태양전지는 태양복사에너지를 반도체의 광전효과를 통해 전기에너지로 변환시키는 친환경 에너지변환장치를 의미한다. 수분을 포함하는 다양한 화학물질들에 대한 높은 차단성을 갖는 다층형 필름인 백시트는 태양전지의 중요한 요소이다. 대표적인 백시트는 polyvinyl fluoride (PVF)와 poly(ethylene terephthalate) (PET)의 다층필름으로 구성된다. PVF는 높은 내후성을 가지는 반면, 가격이 상대적으로 비싼 단점을 보인다. 따라서, 백시트의 제조가격을 낮출 수 있으면서, 동시에 실제 태양전지모듈에 적용할만한 수명특성을 만족시킬 수 있는 대체소재의 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 일정수준의 결정성을 갖는 PET 필름을 PVF 필름 대신 사용하였다. 그러나, PET 소재는 다양한 pH 조건에서 trans-esterification 및 가수분해에 의해 분해될 수 있기 때문에, 태양전지의 구동조건에서 PET의 분해거동을 이해할 필요가 있다. 단시간 내 화학적 분해거동을 평가하기 위해서, 가속화된 PET 분해실험 프로토콜이 개발되었다. 마지막으로, 제안 개념의 효용성은 태양전지모듈의 장기운전성능 평가를 통해 확인하였다.
태양전지는 태양복사에너지를 반도체의 광전효과를 통해 전기에너지로 변환시키는 친환경 에너지변환장치를 의미한다. 수분을 포함하는 다양한 화학물질들에 대한 높은 차단성을 갖는 다층형 필름인 백시트는 태양전지의 중요한 요소이다. 대표적인 백시트는 polyvinyl fluoride (PVF)와 poly(ethylene terephthalate) (PET)의 다층필름으로 구성된다. PVF는 높은 내후성을 가지는 반면, 가격이 상대적으로 비싼 단점을 보인다. 따라서, 백시트의 제조가격을 낮출 수 있으면서, 동시에 실제 태양전지모듈에 적용할만한 수명특성을 만족시킬 수 있는 대체소재의 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 일정수준의 결정성을 갖는 PET 필름을 PVF 필름 대신 사용하였다. 그러나, PET 소재는 다양한 pH 조건에서 trans-esterification 및 가수분해에 의해 분해될 수 있기 때문에, 태양전지의 구동조건에서 PET의 분해거동을 이해할 필요가 있다. 단시간 내 화학적 분해거동을 평가하기 위해서, 가속화된 PET 분해실험 프로토콜이 개발되었다. 마지막으로, 제안 개념의 효용성은 태양전지모듈의 장기운전성능 평가를 통해 확인하였다.
Photovoltaic (PV) modules are environmentally friendly energy-conversion devices to generate electricity via the photovoltaic effect of semiconductors on solar energy. One of key elements in PV modules is "Backsheet," a multi-layered film to protect the devices from a variety of chemicals including ...
Photovoltaic (PV) modules are environmentally friendly energy-conversion devices to generate electricity via the photovoltaic effect of semiconductors on solar energy. One of key elements in PV modules is "Backsheet," a multi-layered film to protect the devices from a variety of chemicals including water vapor. A representative Backsheet is composed of polyvinyl fluoride (PVF) and poly(ethylene terephthalate) (PET). PVF is relatively expensive, while showing excellent resistance to chemical attacks. Thus, it is necessary to develop alternatives which can lower its high production cost and guarantee lifetime applicable to practical PV modules at the same time. In this study, PET films with certain levels of crystallinity were utilized instead of PVF. Since it is well known that PET is suffering from trans-esterification and hydrolysis under a wide pH range, it is needed to understand decomposition behavior of the PET films under PV operation conditions. To evaluate their chemical decomposition behavior within a short period of times, accelerated decomposition test protocol is developed. Moreover, electrochemical long-term performances of the PV module employing the PET-based Backsheet are investigated to prove the efficacy of the proposed concept.
