉지재 위에 부착되는 태양전지, 상기 태양전지 위에 부착되는 전면 봉지재, 상기 전면 봉지재 위에 부착되는 전면 나노구조 광학필름 및 상기 전면 나노구조 광학필름 위에 부착되는 커버글라스를 포함한다.
상기 전면 및 후면 나노구조 광학필름은 광학필름 위에 나노입자를 포함하는 수지를 경화시켜 상기 나노입자가 포함된 나노구조의 돌기를 형성하여 일정하게 배치될 수 있다.
상기 전면 나노구조 광학필름은, 상기 나노구조의 돌기가 상기 전면 봉지재를 향하며, 상기 후면 나노구조 광학필름은, 상기 나노구조의 돌기가 상기 후면 봉지재를 향하게 부착될 수 있다.
상기 광학필름은, 폴리에스터(Polyester), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에테르설폰(polyethersulfone) 및 트리아세틸셀룰로오스(Tri acetyl cellulose) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전면 및 후면 나노구조 광학필름은, 상기 광학필름 대비 투과도가 4~5% 향상되며 반사도가 4~5% 감소될 수 있다.
상기 나노입자는 TiO₂및 Al₂O₃ 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
상기 나노입자는 입자크기가 20 내지 21nm일 수 있다.
상기 수지는 dipentaerythritol를 포함하는 자외선 경화성 수지일 수 있다.
상기 수지는 280 내지 320nm 파장의 자외선을 흡수할 수 있다.
상기 나노구조의 돌기는 200 내지 400nm 너비 및 400 내지 600 높이를 갖을 수 있다.
상기 나노구조의 돌기는 원뿔 형상의 모스아이(Moth-eye) 구조일 수 있다.
그리고 본 발명에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법은 백시트, 후면 나노구조 광학필름, 후면 봉지재, 태양전지, 전면 봉지재, 전면 나노구조 광학필름, 커버글라스 순으로 재료를 적층하는 단계 및 상기 적층된 재료를 열 및 압력을 가하여 접착하는 단계를 포함한다.
상기 재료를 적층하는 단계 이전에 수행되는, 나노구조의 몰드를 베이스 필름 위에 위치시킨 후, 나노입자를 포함하는 수지를 도포하는 단계, 상기 수지 위에 광학필름을 위치시키는 단계, 상기 광학필름 상면을 열 및 압력을 가하면서 상기 수지에 자외선을 조사하며, 상기 수지를 경화시켜 상기 광학필름 위에 나노구조의 돌기를 형성시키는 단계 및 상기 몰드 및 베이스 필름으로부터 상기 광학필름을 분리하여 상기 나노구조의 돌기가 형성된 나노구조 광학필름을 제조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 나노입자를 포함하는 수지를 도포하는 단계는, 상기 수지 및 상기 나노입자를 74~83 : 17~26의 중량비로 혼합하여 도포할 수 있다.
상기 몰드는, PDMS(poly dimethyl siloxane)를 포함할 수 있다.
상기 베이스 필름은, PET(poly ethylene terephthalate), PVC(poly vinyl chloride) 및 PMMA(poly methyl methacrylate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 의하면, 태양전지 모듈에서 커버글라스와 봉지재 사이에 나노구조 광학필름을 삽입된 구조를 가짐으로써, 커버글라스에서 방출되는 Na+의 이동을 억제하고, 입사하는 빛의 광학적 손실을 보상하여 태양전지의 변환효율(Eff) 및 최대출력(Pmax) 증가시키면서 전위유도열화(PID) 현상이 발생하는 것을 억제를 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈은 나노구조 광학필름이 태양전지 모듈에 추가적으로 삽입되는 구조로써, 기존 태양전지 모듈 구성요소(커버글라스, 봉지재, 태양전지, 백시트)를 그대로 이용 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈은 태양광발전소에 적용하여 장시간 노출 시 전위차에 의해 태양전지 모듈의 광효율이 저하되는 문제점을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에서 나노구조 광학필름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 몰드 위에 광학필름을 위치시키는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학필름 위에 나노구조의 돌기를 형성시키는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조의 돌기가 형성된 나노구조 광학필름의 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름의 투과도 및 반사도 의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 태양전지 모듈의 변환효율 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지 모듈의 PID 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법을 나타내는 플로우 차트이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
<제1 실시예>
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈(100)(이하, '태양전지 모듈')은 백시트(90), 후면 나노구조 광학필름(30b), 후면 봉지재(50b), 태양전지(70), 전면 봉지재(50a), 전면 나노구조 광학필름(30a) 및 커버글라스(10)를 포함한다. 후면 나노구조 광학필름(30b)는 백시트(90) 위에 부착된다. 후면 봉지재(50b)는 후면 나노구조 광학필름(30b) 위에 부착된다. 태양전지(70)는 후면 봉지재(50b) 위에 부착된다. 전면 봉지재(50a)는 태양전지(70) 위에 부착된다. 전면 나노구조 광학필름(30a)은 전면 봉지재(50a) 위에 부착된다. 커버글라스(10)는 전면 나노구조 광학필름(50a) 위에 부착된다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 태양전지 모듈(100)의 각 구성요소에 대해서 상세히 설명하면 다음과 같다.
