태양광모듈용 저가형 백시트 제조를 위한 고수분차단성 유무기 나노복합형 접착제 Organic-inorganic Nanocomposite Adhesive with Improved Barrier Property to Water Vapor for Backsheets of Photovoltaic Modules원문보기
태양광 발전시스템은 태양복사에너지를 반도체의 광전효과를 이용하여 전기에너지로 직접 전환시키는 에너지변환 시스템이다. 태양전지의 내구성과 에너지변환율에 영향을 미치는 핵심소재로는 다층형 필름구조를 갖는 백시트를 들 수 있다. 대표적인 상용 백시트는 고내구성 poly(vinyl fluoride) (PVF) 필름이 중심축에 위치하고 가격저감을 위해 도입된 poly(ethylene terephthalate) (PET) 필름이 그 양쪽에 접합된 삼층구조로 구성된다. 하지만, PVF 필름의 높은 가격은 저렴한 고내구성 백시트를 요구하는 시장상황을 반영하기 어렵게 한다. 이를 위한 해결책으로는 PVF 필름을 결정성 PET 필름으로 대체한 탄화수소계 백시트가 될 수 있다. 하지만, PET 필름의 본질적인 가수분해에 대한 취약성으로 인해, 추가적인 수분에 대한 배리어성 부여는 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 소수성실리카나노입자 분산기술을 활용한 수분차단성 폴리우레탄 접착제를 개발코자 하였다. 개발된 접착제는 내부에 위치한 PET 필름으로의 수분침투를 약화시켜, 가수분해속도를 지연시킬 것이라 기대되었다. 본 개념의 효용성을 확인하기 위해, 표준화된 온습도조건에 노출된 이후의 일반접착제와 수분차단성 접착제가 도입된 백시트의 기계적 강도 및 시간당 태양전지성능 변화가 비교평가되었다.
태양광 발전시스템은 태양복사에너지를 반도체의 광전효과를 이용하여 전기에너지로 직접 전환시키는 에너지변환 시스템이다. 태양전지의 내구성과 에너지변환율에 영향을 미치는 핵심소재로는 다층형 필름구조를 갖는 백시트를 들 수 있다. 대표적인 상용 백시트는 고내구성 poly(vinyl fluoride) (PVF) 필름이 중심축에 위치하고 가격저감을 위해 도입된 poly(ethylene terephthalate) (PET) 필름이 그 양쪽에 접합된 삼층구조로 구성된다. 하지만, PVF 필름의 높은 가격은 저렴한 고내구성 백시트를 요구하는 시장상황을 반영하기 어렵게 한다. 이를 위한 해결책으로는 PVF 필름을 결정성 PET 필름으로 대체한 탄화수소계 백시트가 될 수 있다. 하지만, PET 필름의 본질적인 가수분해에 대한 취약성으로 인해, 추가적인 수분에 대한 배리어성 부여는 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 소수성 실리카 나노입자 분산기술을 활용한 수분차단성 폴리우레탄 접착제를 개발코자 하였다. 개발된 접착제는 내부에 위치한 PET 필름으로의 수분침투를 약화시켜, 가수분해속도를 지연시킬 것이라 기대되었다. 본 개념의 효용성을 확인하기 위해, 표준화된 온습도조건에 노출된 이후의 일반접착제와 수분차단성 접착제가 도입된 백시트의 기계적 강도 및 시간당 태양전지성능 변화가 비교평가되었다.
Photovoltaic (PV) modules are environmentally energy conversion devices to generate electricity via photovoltaic effect of semiconductors from solar energy. One of key elements in PV modules is "Backsheet," a multilayered barrier film, which determines their lifetime and energy conversion efficiency...
Photovoltaic (PV) modules are environmentally energy conversion devices to generate electricity via photovoltaic effect of semiconductors from solar energy. One of key elements in PV modules is "Backsheet," a multilayered barrier film, which determines their lifetime and energy conversion efficiency. The representative Backsheet is composed of chemically resistant poly(vinyl fluoride) (PVF) and cheap poly(ethylene terephthalate) (PET) films used as core and skin materials, respectively. PVF film is too expensive to satisfy the market requirements to Backsheet materials with production cost as low as possible. The promising alternatives to PVF-based Backsheet are hydrocarbon Backsheets employing semi-crystalline PET films instead of PVF film. It is, however, necessary to provide improved barrier property to water vapor to the PET films, since PET films are suffering from hydrolytic decomposition. In this study, a polyurethane adhesive with reduced water vapor permeation behavior is developed via a homogeneous distribution of hydrophobic silica nanoparticles. The modified adhesive is expected to retard the hydrolysis of PET films located in the core and inner skin. To clarify the efficacy of the proposed concept, the mechanical properties and electrochemical PV performances of the Backsheet are compared with those of a Backsheet employing the polyurethane adhesive without the silica nanoparticles, after the exposure under standard temperature and humidity conditions.