Photovoltaic (PV) modules are environmentally friendly energy-conversion devices to generate electricity via the photovoltaic effect of semiconductors on solar energy. One of key elements in PV modules is "Backsheet," a multi-layered film to protect the devices from a variety of chemicals including water vapor. A representative Backsheet is composed of polyvinyl fluoride (PVF) and poly(ethylene terephthalate) (PET). PVF is relatively expensive, while showing excellent resistance to chemical attacks. Thus, it is necessary to develop alternatives which can lower its high production cost and guarantee lifetime applicable to practical PV modules at the same time. In this study, PET films with certain levels of crystallinity were utilized instead of PVF. Since it is well known that PET is suffering from trans-esterification and hydrolysis under a wide pH range, it is needed to understand decomposition behavior of the PET films under PV operation conditions. To evaluate their chemical decomposition behavior within a short period of times, accelerated decomposition test protocol is developed. Moreover, electrochemical long-term performances of the PV module employing the PET-based Backsheet are investigated to prove the efficacy of the proposed concept.
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문제 정의
본 연구의 목적은 저가 비불소계 백시트 필름소재의 단시간 내후성 평가를 위한 가속화 분해실험 프로토콜을 개발코자 하는 것이다. 또한, 이를 통해 선정된 PET 필름 기반의 백시트와 비교를 위해 도입된 PVF계 다층형 백시트의 태양전지 모듈조건에서의 화학적 내구성 평가를 통해, 제안한 개념의 효용성을 검증하고자 하였다.
본 연구에서는 PET의 결정화도 부여를 통해, 저가 소재를 기반으로 고내후성 백시트를 제조할 수 있음이 증명하였다. 하지만, PET 소재의 본질적인 가수분해성으로 인해, PET 기반의 고내후성 백시트 개발을 위해서는 추가적인 내후성 향상방안이 고려되어야 한다.
본 연구에서는 앞서 연구/개발된 비불소계 다층형 백시트에서 사용되는 무정형 PET 필름 대신에 일정수준의 결정화도를 갖는 PET 필름을 도입시켜 PET계 다층형 백시트의 내구성을 향상코자 하였다. 본 연구의 목적은 저가 비불소계 백시트 필름소재의 단시간 내후성 평가를 위한 가속화 분해실험 프로토콜을 개발코자 하는 것이다.
본 연구에서는 태양전지 모듈용 백시트 제조를 위해서 범용 PVF필름에 대한 고내구성, 저가 대체소재로써의 비불소계 PET필름의 가능성을 다루고 있으며, 이를 통해 얻어진 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 앞서 연구/개발된 비불소계 다층형 백시트에서 사용되는 무정형 PET 필름 대신에 일정수준의 결정화도를 갖는 PET 필름을 도입시켜 PET계 다층형 백시트의 내구성을 향상코자 하였다. 본 연구의 목적은 저가 비불소계 백시트 필름소재의 단시간 내후성 평가를 위한 가속화 분해실험 프로토콜을 개발코자 하는 것이다. 또한, 이를 통해 선정된 PET 필름 기반의 백시트와 비교를 위해 도입된 PVF계 다층형 백시트의 태양전지 모듈조건에서의 화학적 내구성 평가를 통해, 제안한 개념의 효용성을 검증하고자 하였다.
제안 방법
8은 PPP 및 TPT 백시트가 장착된 태양전지모듈의 성능평가 결과를 보여준다. STC 조건에서 3,000시간 구동시킨 후, 60개의 단위셀로 구현되는 최고전력값에 대한 평균치와 최초전력값에 대응하는 값을 비교하여 태양전지의 효율을 측정하였다. TPT 백시트를 사용한 모듈의 경우, 1.
