KR101307015B1 - 고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막 구조 - Google Patents
고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막 구조 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 결정질 태양전지 고투과 열차폐 커버 글라스 제조에 관한 것이다. 본 발명에 있어 고투과 코팅 소재와 열차폐 코팅 소재를 습식 코팅 가능한 조성물을 제조하여 스퍼터링 방식으로 제조되는 열차폐 글라스 보다 생산 비용을 줄여 보다 많은 시장성을 확보 하고 특히 일사량은 풍부하지만 높은 열에너지로 인해 태양전지 효율이 저하되는 사막 지역에사용이 유리한 고투과 열차폐 커버 글라스를 제공한다.아울러, 현재 건축물에 사용되는 로이유리의 경우, 단순한 열차폐 기능을 제공하지만, 열차폐 코팅으로 인하여 가시광선 투과율도 저하가 되는 문제점이 있다, 때문에 본 발명에서는 태양전지 글라스용으로 태양전지에 입사되는 광 에너지가 전기에너지로 효율적으로 변환되기 위하여 1세대 태양전지 발전에 사용되는 가시광선의 투과율을 상승시키고, 또한 1세대 태양전지의 온도가 태양광의 적외선으로 인하여 상승 되는 것을 방지하기 위해 적외선 영역의 광원을 차폐하여, 최종적으로 태양전지의 발전 효율을 더 상승시키고자 한다.
Description
본 발명은 고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막 제조방법에 관한 것으로서 태양광 커버 글라스에 고투과 열차폐 코팅 도막 설계를 통하여 태양에너지 중 태양광 발전에 필요한 파장은 반사방지를 통하여 고투과를 구현하고, 태양광 발전 효율을 저하시키는 열에너지 파장은 차단하여, 궁극적으로 태양광 발전 효율을 향상 시킬 수 있는 고투과 열차폐 코팅 글라스에 관한 것이다.
본 발명은 고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막 제조방법에 관한 것이다. 우리가 살아가고 있는 이 시대에서 가장 중요하고 세계적으로 큰 관심사가 에너지 관련된것으로서 지금까지 산업 구조 및 에너지를 보면 화석에너지 시대라고 이야기 할 수 있다. 하지만 화석에너지는 환경오염과 언젠가는 고갈될 수밖에 없는 유한한 에너지라는 점에서 점점 가격이 상승되고 있어 세계의 각 국에서는 대체 에너지에 대한 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다. 화석에너지의 대체 에너지로 무공해 무한정 에너지가 세계적으로 각광을 받고 있는데 그 중에 많은 연구와 개발 그리고 대체 에너지로 급부상하고 있는 것이 바로 태양에너지 인데 태양에너지는 세계 어느 곳에서도 쉽게 얻을 수 있으며, 평균적으로 하루에 절반은 태양에너지가 지표면에 도달하고 있으므로 태양광 발전을 하는데 있어서 발전시간이 길다는 장점이 있다.그러나 태양에너지를 전기에너지로 바꾸는 태양전지 모듈은 결정질 태양전지 모듈을 실리콘 웨이퍼를 사용하고 있다. 태양에너지를 전기에너지로 바꾸는 과정에서 실리콘 웨이퍼의 온도가 상승되고 결국 모듈 전체의 온도가 시간이 지나면서 온도가 상승되고 이로 인하여 출력저하로 인해 효율 감소가 발생하게 된다.
이러한 이유로 온도 상승으로 인한 모듈 내부온도가 특정 온도 이상이 되면 전기 발생이 감소되는 문제로 인해 하루에 많은 조사량으로 태양전지에 발전을 해도 실제적으로 전기에너지를 생산하는 시간은 5시간 미만으로 한정되어 있다. 그리고 태양전지 모듈 내부 온도 상승은 효율 저하 측면이외에 태양전지 모듈의 수명을 저하시키는 요인으로 태양전지 온도 상승이라는 문제는 꼭 해결이 되어야하는 부분이다.
이처럼 태양전지의 온도 상승으로 인해 태양광 발전의 효율이 감소하기 때문에 태양전지 효율이 감소되는 것을 해결하기 위해 현재 태양전지 모듈 내부의 온도 상승 억제를 위하여 다양한 방법이 연구되고 있으며 그중에는 모듈 표면에 수냉식 냉각기를 설치하여 태양전지의 온도를 감소시키는 방법과 모듈 내부에 방열시트를 적용하는 방법이 있다.