Photovoltaic (PV) modules are environmentally energy conversion devices to generate electricity via photovoltaic effect of semiconductors from solar energy. One of key elements in PV modules is "Backsheet," a multilayered barrier film, which determines their lifetime and energy conversion efficiency. The representative Backsheet is composed of chemically resistant poly(vinyl fluoride) (PVF) and cheap poly(ethylene terephthalate) (PET) films used as core and skin materials, respectively. PVF film is too expensive to satisfy the market requirements to Backsheet materials with production cost as low as possible. The promising alternatives to PVF-based Backsheet are hydrocarbon Backsheets employing semi-crystalline PET films instead of PVF film. It is, however, necessary to provide improved barrier property to water vapor to the PET films, since PET films are suffering from hydrolytic decomposition. In this study, a polyurethane adhesive with reduced water vapor permeation behavior is developed via a homogeneous distribution of hydrophobic silica nanoparticles. The modified adhesive is expected to retard the hydrolysis of PET films located in the core and inner skin. To clarify the efficacy of the proposed concept, the mechanical properties and electrochemical PV performances of the Backsheet are compared with those of a Backsheet employing the polyurethane adhesive without the silica nanoparticles, after the exposure under standard temperature and humidity conditions.
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문제 정의
반면, 과도한 양이 도입될 경우에는 나노실리카 입자 간의 자발적인 응집현상이 발생하여 이러한 효과는 반감될 수 있다[13]. 따라서, 본 연구에서는 실리카 함량 변화에 따른 백시트의 기계적 물성 및 수투과도 변화를 관찰코자 하였다. 또한, 개선된 접착제가 도입된 PET 기반의 저가형 백시트의 모듈시스템 적용에 따른 전기화학적 수명특성 및 백시트의 외부손상평가를 통해 수분차단성 접착제의 효과를 검증코자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 실리카 함량 변화에 따른 백시트의 기계적 물성 및 수투과도 변화를 관찰코자 하였다. 또한, 개선된 접착제가 도입된 PET 기반의 저가형 백시트의 모듈시스템 적용에 따른 전기화학적 수명특성 및 백시트의 외부손상평가를 통해 수분차단성 접착제의 효과를 검증코자 하였다.
본 연구는 삼층필름 구조로 이루어진 PET 기반의 백시트에 대한 내가수분해성 향상을 위한 수분차단성 PU 접착제를 다루고 있다. 수분차단성 접착제는 수분 및 부식에 대한 저항성을 갖는 상업용 PU접착제[12]의 기본조성을 기반으로, 소수성 나노실리카가 분산제와 함께 도입된 형태를 갖는다.
본 연구에서는 소수성 나노실리카 입자가 분산제와 함께 도입된 PU 접착제의 효용성을 다양한 가수분해 조건에서 장시간 노출에 따른 백시트의 물성 및 이를 이용한 모듈특성 변화 관찰을 통해 밝히고자 하였다. 얻어진 결과는 하기에서 기술된 바와 같다.
가설 설정
다시 말해, Half 백시트에서 Full 백시트로 전환시 PU 접착제 및 PET 층의 증가로 인해 백시트 두께는 증가하며, 그 결과 플럭스는 감소하게 되어, 수분차단성은 증가하게 된다. 여기서, Full 백시트 제조를 위해 도입된 PU 접착제 층의 두께는 동일한 과정 및 조성에 의해 제조되므로 모두 같다고 가정한다. 실제로 Half 백시트에 도입된 단일층 접착제의 두께는 8-9 µm (Fig.
제안 방법
접착제 조성에 따른 실리카 나노입자의 분산상태는 각각의 접착제가 코팅된 PET 필름의 표면을 Field emission scanning electron microscopy (FE-SEM, JEOL Model JSF 6340F, Tokyo, Japan)로 관찰함으로 확인하였다. Half 백시트의 수분투과거동은 MOCON사의 Permatran-W 3/33 장비를 이용해 ASTM F-1249 방법을 따라 37.
접착제가 양면으로 코팅된 샘플의 수분 차단성은 Pressure Cooker Test (PCT) 조건(121°C, 100% RH)의 항온항습기에서 일정시간(0, 24, 48, 72 hr) 노출시킨 후, 샘플의 기계적 물성변화를 이용하여 측정한다.