다양한 화학적 분해에 취약한 PET의 Depolymerization 과정은 용매조건에 따라 1) Alcoholysis, 2) Hydrolysis 및 3) Glycolysis로 구분될 수 있다[14]. 본 연구에서는 Alcoholysis와 Hydrolysis 조건에서의 에스터교환반응(Trans-esterification)과 가수분해반응(hydrolytic decomposition)에 대한 PET 필름의 내후성 평가실험을 진행하였다. Fig.
상기 실험을 통해 상대적으로 높은 결정화도를 갖는 PET-r1의 내후성이 검증되었고, 이에 대한 태양전지모듈 백시트 재료로서의 효용성을 입증하고자 비불소계 PPP 백시트를 제조하여, 상용 불소계 TPT 백시트와의 비교를 시행하였다. Table 2는 각각의 백시트의 기본 기계적 물성과 가혹조건에서 가수분해가 이루어지는 PCT 테스트 후 물성변화를 보여준다.
에스터교환반응에 따른 PET 필름표면의 소수성 변화는 초순수를 probe로 하는 접촉각분석기(KRUʹʹSS, Hamburg, Germany)을 통해 관찰하였다. 물방울(2 µL)가 필름 샘플 위로 떨어졌을 때, 고속비디오카메라를 통해 접촉각의 이미지가 저장되며, 이미지 분석을 통해 접촉각 정보가 얻어진다.
따라서 PET-r1와 PET-r2은 각각 88%와 12%의 결정도를 가짐이 확인되었다. 위의 식을 통해 얻어진 정보는 간접적인 정보이므로, 신뢰성을 뒷받침하고자 XRD 분석을 진행하였다. Fig.
추가적인 내가수분해성 평가는 제조된 백시트를 Damp Heat test (DH) 조건(85°C, 85% RH)에서 일정 시간 노출시킨 후, Optical Microscopy (SV-55, Sometech, Korea) 분석을 통해 백시트 표면 특성변화를 관찰함으로 이루어졌다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 PET 필름은 Table 1과 같이 결정 화도가 다른 3종류를 (주)SFC사로부터 공급받아 사용하였다. 에스터교환반응 실험을 위해 사용된 에탄올(Ethanol)과 황산용액(순도 : 95-98%)은 씨그마 알드리치 코리아에서 구입하여 별도의 정제 없이 사용하였다.
접착제가 코팅되지 않은 이층형 백시트의 PET-r2의 다른 한쪽 면에 동일한 접착제를 도포시킨 후, 동일한 과정을 반복하여 삼층형 백시트(PET-r1/PET-r2/PET-r1 : 이하 PPP 백시트)를 최종적으로 얻는다. 비교를 위해, PET-r1 대신 PVF가 도입된 삼층형 백시트가 제조되며, TPT 백시트라 명명한다.
비불소계 백시트는 일정 수준의 결정도를 갖는 PET-r1과 PET-r2를 사용하여 삼층형으로 제조하였다. 이를 위해 PET-r2에 상업용 폴리우레탄 접착제(제품명 : SFC-830)를 도포한 후, 16호 바코터를 이용하여 코팅하고, 110°C 대류오븐에서 3분간 건조시킨다.
본 연구에서 사용된 PET 필름은 Table 1과 같이 결정 화도가 다른 3종류를 (주)SFC사로부터 공급받아 사용하였다. 에스터교환반응 실험을 위해 사용된 에탄올(Ethanol)과 황산용액(순도 : 95-98%)은 씨그마 알드리치 코리아에서 구입하여 별도의 정제 없이 사용하였다.
태양전지 성능평가를 위해 사용된 조건은 표준테스트조건(Standard testing condition; STC)인 온도 25°C, 일사강도 1000 W/m2, Air Mass (AM) 1.5이다.
이론/모형
T는 막의 두께(µm)를 의미한다. PET 필름의 결정성은 Rigaku Denki Model RAD-C diffractometer (Tokyo, Japan)를 활용한 Wide angle X-ray diffraction (WAXS) 분석을 통해 이루어졌다.
