KR20150143336A - 태양전지 모듈의 후면 반사용 다층코팅 기판 및 그 제조방법 - Google Patents

태양전지 모듈의 후면 반사용 다층코팅 기판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양전지 모듈의 후면 반사용 다층코팅 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 투명 기판 상에 순서대로 반사층 및 절연성 보호층이 적층된 구조를 가지며, 태양전지 모듈(특히 Glass to Glass 타입의 태양전지 모듈)의 후면 반사용 기재로 사용시, 기계적 강도가 우수하여 긁힘이나 외부 충격에 의한 반사층의 손상을 방지할 수 있고, 내구성이 탁월하여 고온사막지역 등의 가혹한 환경에서도 태양광 반사율을 우수하게 유지할 수 있기 때문에 태양전지 모듈의 수명을 보장할 수 있고, 동시에 절연 기능을 발휘하기 때문에 태양전지 모듈의 누설전류 증가로 인하여 모듈의 출력이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 다층코팅 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

태양전지 모듈의 후면 반사용 다층코팅 기판 및 그 제조방법{Multilayer coated substrate for rear surface reflection of photovoltaic module and method for manufacturing the same}
본 발명은 태양전지 모듈의 후면 반사용 다층코팅 기판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 투명 기판 상에 순서대로 반사층 및 절연성 보호층이 적층된 구조를 가지며, 태양전지 모듈(특히 Glass to Glass 타입의 태양전지 모듈)의 후면 반사용 기재로 사용시, 기계적 강도가 우수하여 긁힘이나 외부 충격에 의한 반사층의 손상을 방지할 수 있고, 내구성이 탁월하여 고온사막지역 등의 가혹한 환경에서도 태양광 반사율을 우수하게 유지할 수 있기 때문에 태양전지 모듈의 수명을 보장할 수 있고, 동시에 절연 기능을 발휘하기 때문에 태양전지 모듈의 누설전류 증가로 인하여 모듈의 출력이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 다층코팅 기판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적인 태양전지 모듈은 태양광이 입사하는 순서대로 전면유리와 접합필름, 태양전지, 접합필름, 및 고분자 수지 계열 백시트(backsheet)를 합쳐서 방수 처리한 형태로 이루어진다.
그런데 후면기재로서 백시트를 사용하면 모듈의 강도가 약해지고, 특히 고온지역에서는 열에 취약하여 황변 현상이 발생하며, 사막지역 등에서는 모래폭풍에 의한 백시트의 마모와 모듈의 변형이 야기되는 등, 고온사막지역과 같은 가혹한 환경에 설치되는 태양전지 모듈에 있어서 특히 심각한 문제점이 있다. 따라서, 최근에는 백시트 대신 유리를 후면기재로 사용하는 Glass to Glass 타입의 모듈이 도입되고 있다.
그러나 이러한 Glass to Glass 타입의 태양전지 모듈에서는, 전면유리에서 태양전지로 직접 입사되는 태양광만 발전에 기여하고 태양전지 각 셀의 사이와 태양전지가 없는 모듈의 가장자리 부분에 입사되는 태양광은 사라지게 되므로, 광 손실율이 높아져 에너지의 낭비가 심하고 실제로 생산되는 전기량이 적어 발전효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한 지면으로부터 반사되는 복사열에 의해 태양전지 모듈의 온도가 상승하여 모듈의 출력이 저하되고 수명이 단축되는 문제점도 존재한다.