대한민국 특허 출원 제10-2007-7028960호 '저태양열 획득 계수, 향상된 화학적 및 기계적 특성을 갖는저방사율 코팅 및 이의 제조 방법'은 하나이상의 흡수층을 포함하는 저방사율 적층구조를 제공한다.
그러나 이와 같은 구성, 방법들은 태양전지 시스템 분야에서 복잡한 구조를 가지며 부가적으로 추가비용이 발생되어 운영자 측면에서 바람직하지 못한 방법 이다. 이러한 구조적인 문제와 추가 비용 발생 문제를 해결하기 위하여 선진국에서는 태양전지 모둘의 최외각 glass에 열차단 도막을 형성하는 제품이 출시되고 있으나 도막 형성을 증착 방식으로 하고 있어 glass의 가격이 고가로 형성되는 단점이 있다.
또한, 위에서 설명한 내용과 관련된 등록 특허 10-0943969[태양광 발전 시스템의 열차단 및 광안정 장치]를 보면 열차단 렌즈를 통해 열에너지를 차단하고 광안정 필터를 통해 태양광을 균일하게 분포시키는 광안정 장치 패키지 형태로 이루워져, 추가 설비가 필요하고 그 구조역시 단순하지 못한 부분이 있다.
그리고 공개특허 10-2005-0043887[열선차단 조성물, 이를 이용한 열선차단 피막 및 이들의 제조 방법]과 공개특허 10-2012-0032697[아미노실란을 이용한 수계 자외선 및 적외선 차단 코팅제 및 이를 사용하여 제조된 코팅막]등 두 가지 특허를 보면 우수한 열차단 효과와 가시광 영역에서 높은 투과율을 나타내는 제조 방법으로 출원이 되었다. 하지만 그 내용을 보면 적외선 영역에서의 열차단 효과는 그래프나 수치상으로 우수하지만 가시광 영역에서의 투과율은 코팅이 안된 태양전지 커버 글라스 투과율 보다 낮은 투과율을 나타내고 있다. 건축용, 차량용, 기타 열차단이 필요한 제품에 대해서는 사용이 가능하지만 태양전지에 사용하기엔 부족한 부분이 있다.
본발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된것으로서, 태양전지 커버 글라스 상부 면에 태양열을 차단하는 열차단 도막을 습식 방식으로 형성하고 그 위에 고투과 코팅 도막을 습식으로 형성하여 추가 설비가 필요하지 않고 기존의 태양전지 커버 글라스 형태와 동일한 태양전지용 열차단 글라스를 개발하여 태양광 발전 시간과 효율을 높이는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 일사량이 풍부한 사막지역에 고투과 열차폐 글라스를 커버 글라스로 사용하는 태양전지 모듈을 설치하여 사막 같은 극한 지역에서 모듈의 내부 온도가 60도 이상 상승되는 문제점을 해결하여 모듈의 수명을 연장시키고 태양광 발전 효율도 향상 시키는 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은, 태양광을 전기 에너지로 변환하는 과정에서 태양광 발전에 있어 효율 저하 요인인 적외선 영역 차폐를 통하여 태양전지 내부 온도 상승을 억제하여 태양광 모듈 수명 연장과 함께 태양전지 효율 상승을 높이는 태양전지 커버 글라스 장치를 제공한다.
이때, 커버 글라스에 1layer 열차폐 코팅 도막 층을 형성하고, 2layer 고투과 코팅 도막 층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
특히 고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막구조는
상기 도막구조는 태양전지용 커버글라스 위쪽으로 열차폐코팅도막과 고투과 코팅도막이 차례로 형성되는데 상기 고투과 코팅도막은 가시광선 영역 광파장대의 투과율을 상승시키고 상기 열차폐 코팅막은 적외선 영역의 열에너지를 차단하며
파장은 380~1100nm대의 광을 통과시키도록 하는것을 특징으로 하는것일 수있다.
상기 태양전지용 커버 글라스는 저철분 글라스일 수 있다.
상기 태양광 발전에 사용되는 빛의 파장 중 1100nm 이상대의 광 투과를 차폐하기 위한 열차폐 코팅막 구조를 구현하기 위해서 열차폐 필러로 Graphene, CNT、ITO, ATO, AZO, FTO,중 적어도 하나를 선택하고 또한, 필러의 부착력 향상을 위한 바인더 수지로서 고굴절 수지인 TTIP(Titanium isopropoxide), Titanium Butoxide 중 적어도 하나를 선택하고 열차폐 필러의 분산을 위해 BYK사의 습윤 분산제중 적어도 하나를 선택하여 열차폐코팅 도막을 형성한 것일 수 있다.