태양전지모듈에 적용된 삼층필름구조의 Full 백시트의 가수분해에 따른 내구성 변화는 제조된 백시트가 적용된 모듈을 IEC 61646에서 지정하는 검증테스트인 Damp Heat Test 환경(85°C, 85% RH)에서 일정시간 노출시킨 후 광학적 이미지 변화 및 전기화학적 특성변화 관찰을 통해 확인할 수 있다.
대상 데이터
) 소수성 나노실리카를 사용하였다. PU 접착제 제조 및 무기입자분산을 위한 용매로 Ethyl acetate (EA, 씨그마알드리치)를 구입하였고, 별도의 정제과정 없이 사용하였다. 계면활성제로는 독일 BASF의 Pluronic PE6400(EO13PO30EO13; EO : ethylene oxide, PO : propylene oxide) 제품을 구입하여 사용하였다[14].
계면활성제로는 독일 BASF의 Pluronic PE6400(EO13PO30EO13; EO : ethylene oxide, PO : propylene oxide) 제품을 구입하여 사용하였다[14]. PU 접착제 제조를 위한 주제, 경화제, 촉진제와 실제 모듈에 적용시킬 PET 필름(PET-r2, PET-r1)은 좁은 분자량 분포를 가지며 결정화도를 높인 제품으로 (주)SFC에서 제공받아 사용하였다. 각 PET 필름의 기본물성은 Table 1에 제시되었다[15].
PU 접착제 제조 및 무기입자분산을 위한 용매로 Ethyl acetate (EA, 씨그마알드리치)를 구입하였고, 별도의 정제과정 없이 사용하였다. 계면활성제로는 독일 BASF의 Pluronic PE6400(EO13PO30EO13; EO : ethylene oxide, PO : propylene oxide) 제품을 구입하여 사용하였다[14]. PU 접착제 제조를 위한 주제, 경화제, 촉진제와 실제 모듈에 적용시킬 PET 필름(PET-r2, PET-r1)은 좁은 분자량 분포를 가지며 결정화도를 높인 제품으로 (주)SFC에서 제공받아 사용하였다.
본 연구에서 독일 Evonik사의 AEROSIL® R812S (평균입자크기 = 7 nm, BET 표면적 = 220 ± 25 m2g-1) 소수성 나노실리카를 사용하였다.
1)[13,17,18]. 안정적인 콜로이드상의 나노실리카 분산액제조를 위해, PU 접착제 제조 시 사용되는 용매와 동일한 용매인 EA를 사용하였다. 제조된 나노분산액이 접착제 혼합용액에 도입될 경우, 상분리가 없는 균일한 투명상의 유무기 나노복합형 접착제 혼합용액이 제조될 수 있다.
이론/모형
Half 백시트의 수분투과거동은 MOCON사의 Permatran-W 3/33 장비를 이용해 ASTM F-1249 방법을 따라 37.8°C에서 활성면적 50 cm2으로 수분을 투과시킨 후, carrier gas로 9.89 sccm의 유속으로 질소를 흘려 측정한다.
접착제가 양면으로 코팅된 샘플의 수분 차단성은 Pressure Cooker Test (PCT) 조건(121°C, 100% RH)의 항온항습기에서 일정시간(0, 24, 48, 72 hr) 노출시킨 후, 샘플의 기계적 물성변화를 이용하여 측정한다. 이때, 기계적 물성변화는 Universal testing machine (UTM, 제품명 : TO-101, 제조사 : Testone, 한국)을 이용하여, ASTM D 882 방법에 따라 인장강도 및 연신율을 측정함으로 관찰한다.
성능/효과
소수성 나노실리카가 도입된 유무기 나노복합형 접착제를 PET 필름에 코팅시, 실리카의 고른 분산과 분산제의 가소효과의 결과, PET의 인장강도 및 연신율이 향상되어졌다. 또한 가수분해시간에 따라 관계없이, PU 접착제만을 도입한 경우보다는 기계적 물성 보존율이 높아짐을 확인하였다.
또한 기존의 일반 PU접착제가 사용된 PVF│PET│PVF 백시트의 수분투과도가 9 g(m2 day)-1를 나타내는 것에 비해서 유무기 나노 복합형 접착제가 사용된 백시트는 현저히 낮은 수분투과도를 가지며 이는 실제 Full 백시트의 전체두께(236-238µm = PET 필름층 전체두께 220 µm + PU 접착제층 전체두께 16-18 µm)의 7-8%를 차지하는 접착제 층의 개질을 통해 백시트의 수분투과특성이 상당히 향상될 수 있다는 것을 보여준다[8].