태양전지 모듈(100)은 아래서부터 백시트(90), 후면 나노구조 광학필름(30b), 후면 봉지재(50b), 태양전지(70), 전면 봉지재(50a), 전면 나노구조 광학필름(30a) 및 커버글라스(10)가 순서대로 적층된 구조이다.
백시트(90)는 태양전지 모듈(100)에서 가장 후면에 위치하여, 외부환경으로부터 태양전지(70)를 보호하는 역할을 하며, 테프론 소재로 구성될 수 있다.
후면 봉지재(50b)는 후면 나노구조 광학필름(30b)과 태양전지(70) 사이에 위치한다.
전면 봉지재(50a)는 전면 나노구조 광학필름(30a)과 태양전지(70) 사이에 위치한다.
봉지재(50a, 50b)는 태양전지(70)의 상면과 하면을 감싸 보호하여 밀봉 및 완충하기 위한 역할을 하며, 태양전지(70)로 수분이나 먼지 등이 침투하는 것을 방지하는 역할을 한다.
봉지재(50a, 50b)는 에틸렌초산비닐 (EVA, ethylene vinyl acetate), 폴리올레핀 엘라스토머 (POE, polyolefin elastomer), 가교 폴리올레핀 (cross- linked polyolefin), 열가소성 폴리우레탄 (TPU, thermal polyurethane), 폴리비닐부티랄 (PVB , polyvinyl butyral), 실리콘(silicone), 실리콘/ 폴리우레탄 하이브리드 (silicone/polyurethane hybrid) 및 이오노머(ionomer) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
태양전지(70)는 전면 봉지재(50a)와 후면 봉지재(50b) 사이에 위치하며, 커버글라스(10)에서 투과한 빛을 받아 전압이 발생하여 빛에너지를 전기에너지로 바꾼다.
커버글라스(10)는 태양전지 모듈(100)에서 태양광이 입사하는 전면인 전면 봉지재(50a) 위에 위치한다.
커버글라스(10)는 태양전지(70)를 보호하되, 태양광을 투과시켜 태양전지(70)에 보내는 역할을 한다.
커버글라스(10)는 태양전지 모듈(100)의 파손을 방지하기 위하여 강화 또는 반강화 유리를 사용하되, 특히 많은 양의 태양광이 태양전지(70)로 전달되도록 투과율이 높은 저철분 반강화유리를 사용할 수 있다.
후면 나노구조 광학필름(30b)은 백시트(90)와 후면 봉지재(50b) 사이에 위치하며, 나노구조의 돌기(38)가 후면 봉지재(50b)를 향하게 부착된다. 그리고 전면 나노구조 광학필름(30a)은 커버글라스(10)와 전면 봉지재(50a) 사이에 위치하며, 나노구조의 돌기(38)가 전면 봉지재(50a)를 향하게 부착된다.
도 2는 도 1에서 나노구조 광학필름을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 도 2는 도 1에서 A가 가리키는 위치에 있어서 나노구조 광학필름(30a, 30b)과 전면 봉재재(50a, 50b)가 접착된 모습을 확대하여 나타낸 것이다.