최근에는 유리 등의 후면기재에 미러(mirror)층 혹은 반사층을 증착 또는 형성하여 모듈 내부에 적용하는 구조가 제안된 바 있다(예컨대, 대한민국공개특허 제10-2012-0025733호 및 대한민국등록특허 제10-1077579호). 그러나, 이들 특허문헌들에 소개된 코팅 후면기재들은 기계적 강도 및 내구성이 여전히 부족하여, 고온사막지역 등의 가혹한 환경에 설치될 태양전지 모듈에 사용하기에는 적합하지 않고, 사용시에는 태양전지 모듈의 수명을 단축시킬 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 한 것으로, 태양전지 모듈(특히 Glass to Glass 타입의 태양전지 모듈)의 후면 반사용 기재로 사용시, 기계적 강도가 우수하여 긁힘이나 외부 충격에 의한 반사층의 손상을 방지할 수 있고, 내구성이 탁월하여 고온사막지역 등의 가혹한 환경에서도 태양광 반사율을 우수하게 유지할 수 있기 때문에 태양전지 모듈의 수명을 보장할 수 있고, 동시에 절연 기능을 발휘하기 때문에 태양전지 모듈의 누설전류 증가로 인하여 모듈의 출력이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는 다층코팅 기판 및 그 제조방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하고자 본 발명은, (1) 투명 기판; (2) 상기 투명 기판 상에 형성된 반사 금속층; 및 (3) 상기 반사 금속층 상에 형성되며, 규소-함유 산화물 또는 질화물을 함유하는 절연성 보호층;을 포함하며, 380~1100nm 파장대역에서의 광 반사율이 60% 이상이고, 1100~2500nm 파장대역에서의 광 반사율이 90% 이상인, 다층코팅 기판을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 투명 기판 상에 반사 금속층 및 절연성 보호층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하고, 여기에서, 상기 절연성 보호층이 규소-함유 산화물 또는 질화물을 함유하며, 제조된 다층코팅 기판의 380~1100nm 파장대역에서의 광 반사율이 60% 이상이고, 1100~2500nm 파장대역에서의 광 반사율이 90% 이상인, 다층코팅 기판의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 후면 반사용 기재로서 상기 본 발명의 다층코팅 기판을 구비한 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈이 제공된다.
본 발명의 다층코팅 기판을 태양전지 모듈의 후면 반사용 기재로서 사용하면, 기계적 강도 및 내구성, 특히 내스크래치성을 탁월하게 향상시킬 수 있고, 모듈 뒷면으로 조사되는 지열 및 태양광을 외부로 반사시킴으로써 모듈 내부의 온도상승을 억제하여 모듈의 수명저하를 막을 수 있어 고온사막지역 등의 가혹한 환경에서도 태양전지 모듈의 수명을 보장할 수 있고, 동시에 태양전지 모듈의 출력을 저하시키는 누설전류를 막아 태양전지 모듈의 출력을 증가시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 다층코팅 기판을 구비한 태양전지 모듈은 고온사막지역 등에 특히 적합하다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 태양전지 모듈의 구성에 대한 개략도이다.
이하에서 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 다층코팅 기판에 포함되는 투명기판으로는 유리 기판 또는 투명 플라스틱 기판과 같이 투명한 재질로서 그 표면 상에 본 발명에 따른 다층코팅이 형성될 수 있는 것이면 제한 없이 사용가능하며, 바람직하게는 유리 기판이 사용된다.
유리 기판의 경우 예컨대, 소다라임 유리와 같은 통상의 유리와 태양전지용 저철분 무늬유리(low-iron patterned glass), 저철분 판유리(low-iron float glass) 등을 제한 없이 사용할 수 있다. 또한, 필요에 따라 강화 또는 부분강화된 유리를 사용할 수도 있다.
투명 플라스틱 기판의 경우, 예를 들면, 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate), 폴리부틸렌 테레프탈레이트(polybutylene terephthalate), 폴리이미드(polyimide), 베이클라이트(bakelite) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 폴리머 재료로 이루어진 기판을 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 투명 기판의 두께에는 특별한 제한이 없으며, 사용목적에 따라 예컨대, 1mm~8mm, 보다 바람직하게는 2mm~4mm의 두께의 범위 내에서 자유롭게 선택될 수 있다.
본 발명의 다층코팅 기판에 있어서, 투명기판 상에 형성되는 반사 금속층에 포함되는 금속으로는 태양전지 모듈의 반사층에 통상 사용 가능한 금속, 예컨대, 알루미늄(aluminum, Al), 은(silver, Ag), 백금(platinum, Pt), 티타늄(titanium, Ti) 또는 이들의 조합을 들 수 있다. 바람직하게는, 상기 반사 금속층은 알루미늄(Al), 은(Ag) 또는 이들의 조합을 포함하는 금속층일 수 있으며, 알루미늄(Al) 층이 가장 바람직하다.