소수성 나노실리카의 함량별 수분투과거동 관찰을 통해, 접착제 무게 대비 1 wt%의 실리카 함량을 가진 PU 접착제가 도입된 Half 백시트가 가장 낮은 수분투과도를 보였다. 무기입자가 도입되지 않은 접착제를 사용한 Half 백시트와 비교했을 경우, 나노실리카 분산을 위해 도입된 분산제와 PU 고분자 주쇄와의 이차간력으로 인해 좀 더 긴밀한 구조의 접착제층의 형성과 실리카의 소수성에 따른 수분에 대한 반발력이 상승된 시너지 효과를 통해 최대 4.7%까지 수분차단성이 개선되었다. 해당 유무기 나노복합형 접착제를 Full 백시트에 적용시킬 경우, 약 9.
소수성 나노실리카가 도입된 접착제 기반의 Full 백시트를 이용하여 제조된 태양전지모듈에 대한 Damp Heat Test 4,000시간 조건(85°C, 85% RH)에서 실시된 광학적 EL 실험에서는, 일반 백시트와 같이 어떠한 균열이나 시각적 손상이 발견되지 않았다. 반면, 동일한 가수분해조건에서 노출된 이후, 태양전지 모듈의 전기 화학적 성능저감면에서는 유무기 나노복합형 접착제 사용시 전기화학적 효율 저감 속도가 느려짐을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 백시트에 사용되는 소량의 접착제 개질만으로도 태양전지 모듈의 장기적 특성, 특히 가수분해에 따른 성능저감특성에 큰 영향을 줄 수 있다는 것을 증명하였다. 그러나, 백시트는 태양전지 모듈을 보호만 하는 본연의 한계를 넘지 못하였다.
실리카 나노입자만이 도입된 경우(PU-silica2)와 비교할 때에는, 소수성 실리카 사용에 따른 약간의 수분 차단성이 관찰되었지만, 고른 분산이 이루어진 PU-silica2-PE6400보다는 그 효과가 미약하였다. 분산제만을 도입한 경우(PU-PE6400)에도 실리카만 도입한 경우처럼, 약간의 수분차단성이 관찰되어졌으나, 오히려 실리카만 도입한 경우보다는 못한 결과가 관찰되었다. 실리카-분산제로 이루어진 core-shell상태로 도입된 실리카 나노입자의 경우, shell상에 존재하는 EO단위체와 PU 접착제 주쇄의 우레탄(-NH-COO-)그룹 간에 형성되는 수소결합을 포함한 이차간력(secondary interaction)에 의해 PU 접착제 주쇄 분자간의 거리가 좁혀지게 되어 좀 더 밀집된 형태의 접착제 층이 형성된 결과와 실리카가 가지고 있는 소수성에 따른 물의 반발력 상승효과가 시너지된 결과이다.
내구성이 감소하게 된 백시트의 손상부분으로 셀 성능에 악영향을 미치는 자연계의 화학물질 및 불순물의 침투를 허용하게 되어 모듈의 성능을 하락시키는 요인이 된다. 셀 성능 감소를 비교하였을 때 일반 Full 백시트는 시간이 지남에 따라 급격한 성능 하락을 보이고 있는데 반해, 유무기 복합 접착제가 사용된 백시트는 완만한 성능 감소율을 나타내며 내구성 증가에 따른 태양전지 셀의 보호성이 한층 더 상승하게 되는 효과를 얻을 수 있는 것을 확인하였다.
소수성 나노실리카가 도입된 유무기 나노복합형 접착제를 PET 필름에 코팅시, 실리카의 고른 분산과 분산제의 가소효과의 결과, PET의 인장강도 및 연신율이 향상되어졌다. 또한 가수분해시간에 따라 관계없이, PU 접착제만을 도입한 경우보다는 기계적 물성 보존율이 높아짐을 확인하였다.
소수성 나노실리카의 함량별 수분투과거동 관찰을 통해, 접착제 무게 대비 1 wt%의 실리카 함량을 가진 PU 접착제가 도입된 Half 백시트가 가장 낮은 수분투과도를 보였다. 무기입자가 도입되지 않은 접착제를 사용한 Half 백시트와 비교했을 경우, 나노실리카 분산을 위해 도입된 분산제와 PU 고분자 주쇄와의 이차간력으로 인해 좀 더 긴밀한 구조의 접착제층의 형성과 실리카의 소수성에 따른 수분에 대한 반발력이 상승된 시너지 효과를 통해 최대 4.