나노구조 광학필름(30a, 30b)은 표면에 나노구조의 돌기(38)가 복수개로 형성된다. 여기서 나노구조 광학필름(30a, 30b)은 광학필름(37) 위에 나노입자를 포함하는 수지를 경화시켜 나노입자가 포함된 나노구조의 돌기(38)가 형성될 수 있다.
나노구조의 돌기(38)는 광학필름(37) 표면에 일정하게 배치되어 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 나노구조의 돌기(38)는 200 내지 400nm의 너비를 가지며, 400 내지 600의 높이를 가질 수 있다.
나노구조의 돌기(38)는 원뿔 형상의 모스아이(Moth-eye) 구조일 수 있다. 나노구조의 돌기(38)의 원뿔형 구조는 다른 형상에 비해 표면 반사를 더욱 저감시킬 수 있다. 나노구조의 돌기(38)는 원뿔형 구조 중에서 '원뿔형'이란 최상부 끝이 뾰족한 경우 외에 끝이 잘린 원뿔형 구조 및 끝이 밑면과 평행하게 잘린 구조뿐만 아니라 끝 부분이 뭉툭하고 볼록하게 형성되어 있는 구조도 포함될 수 있다.
나노구조의 돌기(38)는 투과된 빛을 산란 및 확산시켜 입사광의 투과율을 증가시킴으로써 태양전지(70)가 흡수할 수 있는 광량을 증가시킬 수 있다.
광학필름(37)은 폴리에스터(Polyester), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에테르설폰(polyethersulfone) 및 트리아세틸셀룰로오스(Tri acetyl cellulose) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
수지는 dipentaerythritol hexaacrylate을 포함하는 자외선 경화성 수지이며, 280 내지 320nm 파장의 자외선을 흡수할 수 있다.
나노입자는 입자크기가 20 내지 21nm이며, TiO₂및 Al₂O₃ 중 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
본 발명은 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법에 관한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름(30a, 30b)을 이용한 태양전지 모듈(100)의 제조방법은 나노구조의 몰드를 베이스 필름 위에 위치시킨 후, 나노입자를 포함하는 수지를 도포하는 단계(S10), 수지 위에 광학필름(37)을 위치시키는 단계(S20), 광학필름(37) 상면을 열 및 압력을 가하면서 수지에 자외선을 조사하는 단계(S30), 수지를 경화시켜 광학필름(37) 위에 나노구조의 돌기(38)를 형성시키는 단계(S40), 몰드 및 베이스 필름으로부터 광학필름(37)을 분리하여 나노구조의 돌기(38)가 형성된 나노구조 광학필름(30a, 30b)을 제조하는 단계(S50), 백시트(90), 후면 나노구조 광학필름(30b), 후면 봉지재(50b), 태양전지(70), 전면 봉지재(50a), 전면 나노구조 광학필름(30a), 커버글라스(10) 순으로 재료를 적층하는 단계(S60) 및 적층된 재료를 열 및 압력을 가하여 접착하는 단계(S70)를 포함한다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법에 대해서 도 4 내지 도 7을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저 도 5에 도시된 바와 같이, S10~S20 단계에서 베이스 필름(31) 위에 나노구조의 몰드(33)를 위치시킨다. 여기서 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 몰드 위에 광학필름을 위치시키는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이때 베이스 필름(31)은 PET(poly ethylene terephthalate), PVC(poly vinyl chloride) 및 PMMA(poly methyl methacrylate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
몰드(33)는 스핀코팅을 이용하여 복제되며 표면에 나노입자의 돌기(34)가 형성된다.
몰드(33)의 소재는 PDMS(poly dimethyl siloxane)를 포함할 수 있다.
나노입자(35)가 포함된 수지(36)는 몰드(33) 위에 형성된 나노구조의 돌기(34) 사이에 도포된다.
여기서 수지(36) 및 나노입자(35)는 74~83 : 17~26의 중량비로 혼합될 수 있다.
그리고 수지(36)에는 Iragacure184, ethanol 및 isopropyl alcohol 등을 첨가하여 사용할 수 있다.
다음으로 광학필름(37)은 도포된 수지(36) 위에 위치시킨다.