상기 반사 금속층은 1100~2500nm 파장대역에서 바람직하게는 90% 이상(예컨대 90~99%), 보다 바람직하게는 93% 이상(예컨대 93~99%, 보다 구체적으로는 93~98%)의 광 반사율을 나타낸다. 반사 금속층의 1100~2500nm 파장대역에서의 광 반사율이 90%에 못 미치면, 태양전지 모듈의 수명 저하 방지 효과 및 효율 향상 효과가 불충분할 수 있다.
상기 반사 금속층의 두께에는 특별한 제한이 없으며, 원하는 반사효과를 얻을 수 있는 범위 내에서 코팅 공정의 효율성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 반사 금속층의 두께는 바람직하게 20~200nm, 보다 바람직하게 30~150nm, 보다 더 바람직하게 30~100nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 반사 금속층의 두께가 상기보다 지나치게 얇으면 태양전지 모듈의 수명 저하 방지 효과 및 효율 향상 효과가 불충분할 수 있고, 반대로 지나치게 두꺼우면 코팅 공정의 효율이 낮아지고 경제성이 떨어질 수 있다.
본 발명의 다층코팅 기판에 있어서, 반사 금속층 상에 형성되는 절연성 보호층은 규소-함유 산화물 또는 질화물을 함유한다. 상기 규소-함유 산화물 또는 질화물은, 바람직하게는 질화규소(Si3N4), 산화규소(SiO2), 규소-알루미늄 혼합 질화물, 규소-알루미늄 혼합 산화물 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있으며, 보다 바람직하게는 질화규소(Si3N4), 산화규소(SiO2), 규소-알루미늄 혼합 질화물 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다. 또한, 상기 규소-함유 산화물은 산화규소(SiO2), 규소-알루미늄 혼합 산화물(예컨대, SiaAlbOc, 여기서 a=0.9~0.99, b=0.01~0.1, c=1~2) 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있고, 상기 규소-함유 질화물은 질화규소(Si3N4), 규소-알루미늄 혼합 질화물(예컨대, SixAlyNz, 여기서 x=2~3, y=0.05~0.5(보다 구체적으로는, 0.05~0.1 또는 0.1~0.5), z=3~4) 및 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.
규소-알루미늄 혼합 산화물 또는 질화물의 경우, 규소와 알루미늄의 비(Si/Al)는 원자% 비율로 Si/Al이 1을 초과하는 것, 즉, 규소-알루미늄 혼합 산화물 또는 질화물 내의 규소 원자 함량이 알루미늄 원자 함량보다 많은 것이 바람직하다.
상기 절연성 보호층의 두께에는 특별한 제한이 없으며, 원하는 기계적 강도 및 내구성 향상 효과를 얻을 수 있는 범위 내에서 코팅 공정의 효율성 등을 고려하여 적절히 선택될 수 있다. 절연성 보호층의 두께는 바람직하게 20~150nm, 보다 바람직하게 30~120nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 절연성 보호층의 두께가 상기보다 지나치게 얇으면 내구성과 절연성에 문제가 있을 수 있고, 반대로 지나치게 두꺼우면 제조비용이 증가하는 문제가 있을 수 있다.
상기 규소-함유 산화물이 550nm파장에서 1.4~1.6을 벗어나는 굴절률을 가지면 코팅막의 내구성이 약해지거나 빛을 반사 혹은 투과하지 못하고 흡수할 수 있으며 이로 인해 모듈의 온도가 상승하는 요인이 될 수 있고, 규소-함유 질화물의 경우 550nm파장에서 1.9~2.4를 벗어나는 굴절률을 가지면 규소-함유 산화물과 같이 마찬가지의 문제점이 있을 수 있다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 본 발명의 다층코팅 기판에 있어서 상기 반사 금속층과 절연성 보호층의 두께 합은 40~340nm일 수 있으며, 보다 바람직하게는 80~120nm일 수 있다. . 반사 금속층과 절연성 보호층의 두께 합이 40nm 이하이면 코팅층의 강도가 약해지고 모듈의 절연저항이 낮아질 수 있고, 340nm 이상이면 제조비용이 증가하는 문제가 있을 수 있다.