제조된 백시트의 가속조건하에서의 내가수분해성 평가는 Pressure Cooker Test (PCT) 조건(121°C , 100% RH)의 항온항습기에서 일정 시간 동안 삼층형 백시트를 노출시킨 후 기계적 물성변화를 측정함으로 이루어진다[9]. 기계적 물성평가는 Universal testing machine (UTM, TO-101, Testone, Korea)을 이용하여 ASTM D 882 방법에 따라 Tensile strength 및 Elongation 측정을 통해 이루어졌다.
성능/효과
1. 결정화도와 밀도와의 상관관계를 통해, PET-n은 무정형을 갖는 반면, PET-r1와 PET-r2는 각각 88%와 12%의 결정화도를 가짐을 확인하였고, XRD분석을 통해 유사결과를 얻을 수 있었다.
2. 에스터교환반응 초기에는 반응한 에탄올 몰수만큼 질량증가가 동반되므로, 에탄올 노출시간에 따른 PET 필름의 화학적 안정성을 단시간 내 비교할 수 있었다. 특히, pH2의 산조건에서 PET에 대한 에스터교환반응이 두드러지게 나타났으며, 결정도가 높은 PET-r1이 선택된 PET 중에서 가장 뛰어난 화학적 안정성을 가지는 것을 알 수 있었다.
3. pH2의 초순수 조건에서 PET 필름을 일정 시간 노출시킨 후, 접촉각 분석을 통해 표면 소수성의 변화를 관찰해 본 결과, 무정형 PET-n에서는 가수분해의 결과 표면이 친수성으로 변화함을 확인할 수 있었고, 결정화 도를 갖는 PET-r1과 PET-r2에서는 시간당 접촉각이 감소되는 속도가 상대적으로 느려짐을 확인할 수 있었다.
4. 내후성 평가실험을 통해 선정된 PET-r1을 이용하여 제조된 PPP 백시트와 상용 PVF 기반의 TPT 백시트의 PCT 테스트 후 기계적 강도변화를 비교측정한 결과, PPP 백시트의 인장강도와 연신율 보존율이 TPT 백시트에 비해 높음을 확인할 수 있었다.
5. DH 테스트(85°C, 85% RH 조건)에서 노출시킨 백시트에 대한 표면관찰분석과 태양전지모듈 장착 후 측정한 EL 테스트를 통해, 규정시간인 4,000시간 구동 후에도 PPP 백시트가 TPT 백시트에 비해 내후성에 있어큰 차이가 없음이 확인되었다.
6. 3000시간 구동 후 태양전지의 셀 효율감소에 대한 비교에서도, PPP 백시트는 상용 TPT 백시트에 비해 큰효율 차이를 보이지 않았다.
이러한 경향은 연신율에서도 나타내고 있는데, 48시간 후의 TPT백시트보다 96시간 후의 PPP백시트의 연신율 보존율이 5% 가량 더 높았다. 따라서 결정화도를 가지는 PET-r1의 사용을 통해 백시트를 제조할 경우, 고내구성 백시트로 알려진 TPT 백시트보다 우수한 내후성을 확보할 수있음을 알 수 있었다.
1의 XRD결과는 PET-n의 경우 전형적인 무정형 패턴이 관찰되는 반면, PET-r1와 PET-r2에서는 뚜렷한 결정성 피크가 얻어짐을 확인할 수 있다. 또한 밀도측정에 기반한 간접적 결정화도 분석과 같이 가장 강한 결정성 피크는 PET-r1에서 관찰되며, 상대적 피크면적 비교의 결과 역시 결정화도 비율과 유사함을 알 수 있었다. 이를 통해, PET-r1이 가장 높은 내후성 및 내후성을 지닐 것이라 예측하였다.