다음으로 도 6에 도시된 바와 같이, S30~S40 단계에서 광학필름(37)에는 프레스 및 히터를 통하여 상면에 열 및 압력을 가하는 동시에 자외선 램프(39)를 통하여 도포된 수지(36)에 자외선을 조사한다. 여기서 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학필름 위에 나노구조의 돌기를 형성시키는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이때 자외선 램프(39)는 280 내지 320nm 파장의 자외선을 방출할 수 있다.
수지(36)는 자외선을 흡수하여 경화가 되며, 광학필름(37) 위에는 나노구조의 돌기(38)가 형성된다.
다음으로 도 7에 도시된 바와 같이, S50 단계에서 몰드(33) 및 베이스 필름(31)으로부터 광학필름(37)을 분리한다. 여기서 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조의 돌기가 형성된 나노구조 광학필름의 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
광학필름(30) 위에는 몰드(33)의 나노구조 돌기(34) 형상에 반전되는 나노구조의 돌기(38)가 형성된다.
여기서 나노구조의 돌기(38)가 형성된 나노구조 광학필름(30)은 자외선을 다시 조사하여 나노구조의 돌기(38)를 완전히 경화시킬 수 있다.
S10~S50 단계를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름(30)은 나노임프린트 리소그래피(Nanoimprint lithography) 방식으로 제조할 수 있다.
나노임프린트 리소그래피 방식은 경제적이고도 효과적으로 나노구조물(nanostructure)을 제작할 수 있는 기술로, 나노구조물이 각인된 스템프를 기층(substrate)위에 스핀코팅된 고분자 소재의 레지스터 표면에 눌러 나노구조물을 반복적으로 전사하는 기술이다.
본 발명에 따른 나노구조 광학필름(30)은 나노임트린트 리소그래피방법 및 롤투롤 프로세스를 이용하며 대면적으로 제작할 수 있으며, 대면적의 태양전지 모듈 또는 태양광발전소 설치에도 적용하여 장시간 노출 시 전위차에 의해 태양전지 모듈에서 광효율이 저하되는 문제점을 억제할 수 있다.
다음 단계에서는 제조된 나노구조의 광학필름(30)을 적용하여 태양전지 모듈(100)을 제작한다.
도 1에 도시된 바와 같이, S60 단계에서는 아래에서부터 백시트(90), 후면 나노구조 광학필름(30b), 후면 봉지재(50b), 태양전지(70), 전면 봉지재(50a), 전면 나노구조 광학필름(30a), 커버글라스(10) 순으로 재료를 적층한다.
여기서, 후면 나노구조 광학필름(30b)은 백시트(90)와 후면 봉지재(50b) 사이에 위치하며, 나노구조의 돌기(38)가 후면 봉지재(50b)를 향한다.
그리고 전면 나노구조 광학필름(30a)은 커버글라스(10)와 전면 봉지재(50a) 사이에 위치하며, 나노구조의 돌기(38)가 전면 봉지재(50a)를 향한다.
마지막으로 S60 단계에서는 적층된 재료를 열 및 압력을 가하여 접착하여 태양전지 모듈(100)을 제조한다.
이때, 라미네이션(Lamination) 공정을 통해 150℃의 공정온도 조건에서 적층된 재료에 압력을 가해 접착할 수 있다.
<제2 실시예>
한편 제1 실시예에서는 태양전지 모듈(100)에서 나노구조 광학필름(30a, 30b)을 양면에 부착한 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 8에 도시된 바와 같이, 태양전지 모듈에서 나노구조 광학필름(30a, 30b)은 한면에만 부착된 형태일 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈을 개략적으로 나타낸 도면이다. 그리고 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법을 나타내는 플로우 차트이다.
도 8 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 태양전지 모듈(200)은 백시트(90), 후면 봉지재(50b), 태양전지(70), 전면 봉지재(50a), 전면 나노구조 광학필름(30a) 및 커버글라스(10)를 포함한다.