열차폐 필러로 인한 열 흡수된 에너지를 다시 외부로 방출 할 수 있도록 수 방사체 AlN, Al2O3, BN, MgO 중 적어도 하나가 상기 열차폐 코팅도막에 포함되는 것일 수 있다.
상기 고투과 코팅도막은 알루미늄 알콕사이드, 실리카 졸, 표면 개질 계면 활성제, 유무기 합성 바인더를 포함하는 것일 수 있다.
상기 열차폐 코팅도막을 형성하기 위한 조성물 중에서 열차폐 필러의 특성을 유지하기 위한 금속 성분의 바인더를 졸-겔 합성으로 제조하는데 알코올 100중량부 대비 고굴절 수지 5~20 중량부를 합성하는단계, 반응성을 높이기 위한 산성 촉매의 투입 단계,이후 코팅액의 안정성 확보를 위한 chelating agent 투입단계 코팅 면성 개선과 상부 고투과 코팅의 인쇄적성을 위한 양이온 첨가제 0.1~3중량부를 혼합하는 단계를 차례로 수행하는 것일 수 있다.
열차폐 필러와 열방사 필러를 바인더에 투입하기 전에 바인더와의 엉김 방지를 위한 분산매와 분산 안정제에 혼합하는 것일 수 있다.
알루미늄 알콕사이드 (Aluminum Alkoxide)와 졸-겔 반응 일으키는 응집 유도체를 투입한 후 수십에서 수백 나노 크기의 입자를 생성하는 단계와, 분산 안정제를 투입 한 후 제조된 졸을 이용하여 재차 졸-겔 반응화하는 단계를 거친 것일 수 있다.
상기 졸-겔반응에서 실리카 졸 100중량부 대비 알루미나 졸 20~30중량부를 혼합하는 것일 수 있다.
고투과 코팅액의 pH는 산성분위기로 변화는 단계를 포함하며, 산성 실리카 분산 졸을 10~30 중량부를 혼합하는 단계를 더 포함하여 코팅액을 제조하는 것일 수 있다.
상기한 바와 같은 발명에 의하여 양열을 차단하는 열차단 도막을 습식 방식으로 형성하고 그 위에 고투과 코팅 도막을 습식으로 형성하여 추가 설비가 필요하지 않고 기존의 태양전지 커버 글라스 형태와 동일한 태양전지용 열차단 글라스를 개발하여 태양광 발전 시간과 효율을 높이는 효과를 가지며 일사량이 풍부한 사막지역에 고투과 열차폐 글라스를 커버 글라스로 사용하는 태양전지 모듈을 설치하여 사막 같은 극한 지역에서 모듈의 내부 온도가 60도 이상 상승되는 문제점을 해결하여 모듈의 수명을 연장시키고 태양광 발전 효율도 향상 시키는 효과를 갖는다.
도1은 본 발명에 따른 효과를 도시하는 그래프
도2는 본 발명에 따른 도막구조를 도시하는 도면
도2는 본 발명에 따른 도막구조를 도시하는 도면
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도2는 본 발명에 따른 커버글라스의 구조를 도시하는데 본 발명에 따른 커버글라스는 그 위쪽으로 열차폐코팅도막과 고투과 코팅도막이 형성되어 있는데 본 발명은 고투과 열차폐 코팅 글라스를 제조함에 있어서, 두가지 다른 특성을 가진 코팅 소재를 사용하여 고투과 열차폐를 구현하기 위한 코팅 도막 설계가 필요하다.
또한, 열차폐 층을 스퍼터링 방식이 아닌 습식 코팅으로 박막을 구현하기 위해서는 열차폐 소재로 사용되는 Metal oxide 계열의 미립자를 태양전지 커버 글라스에의 부착력을 부여하기 위해 바인더와 혼합을 하여 2layer 코팅시 고투과 코팅 도막에 의해 침식, 벗겨짐 등 도막이 손상되는 것을 방지하여 태양광으로부터 오는 적외선 파장을 차단하는데 문제가 없도록 부착력을 확보하였다.