본 발명의 다층코팅 기판의 380~1100nm 파장대역에서 광 반사율은 60% 이상, 바람직하게는 70% 이상일 수 있다. 또한, 독립적으로, 380~1100nm 파장대역에서 광 반사율은 95% 이하, 보다 구체적으로는 90% 이하일 수 있다. 380~1100nm 파장대역에서 광 반사율이 60% 미만이면 태양전지 모듈의 효율 향상 효과가 불충분할 수 있다.
한편, 본 발명의 다층코팅 기판의 1100~2500nm 파장대역에서 광 반사율은 90% 이상, 바람직하게는 92% 이상, 보다 바람직하게는 93% 이상일 수 있다. 또한, 독립적으로, 1100~2500nm 파장대역에서 광 반사율은 98% 이하, 보다 구체적으로는 97% 이하일 수 있다. 1100~2500nm 파장대역에서 광 반사율이 90% 미만이면 태양전지 모듈의 수명 저하 방지 효과가 불충분할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 투명 기판 상에 반사 금속층 및 절연성 보호층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하고, 여기에서, 상기 절연성 보호층이 규소-함유 산화물 또는 질화물을 함유하며, 제조된 다층코팅 기판의 380~1100nm 파장대역에서의 광 반사율이 60% 이상이고, 1100~2500nm 파장대역에서의 광 반사율이 90% 이상인, 다층코팅 기판의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 다층코팅 기판의 제조방법에 있어서, 상기 투명 기판, 반사 금속층 및 절연성 보호층에 대해서는 앞서 설명한 바와 같다.
투명 기판 상에 상기 각 층을 순차적으로 형성하는 방법에는 특별한 제한이 없으며, 진공증착, 특히 스퍼터링(sputtering)을 포함한 물리적 기상 증착(Physical vapor deposition, PVD), 저압(low pressure), 상압(atmospheric pressure), 플라즈마(plasma)를 포함하는 화학적 기상 증착(Chemical vapor deposition, CVD) 등의 방법을 적절히 사용할 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 구체예에 따르면, 마그네트론 스퍼터링 방식에 의해 연속적으로 모든 층을 진공증착할 수 있다. 이 방식은 특히 대형 기판의 제품에 대해 적합하다. 해당 타겟 물질(들)의 스퍼터링을, 산소의 존재 하에 수행함으로써 그 산화물 층을 증착할 수 있고, 질소의 존재 하에 수행함으로써 그 질화물 층을 증착할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 후면 반사용 기재로서 상기 본 발명의 다층코팅 기판을 구비한 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈이 제공된다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명의 예시적으로 설명하기 위한 목적일 뿐, 그에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한되는 것은 결코 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1~6 및 비교예
2.8mm 두께의 소다라임 판유리 위에 하기 표 1에 나타낸 구성의 2층코팅을 순차적으로 형성하였다(비교예는 반사 금속층만 형성). 각 코팅층의 형성은 마그네트론 스퍼터링 설비를 사용하여 수행되었다.
Figure pat00001
시험예 1: 반사율 평가
상기 제조된 각 실시예 및 비교예의 2층코팅 유리에 대하여, 380~2500nm 파장대역에서의 광 반사율을 분광투과율 측정기(모델명 Lambda 950, Perkin Elmer社)로 측정하였고, 380~1100nm 및 1100~2500nm 각각의 파장대역에 대하여, ISO9050 규격에 따라 AM1.5에 해당하는 중가계수(Weighting function)를 곱한 평균값을 하기 표 2에 나타내었다.
Figure pat00002
시험예 2: 성능평가
상기 제조된 실시예 1~3 및 비교예의 2층코팅 유리에 대하여, 다음의 조건을 적용하여 성능을 평가하였다.