태양전지 모듈(200)은 아래서부터 백시트(90), 후면 봉지재(50b), 태양전지(70), 전면 봉지재(50a), 전면 나노구조 광학필름(30a) 및 커버글라스(10)가 순서대로 적층된 구조이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 나노구조 광학필름(30a)을 이용한 태양전지 모듈(200)의 제조방법은 나노구조의 몰드를 베이스 필름 위에 위치시킨 후, 나노입자를 포함하는 수지를 도포하는 단계(S100), 수지 위에 광학필름(37)을 위치시키는 단계(S200), 광학필름(37) 상면을 열 및 압력을 가하면서 수지에 자외선을 조사하는 단계(S300), 수지를 경화시켜 광학필름(37) 위에 나노구조의 돌기(38)를 형성시키는 단계(S400), 몰드 및 베이스 필름으로부터 광학필름(37)을 분리하여 나노구조의 돌기(38)가 형성된 나노구조 광학필름(30a)을 제조하는 단계(S500), 백시트(90), 후면 봉지재(50b), 태양전지(70), 전면 봉지재(50a), 전면 나노구조 광학필름(30a), 커버글라스(10) 순으로 재료를 적층하는 단계(S600) 및 적층된 재료를 열 및 압력을 가하여 접착하는 단계(S700)를 포함한다.
이와 같은 제2 실시예에 따른 태양전지 모듈(200)의 제조방법은 S600 단계를 제외하면 제1 실시예에 따른 태양전지 모듈의 제조방법과 동일하게 진행될 수 있다.
S600 단계에서는 아래에서부터 백시트(90), 후면 봉지재(50b), 태양전지(70), 전면 봉지재(50a), 전면 나노구조 광학필름(30a), 커버글라스(10) 순으로 재료를 적층한다.
여기서 전면 나노구조 광학필름(30a)은 커버글라스(10)와 전면 봉지재(50a) 사이에 위치하며, 나노구조의 돌기(38)가 전면 봉지재(50a)를 향하게 한다.
이하 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름 및 광학필름의 투과도 및 반사도를 비교하여 더욱 상세히 설명하도록 한다,
본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름의 성능을 비교하기 위해 나노구조 광학필름 및 광학필름의 샘플을 각각 만들어 성능을 분석하였다.
<실험예 1>
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름의 투과도 및 반사도 의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9의 그래프를 참조하면, 측정된 투과도 및 반사도는 나노구조 돌기가 적용되지 않은 광학필름은 Bare로 하며, 나노임프린트 리소그래피를 하기 위해 제작한 나노구조 돌기가 형성된 몰드는 Moth_front로 하며, 나노구조 돌기가 적용된 나노구조 광학필름은 Replica_front하여 그래프로 나타내었다.
측정된 투과도 및 반사도에 분석결과에 따르면 (A)에 도시된 바와 같이, 나노구조 광학필름은 투과도가 광학필름의 투과도에 비해 4~5% 향상되었으며, (B)에 도시된 바와 같이, 나노구조 광학필름은 반사도가 광학필름의 투과도에 비해 4~5% 감소되었다.
따라서 나노구조의 돌기는 투과된 빛을 산란 및 확산시켜 입사광의 투과율을 향상되는 동시에 흡수되는 광량은 증가시킬 수 있다.
다음은 본 발명의 제1 실시예에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈에 따른 성능을 광학필름과 비교하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지 모듈의 성능을 비교하기 위해 나노구조 광학필름 및 광학필름을 적용한 태양전지 모듈 샘플을 각각 만들어 성능을 분석하였다.
나노구조의 돌기가 적용되지 않은 광학필름을 커버글라스와 전면 봉지재 사이에 삽입하고 백시트와 후면 봉지재 사이에 삽입하여 라미네이션(Lamination) 공정을 통해 150℃의 공정온도 조건에서 압력을 가하여 접착하여 1-Cell의 광학필름 태양전지 모듈(a)을 제작하였다.
이와 같은 방법으로 나노구조의 돌기가 적용된 나노구조 광학필름을 전면 봉지재 사이에 삽입하고 백시트와 후면 봉지재 사이에 삽입하여 라미네이션(Lamination) 공정을 통해 150℃의 공정온도 조건에서 압력을 가하여 접착하여 1-Cell의 나노구조 광학필름 태양전지 모듈(b)을 제작하였다.
<실험예 2>
광학필름 태양전지 모듈(a) 및 나노구조 광학필름 태양전지 모듈(b)는 McScience사의 Solar Simulator를 통해 태양광과 동일한 환경인 1 Sun (AM 1.5G)의 빛을 조사한 환경에서 변환 효율을 측정하였다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 태양전지 모듈의 변환효율 결과를 나타낸 그래프이다. 그리고 표 1은 나노구조 광학필름 적용 유무에 따른 변환효율의 구성표를 나타낸 것이다.