그러나 2layer 코팅 도막형성을 위해서는 하부의 열차폐 코팅 도막의 균일성 (uniformity)이 확보가 되어야 상부의 고투과 코팅 소재 코팅 후 안정적인 광 투과를 확보할 수 있으나, 하부의 열차폐 코팅 도막의 안정적인 균일성 (uniformity)을 구현하기 위하여는 wetting agent의 사용이 추천되어 왔다, 그러나, wetting agent 의 사용시 상부 고투막과의 부착력이 저하되거나, 상부층의 인쇄적성이 구현이 되지 않는 문제점이 있는바, 이를 세티트리메틸암모늄 클로라이드(Cetytrimethylammonium chloride) 로 개선을 하였으며, 본 wetting agent의 사용에 의한 인쇄 적성 구현과 상부 고투과층의 부착력이 저하되지 현상을 개선하였다.
또한, 열차폐 코팅 도막으로 인해 투과율이 저하된 부분을 구형의 알루미늄 알콕사이드(Aluminum Alkoxide)를 이용한 졸-겔 합성 방법으로 입자 사이즈를 수십에서 수백나노 사이즈로 성장시켜, 이후 산 촉매를 이용한 합성을 하여 최 상부 도막의 표면의 강도를 높이고 하부 코팅 도막과의 부착력이 향상 될 수 있도록 개선하였으며, 하부 열차폐 필러와 열방사 필러의 열 차폐, 열 방출 메카니즘이 상부 고투과 코팅막의 알루미늄 알콕사이드에서 공기중으로 방출이 될 수 있도록 설계를 하였으며, 또한, 유기실란 바인더를 사용하여 제조된 반사방지 코팅액으로 2layer 코팅 도막을 형성하여 열차폐 코팅 소재로 인하여 투과율이 저하되는 부분을 개선하였다.
실시예 1
열차단 코팅 소재 제조
쟈켓 반응기 온도를 25℃를 유지한 상태에서, 알코올 용매 300g에 TTIP(Titanium isopropoxide), Titanium Butoxide를 15~60g을 넣고 산성 분위기하에서 1~3시간 졸-겔 합성을 한 수지물 100g에 알코올에 분산된 졸 함량 10~30wt%, particle size 30±5nm 크기의 열차폐 필러(Graphene, CNT、ITO, ATO, AZO, FTO)를 5~30g을 투입하여 1시간 정도 교반한다. 그 후 열차폐 필러가 분산이 될 수 있도록 에스테르 계열의 BYK 분산제 (Disperbyk-170, Disperbyk-171, Disperbyk-174)를 투입하고, 소량의 열 방사체(AlN, Al2O3, BN, MgO)를 0.1~1g을 투입하고, 최종적으로 코팅 면성을 향상시키기 위한 Cetytrimethylammonium chloride (sigma aldrich사) 용액을 1g 추가로 투입 후 1시간 교반을 실시한다. 교반 후 알코올에 충분히 희석을 시켜 습식 코팅을 할 수 있도록 하여, 태양전지 커버 글라스 코팅하는 열차폐 코팅 소재를 제조하였다.
고투과 코팅 소재 제조
에틸 알코올 100g에 알루미늄 트리부톡사이드 (Aluminum tributoxide) 를 10g 투입 후 10~30분 합성을 진행하고, 이후 TMOS(Tetramethoxysilane) 20g와 TEOS(Tetraethoxyorthosilane) 80g을 순차적으로 투입후 10분~20분 합성을 진행하고 D.I. water 20g을 투입 후 상온에서 1시간 교반 후 HCl 1% 수용액 1g을 투입하고 1시간 교반을 추가로 한다. 이렇게 합성된 바인더에 Ludox 사의 수분산 실리카 졸(particle size 100±5nm) HSA 5g을 투입하여 추가적으로 1시간 상온 합성 후 에틸 알코올을 분산매로 하는 고투과 코팅 소재를 제조하였다.
코팅 도막 설계
태양전지 커버 글라스에서 1layer 열차폐 코팅 층의 도막 적정 두께는 30~120nm로 유지되어야 하며 습식 코팅 후에 건조 80~120℃ 10~30분 조건으로 도막을 형성한다. 이후, 최외각에 코팅되는 2layer 고투과 코팅을 할 때 최상의 투과율이 구현되기 위해서는 50~150nm의 두께로 코팅이 되어야 하며, 도막의 경도를 높이기 위하여 80~100℃ 1~10분 건조 후 200~300℃ 5~30분 경화를 시켜 도막을 형성시킨다. 열차폐 코팅 도막의 두께의 경우 두꺼워질수록 열차폐 성능은 향상이 되지만 120nm 이상의 두께에서는 투과율을 저하 시키는 요인이 발생되어 태양전지의 효율을 감소시키는 요인으로 작용될 수 있다.