-　연필경도: 추의 하중 750g, 경도의 정도는 6B<3B<1B<HB<1H<2H<3H의 순서
-　Damp Heat: 온도 85℃, 습도 85%, 1000시간 유지 후 1100~2500nm 파장대역 광 반사율 측정
-　염수분무: 5% NaCl 용액, 35℃, 21일간 유지 후 1100~2500nm 파장대역 광 반사율 측정
- 절연저항: 모듈의 절반 가량을 수조에 담근 후 Wet Leakage 측정, 단위 MΩ
- 출력: Solar Simulator에서 온도25℃, 빛에너지량 1000W/㎡의 조건으로 측정, 단위 watt
상기 조건들로 시험한 성능 평가 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
Figure pat00003
상기 표 3에 나타낸 결과로부터 알 수 있듯이, 비교예는 연필경도 시험결과 가장 약한 내스크래치성을 나타내었고, Damp Heat 및 염수분무 시험결과에서도 반사율이 현저히 떨어졌다. 이에 비하여 본 발명에 따른 실시예 1~3은, 연필경도에서 현저히 개선된 경도를 나타내었고, Damp Heat 및 염수분무 시험결과에서도 반사율의 저하 방지 성능이 개선되었다. 또한 절연저항은 비교예 대비 실시예1~3이 높게 나타났고, 모듈의 출력값에서도 비교예 대비 실시예 1~3이 우수하게 나타났다.
1: 반사 금속층
2: 절연성 보호층
3: 접합필름
4: 태양전지 셀
5: 접합필름
6: 전면 유리
7: 후면 투명 기판
A: 후면 다층코팅

Claims (9)

  1. (1) 투명 기판;
    (2) 상기 투명 기판 상에 형성된 반사 금속층; 및
    (3) 상기 반사 금속층 상에 형성되며, 규소-함유 산화물 또는 질화물을 함유하는 절연성 보호층;을 포함하며,
    380~1100nm 파장대역에서의 광 반사율이 60% 이상이고, 1100~2500nm 파장대역에서의 광 반사율이 90% 이상인, 다층코팅 기판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 투명 기판이 유리 기판, 또는 폴리카보네이트, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리이미드, 베이클라이트 및 이들의 조합으로부터 선택되는 폴리머 재료로 이루어진 투명 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 다층코팅 기판.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반사 금속층이 알루미늄(aluminum, Al), 은(silver, Ag), 백금(platinum, Pt), 티타늄(titanium, Ti) 또는 이들의 조합을 포함하는 금속층인 것을 특징으로 하는 다층코팅 기판.
  4. 제1항에 있어서, 상기 규소-함유 산화물은 산화규소(SiO2), 규소-알루미늄 혼합 산화물(SiaAlbOc, 여기서 a=0.9~0.99, b=0.01~0.1, c=1~2) 및 이들의 조합으로부터 선택되고, 상기 규소-함유 질화물은 질화규소(Si3N4), 규소-알루미늄 혼합 질화물(SixAlyNz, 여기서 x=2~3, y=0.05~0.1, z=3~4) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다층코팅 기판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 규소-함유 질화물은 질화규소(Si3N4), 규소-알루미늄 혼합 질화물(SixAlyNz, 여기서 x=2~3, y=0.1~0.5, z=3~4) 및 이들의 조합으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 다층코팅 기판.
  6. 제1항에 있어서, 상기 절연성 보호층이 550nm 파장에서 1.4~2.4의 굴절율을 나타내는 것을 특징으로 하는 다층코팅 기판.
  7. 제1항에 있어서, 상기 반사 금속층과 절연성 보호층의 두께 합이 40~340nm인 것을 특징으로 하는 다층코팅 기판.
  8. 투명 기판 상에 반사 금속층 및 절연성 보호층을 순차적으로 형성하는 단계를 포함하고, 여기에서, 상기 절연성 보호층이 규소-함유 산화물 또는 질화물을 함유하며, 제조된 다층코팅 기판의 380~1100nm 파장대역에서의 광 반사율이 60% 이상이고, 1100~2500nm 파장대역에서의 광 반사율이 90% 이상인, 다층코팅 기판의 제조방법.
  9. 후면 반사용 기재로서 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 다층코팅 기판을 구비한 것을 특징으로 하는 태양전지 모듈.
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