Figure 112020096530717-pat00001
도 10의 (B)에 도시된 바와 같이, 나노구조필름을 미적용한 광학필름 태양전지 모듈(a)은 단락전류밀도가 17.66 mA/cm2이며, 나노구조필름을 적용한 나노구조 광학필름 태양전지 모듈(b)은 단락전류밀도(Short-circuit current, Jsc)가 18.19 mA/cm2이다.
표 1에서 확인되는 바와 같이, 나노구조 광학필름 태양전지 모듈(b)은 광학필름 태양전지 모듈(a)에 비해 단락전류밀도가 0.5mA/cm2 향상되었다. 이로 인해 태양전지 모듈의 변환효율(Conversion Efficiency)은 17.68%에서 18.12%로 0.5% 향상되었다.
따라서 태양전지 모듈은 나노구조 광학필름을 적용함으로써, 변환효율이 개선되었다.
<실험예 3>
다음으로 광학필름 태양전지 모듈(a) 및 나노구조 광학필름 태양전지 모듈(b)을 각각 5cm×5cm 크기로 제작하였다. 제작된 모듈은 IEC 62804 규격에 근거한 Damp-heat 챔버에서 태양전지와 알루미늄 프레임 사이에 전압 ±1000V를 인가하고 60℃온도, 85% 상대습도의 환경을 유지하며 96시간 동안 셀단위 PID 테스트를 각각 시행하여 초기 대비 Light I-V 및 Dark I-V 변화율을 측정하였다.
도 11은 본 발명의 제1 실시예에 따른 태양전지 모듈의 PID 테스트 결과를 나타낸 그래프이다. 그리고 표 2는 나노구조 광학필름 적용 유무에 따른 구성표를 나타낸 것이다.
Figure 112020096530717-pat00002
도 11의 (A) 및 표 2에서 확인되는 바와 같이, Light I-V를 그래프를 통해 변환효율을 확인할 수 있다.
Light I-V를 측정한 나노구조필름을 미적용한 광학필름 태양전지 모듈(a)은 96시간 PID 시험 이후 변환효율이 파란색 선과 같이 분석되었으며, 변환효율이 13.44%로 초기 효율 대비 6.32% 감소하였다.
Light I-V를 측정한 나노구조필름을 적용한 나노구조 광학필름 태양전지 모듈(b)은 96시간 PID 시험 이후 변환효율이 빨간색 선과 같이 분석되었으며, 변환효율이 19.16%로 초기 효율 대비 0.6%만 감소하였다.
다음은 도 11의 (B) 및 표 2에서 확인되는 바와 같이, Dark I-V 측정 그래프를 통해 태양전지 내 누설전류를 의미하는 Shunt resistance를 확인할 수 있다.
나노구조필름을 미적용한 광학필름 태양전지 모듈(a)은 96시간 PID 시험 이후 파란색 선과 같이 초기 전류 대비 1.00×E-0.4 증가하였으며, 나노구조필름을 적용한 나노구조 광학필름 태양전지 모듈(b)은 96시간 PID 시험 이후 빨간색 선과 같이 초기 전류 대비 초기 전류 대비 1.00×E-0.15만 증가됨을 확인할 수 있다.
따라서 나노구조 광학필름 태양전지 모듈(b)은 커버글라스로 인한 태양 입사광의 광학적 손실을 보완하고 태양전지에 도달하는 광량을 증가시킴으로써 태양전지 셀의 광흡수량이 증가되어 단락전류를 감소시킬 수 있다.