실시예 2
상기 실시예1에서 제조된 코팅 용액을 20cm X 20cm, 40cm X 40cm 크기의 유리판에 롤 코팅 방법으로 습식 코팅하여 고투과 열차폐 코팅 유리를 제조하였다.
실험예
상기 실시예2에서 제조된 고투과 열차폐 코팅 유리에 대해 UV-VIS-NIR
Spectrophotometer(U-4100 HITACHI)를 이용하여 태양전지 효율에 관련된
파장 380~1100nm 투과율 측정, 열차폐 1500nm 파장을 측정한 결과를 표1에 나타내었다.
| 샘 플 명 | 380~1100nm투과율(%) | 1500nm 적외선 차단율(%) | |
| No.1 | Bare Glass | 88.6% | 88.6% |
| No.2 | 고투과 열차폐 코팅 유리 1 | 94.0% | 69.9% |
| No.3 | 고투과 열차폐 코팅 유리 2 | 92.8% | 60.2% |
상기 결과를 보면 실시예 1에서 제조된 고투과 열차폐 코팅 소재를 이용해 코팅한 결과 코팅이 안된 유리에 비해 투과율 및 열차폐 특성이 우수하게 측정되었으며, 열차폐 코팅 도막을 습식 코팅으로 코팅이 가능한 소재를 제조할 수 있다는 점에서 제품 양산시 가격을 절감할 수 있다고 보여진다.
Claims (10)
- 고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막구조로서,
상기 도막구조는 태양전지용 커버글라스 위쪽으로 열차폐코팅도막과 고투과 코팅도막이 차례로 형성되는데
상기 고투과 코팅도막은 가시광선 영역 광파장대의 투과율을 상승시키고
상기 열차폐 코팅막은 적외선 영역의 열에너지를 차단하며
파장은 380~1100nm대의 광을 통과시키도록 하며
상기 태양전지용 커버 글라스는 저철분 글라스이며
태양광 발전에 사용되는 빛의 파장 중 1100nm 이상대의 광 투과를 차폐하기 위한 열차폐 코팅막 구조를 구현하기 위해서 열차폐 필러로 Graphene, CNT、ITO, ATO, AZO, FTO,중 적어도 하나를 선택하고
또한, 필러의 부착력 향상을 위한 바인더 수지로서 고굴절 수지인 TTIP(Titanium isopropoxide), Titanium Butoxide 중 적어도 하나를 선택하고
열차폐 필러의 분산을 위해 BYK사의 습윤 분산제중 적어도 하나를 선택하여 열차폐코팅 도막을 형성한 것을 특징으로 하는, 고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막구조
- 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
열차폐 필러로 인한 열 흡수된 에너지를 다시 외부로 방출 할 수 있도록 수 방사체 AlN, Al2O3, BN, MgO 중 적어도 하나가 상기 열차폐 코팅도막에 포함되는 것을 특징으로 하는, 고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막구조 - 제 1항에 있어서,
상기 고투과 코팅도막은 알루미늄 알콕사이드, 실리카 졸, 표면 개질 계면 활성제, 유무기 합성 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막구조
- 제 1항에 있어서,
상기 열차폐 코팅도막을 형성하기 위한 조성물 중에서 열차폐 필러의 특성을 유지하기 위한 금속 성분의 바인더를 졸-겔 합성으로 제조하는데
알코올 100중량부 대비 고굴절 수지 5~20 중량부를 합성하는단계,
반응성을 높이기 위한 산성 촉매의 투입 단계,
이후 코팅액의 안정성 확보를 위한 chelating agent 투입단계
코팅 면성 개선과 상부 고투과 코팅의 인쇄적성을 위한 양이온 첨가제 0.1~3중량부를 혼합하는 단계를 차례로 수행하는 것을 특징으로 하는, 고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막구조
- 제 1항과 5항중 어느 한 항에 있어서,
열차폐 필러와 열방사 필러를 바인더에 투입하기 전에 바인더와의 엉김 방지를 위한 분산매와 분산 안정제에 혼합하는 것을 특징으로 하는, 고투과 열차폐 조성물을 이용한 태양전지용 커버 글라스 도막구조
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| KR20230070736A (ko) * | 2021-11-15 | 2023-05-23 | 한국광기술원 | Bipv 컬러 필름 및 그의 제조방법 |
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| KR20100008558A (ko) * | 2008-07-16 | 2010-01-26 | 삼성코닝정밀유리 주식회사 | 적외선 차단막을 구비한 태양전지 |
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