즉, 나노실리카의 함량이 1 wt%까지 증가함에 따라 수분차단성이 향상되는 반면, 그 이상 증가함에 따라 기울기는 크진 않지만 수분투과도가 서서히 증가하는 현상이 관찰된다. 실리카 나노입자의 최적 함량은 1 wt%로, 무기입자가 도입되지 않은 PU 접착제 대비 최대 4.7%의 수분차단효과가 있음이 밝혀졌다. 실리카 나노입자만이 도입된 경우(PU-silica2)와 비교할 때에는, 소수성 실리카 사용에 따른 약간의 수분 차단성이 관찰되었지만, 고른 분산이 이루어진 PU-silica2-PE6400보다는 그 효과가 미약하였다.
나노실리카의 함량에 따른 수분투과도는 V자 곡선을 그리게 된다. 즉, 나노실리카의 함량이 1 wt%까지 증가함에 따라 수분차단성이 향상되는 반면, 그 이상 증가함에 따라 기울기는 크진 않지만 수분투과도가 서서히 증가하는 현상이 관찰된다. 실리카 나노입자의 최적 함량은 1 wt%로, 무기입자가 도입되지 않은 PU 접착제 대비 최대 4.
후속연구
수분차단성 접착제는 수분 및 부식에 대한 저항성을 갖는 상업용 PU접착제[12]의 기본조성을 기반으로, 소수성 나노실리카가 분산제와 함께 도입된 형태를 갖는다. 소수성 나노실리카는 적절한 양이 도입되었을 경우에는 무기입자의 고른 분산이 이루어져 접착제 층의 결함(defects)을 최소화하고, 공기 중에 노출된 PET 필름을 통해 유입된 수증기가 접착제 층을 통과하는 속도를 늦춰 내부의 PET 필름의 가수분해 및 태양전지 모듈의 수명특성 향상에 기여할 것으로 예상된다. 반면, 과도한 양이 도입될 경우에는 나노실리카 입자 간의 자발적인 응집현상이 발생하여 이러한 효과는 반감될 수 있다[13].
그러나, 백시트는 태양전지 모듈을 보호만 하는 본연의 한계를 넘지 못하였다. 하지만, 적절하게 분산된 광촉매(예 : TiO2 나노입자) 도입시, 입사된 태양광의 난반사를 유도하여 태양전지 모듈 효율 개선에 기여할 것이라 예측된다. 이와 관련된 연구는 추후 보고될 예정이다.
일반적으로 Damp Heat Test 조건에서 4,000시간의 연속구동은 자연상태에서 약 20년의 태양전지수명특성 확보를 의미한다. 하지만, 추가적인 평가 진행 시 유무기 나노복합형 PU 접착제가 도입된 백시트와 일반 백시트의 차이가 나타날 것으로 예상된다. 또한, 광학적 방법만으로 고르게 분산된 소수성 실리카 나노입자의 백시트 내구성에 미치는 영향을 관찰하기는 어렵다는 것이 밝혀졌다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
PET 다층필름형 백시트가 PVF 대체백시트를 대체할 때 단점은?
PET는 PVF에 비해 상대 적으로 가격이 저렴하며, 유사한 수준의 수분투과도와 산소투과도를 가지므로, 가격경쟁력을 높일 수 있는 장점을 보인다[10]. 하지만, PET는 polyester계열의 고분자이므로, 가수분해조건에서 자발적으로 분해되며, 강산 또는 강염기와 같은 특정 화학조건에서의 분해속도는 좀 더 빨라지게 된다[11].
태양광 발전시스템이란?
태양광 발전시스템은 태양복사에너지를 반도체의 광전효과를 이용하여 전기에너지로 직접 전환시키는 에너지변환 시스템이다. 태양전지의 내구성과 에너지변환율에 영향을 미치는 핵심소재로는 다층형 필름구조를 갖는 백시트를 들 수 있다.
태양광발전시스템이 실현가능한 신재생에너지 시스템으로 각광받는 이유는?
무한한 태양에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 태양광발전시스템은 저가의 운전비용 및 극미량의 온실가스 배출이 이루어진다는 점에서, 화석연료를 대체하는 실현가능한 신재생에너지 시스템 중 하나로 각광을 받고 있다. 현 시점에서 가장 많이 상용화되어 설치되고 있는 실리콘 태양전지모듈(silicon photovoltaic module)은 태양광이 반도체 재질의 셀 전극에 조사되었을 때, 광전효과(photoelectric effect)를 통해 발생되는 전자를 이용하여 전기에너지로 변환시키는 원리로 작동된다[1-3].
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