또한 태양전지 모듈은 나노구조 광학필름을 적용함으로써, 태양전지의 전위유도열화(PID) 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
즉 본 발명에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈에 의하면, 태양전지 모듈에서 커버글라스와 봉지재 사이에 나노구조 광학필름을 삽입된 구조를 가짐으로써, 커버글라스에서 방출되는 Na+의 이동을 억제하고, 입사하는 빛의 광학적 손실을 보상하여 태양전지의 변환효율(Eff) 및 최대출력(Pmax) 증가시키면서 전위유도열화(PID) 현상이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈은 나노구조 광학필름이 태양전지 모듈에 추가적으로 삽입되는 구조로써, 기존 태양전지 모듈 구성요소(커버글라스, 봉지재, 태양전지, 백시트)를 그대로 이용 가능하다. 이로 인해 원가가 절감되어 균등화발전비용(LCOE)의 저감을 이룰 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
10 : 커버글라스
30, 30a, 30b : 나노구조 광학필름
31 : 베이스 필름
33 : 몰드
34, 38 : 나노구조의 돌기
35 : 나노입자
36 : 수지
37 : 광학필름
39 : 자외선 램프
50a, 50b : 봉지재
70 : 태양전지
90 : 백시트
100, 200 : 태양전지 모듈

Claims (16)

  1. 백시트;
    상기 백시트 위에 부착되는 후면 나노구조 광학필름;
    상기 후면 나노구조 광학필름 위에 부착되는 후면 봉지재;
    상기 후면 봉지재 위에 부착되는 태양전지;
    상기 태양전지 위에 부착되는 전면 봉지재;
    상기 전면 봉지재 위에 부착되는 전면 나노구조 광학필름; 및
    상기 전면 나노구조 광학필름 위에 부착되는 커버글라스;를 포함하며,
    상기 전면 및 후면 나노구조 광학필름은,
    광학필름 위에 나노입자를 포함하는 수지를 경화시켜 상기 나노입자가 포함된 나노구조의 돌기를 형성하여 일정하게 배치되고, 상기 나노구조의 돌기가 각각 상기 전면 및 후면 봉지재를 향하게 부착되며,
    상기 광학필름은, 폴리에스터(Polyester), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에테르설폰(polyethersulfone) 및 트리아세틸셀룰로오스(Triacetyl cellulose) 중 적어도 하나를 포함하며,
    상기 나노입자는, TiO2 및 Al2O3 중 적어도 하나의 물질을 포함하며,
    상기 수지는, dipentaerythritol hexaacrylate를 포함하는 자외선 경화성 수지인 것을 특징으로 하는
    나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전면 및 후면 나노구조 광학필름은,
    상기 광학필름 대비 투과도가 4~5% 향상되며, 반사도가 4~5% 감소되는 것을 특징으로 하는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 나노입자는 입자크기가 20 내지 21nm인 것을 특징으로 하는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수지는 280 내지 320nm 파장의 자외선을 흡수하는 것을 특징으로 하는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조의 돌기는 200 내지 400nm 너비 및 400 내지 600 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 나노구조의 돌기는 원뿔 형상의 모스아이(Moth-eye) 구조인 것을 특징으로 하는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈.
  12. 백시트, 후면 나노구조 광학필름, 후면 봉지재, 태양전지, 전면 봉지재, 전면 나노구조 광학필름, 커버글라스 순으로 재료를 적층하는 단계; 및
    상기 적층된 재료를 열 및 압력을 가하여 접착하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 재료를 적층하는 단계 이전에 수행되는,
    나노구조의 몰드를 베이스 필름 위에 위치시킨 후, 나노입자를 포함하는 수지를 도포하는 단계;
    상기 수지 위에 광학필름을 위치시키는 단계;
    상기 광학필름 상면을 열 및 압력을 가하면서 상기 수지에 자외선을 조사하며, 상기 수지를 경화시켜 상기 광학필름 위에 나노구조의 돌기를 형성시키는 단계; 및
    상기 몰드 및 베이스 필름으로부터 상기 광학필름을 분리하여 상기 나노구조의 돌기가 형성된 나노구조 광학필름을 제조하는 단계;
    를 더 포함하는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 나노입자를 포함하는 수지를 도포하는 단계는,
    상기 수지 및 상기 나노입자를 74~83 : 17~26의 중량비로 혼합하여 도포하는 것을 특징으로 하는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 몰드는,
    PDMS(poly dimethyl siloxane)를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 베이스 필름은,
    PET(poly ethylene terephthalate), PVC(poly vinyl chloride) 및 PMMA(poly methyl methacrylate) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노구조 광학필름을 이용한 태양전지 모듈의 제조방법.
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