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태양광모듈용 저가형 백시트 제조를 위한 고수분차단성 유무기 나노복합형 접착제
Organic-inorganic Nanocomposite Adhesive with Improved Barrier Property to Water Vapor for Backsheets of Photovoltaic Modules 원문보기

멤브레인 = Membrane Journal, v.25 no.6, 2015년, pp.530 - 537  

황진표 (단국대학교 에너지공학과) ,  이창현 (단국대학교 에너지공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (18)

  1. M. J. Choi, C. H. Shin, T. U. Kang, J. K. Koo, and N. J. Cho, "A Study on the organic/inorganic composite electrolyte membranes for dye sensitized solar cell", Membr. J., 18, 345 (2008). 

  2. S. J. Byun, J. A. Seo, W. S. Chi, Y. G. Shul, and J. H. Kim, "Synthesis of porous $TiO_2$ thin films using PVC-g-PSSA graft copolymer and their use in dye-sensitized solar cells", Membr. J., 21, 193 (2011). 

  3. J. H. Lee, "Current status and future prospects of solar cells", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 25, 7 (2008). 

  4. F. Pern, "Ethylene-vinyl acetate (EVA) encapsulants for photovoltaic modules: Degradation and discoloration mechanisms and formulation modifications for improved photostability", Die Angewandte Makromolekulare Chemie, 252, 195 (1997). 

  5. W. Gambogi, Y. Heta, K. Hashimoto, J. Kopchick, T. Felder, S. MacMaster, A. P. Bradley, B. Hamzavytehrany, L. Garreau-Iles, and T. Aoki, "A comparison of key PV backsheet and module performance from fielded module exposures and accelerated tests", IEEE J. Photovoltaics., 4, 935 (2014). 

  6. J. E. Mark, "Polymer data handbook", pp. 558-560 and pp. 940-944, Oxford university press, New York, NY (2009). 

  7. http://www.dupont.co.kr/products-and-services/solarphotovoltaic-materials/articles/protect-moduleswith-tedlar-backsheet-film.html 

  8. C. Peike, P. Hulsmann, M. Bluml, P. Schmid, K.-A. Weiss, and M. Kohl, "Impact of permeation properties and backsheet-encapsulant interactions on the reliability of PV modules", ISRN Renewable Energy, DOI:10.5402/2012/459731. 

  9. N. S. Kim, H. W. Kang, K. J. Hwang, C. W. Han, W. S. Hong, D. J. Kim, E. J. Lyu, and H. Kim, "Study on the degradation of different types of backsheets used in PV module under accelerated conditions", Sol. Energy. Mater. Sol. Cells., 120, 543 (2014). 

  10. B. M. Kim, K. S. Lee, M. K. Kim, G. H. Kang, H. K. Lee, and M. J. Park, "A study on manufacturing process of PV module according to Back sheet type", J. Korean. Sol. Energ. Soc., 30, 389 (2010). 

  11. M. Y. Abdelaal, T. R. Sobahi, and M. S. Makki, "Chemical degradation of poly (ethylene terephthalate)", Int. J. Polym. Mater., 57, 73 (2008). 

  12. M. A. Osman, V. Mittal, M. Morbidelli, and U. W. Suter, "Polyurethane adhesive nanocomposites as gas permeation barrier", Macromolecules., 36, 9851 (2003). 

  13. C. H. Lee, H. B. Park, C. H. Park, S. Y. Lee, J. Y. Kim, J. E. McGrath, and Y. M. Lee, "Preparation of high-performance polymer electrolyte nanocomposites through nanoscale silica particle dispersion", J. Power. Sources., 195, 1325 (2010). 

  14. S. Z. Zhang, J. J. Liu, and K. C. Gong, "PE6400 templated monolithic mesoporous silica with orientated block structure", Mater. Lett., 61, 4137 (2007). 

  15. S. Y. Pyo and C. H. Lee, "Low-cost Backsheet Materials with Excellent Resistance to Chemical Degradation for Photovoltaic Modules", Membr. J., 25, 287 (2015). 

  16. P. Wagh and S. Ingale, "Comparison of some physico-chemical properties of hydrophilic and hydrophobic silica aerogels", Ceram. Int., 28, 43 (2002). 

  17. L. K. Koopal, T. Goloub, A. de Keizer, and M. P. Sidorova, "The effect of cationic surfactants on wetting, colloid stability and flotation of silica", Colloids. Surf. A. Physicochem. Eng. Asp., 151, 15 (1999). 

  18. C. H. Park, H. S. Kim, and Y. M. Lee, "Surface modification of proton exchange membrane by introduction of excessive amount of nanosized silica", Membr. J., 24, 301 (2014). 

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