상용 TPT 백시트는 48시간 동안 PCT 조건에서 노출된 이후 인장강도가 최초 대비 58%로 감소되었으며, 96시간 이상에서 깨짐현상이 나타나 측정 자체가 불가능하였다. 반면, PVF 대신 내후성 PET-r1 필름을 기반으로 제조된 PPP 백시트는 96시간 경과 후에서조차 최초 대비 84%의 우수한 보존율을 보였다. 이러한 경향은 연신율에서도 나타내고 있는데, 48시간 후의 TPT백시트보다 96시간 후의 PPP백시트의 연신율 보존율이 5% 가량 더 높았다.
하지만, PCT 테스트 진행 후, 두 백시트는 전혀 다른 기계적 물성변화를 나타내었다. 상용 TPT 백시트는 48시간 동안 PCT 조건에서 노출된 이후 인장강도가 최초 대비 58%로 감소되었으며, 96시간 이상에서 깨짐현상이 나타나 측정 자체가 불가능하였다. 반면, PVF 대신 내후성 PET-r1 필름을 기반으로 제조된 PPP 백시트는 96시간 경과 후에서조차 최초 대비 84%의 우수한 보존율을 보였다.
에스터교환반응 초기에는 반응한 에탄올 몰수만큼 질량증가가 동반되므로, 에탄올 노출시간에 따른 PET 필름의 화학적 안정성을 단시간 내 비교할 수 있었다. 특히, pH2의 산조건에서 PET에 대한 에스터교환반응이 두드러지게 나타났으며, 결정도가 높은 PET-r1이 선택된 PET 중에서 가장 뛰어난 화학적 안정성을 가지는 것을 알 수 있었다.
두 종류의 백시트는 초기 인장강도면에서는 큰 차이를 보여주지 않는다. 하지만, 연신율에 있어서는 결정성 재료로 이루어진 PPP 백시트에 비해, 불소계 TPT 백시트가 상당히 차이를 가지고 연신됨을 확인할 수 있었다. 하지만, PCT 테스트 진행 후, 두 백시트는 전혀 다른 기계적 물성변화를 나타내었다.
후속연구
하지만, PET 소재의 본질적인 가수분해성으로 인해, PET 기반의 고내후성 백시트 개발을 위해서는 추가적인 내후성 향상방안이 고려되어야 한다. 이러한 목적으로 시도된 대표예로는 PET 필름 제조 시나노무기입자(알루미나 또는 Clay)를 고르게 분산시켜유-무기 나노 복합형 PET를 제조하는 방법[19]이나, 수분투과를 방지하는 소수성 나노 입자를 백시트용 필름 접착제에 도입시키는 방법 등이 검토/연구되어질 수 있으며, 그 결과는 추후로 보고될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대표적인 백시트 소재인 PVF의 단점은?
PVF는 낮은 수분투과도, 열적 안정성, 그리고 우수한 내후성을 가지고 있다[5]. 하지만, 단일층으로 제조되었을 경우, 일정두께 이상에서 기계적 깨짐성이 나타나며, 가격(1와트당 $0.13[6])이 매우 높다는 단점이 있다.
백시트란?
태양전지는 태양복사에너지를 반도체의 광전효과를 통해 전기에너지로 변환시키는 친환경 에너지변환장치를 의미한다. 수분을 포함하는 다양한 화학물질들에 대한 높은 차단성을 갖는 다층형 필름인 백시트는 태양전지의 중요한 요소이다. 대표적인 백시트는 polyvinyl fluoride (PVF)와 poly(ethylene terephthalate) (PET)의 다층필름으로 구성된다.
PET 필름만으로 백시트를 제조할 경우의 문제점은?
일반적으로는 중합반응의 결과, 무정형으로 제조되어 물이나 알코올과 같은 가수분해조건에서 자발적으로 분해되어진다[10]. 따라서, PET 필름만으로 백시트를 제조할 경우, 일정온도의 가습 조건에서 부분적으로 분해되어 깨짐현상이 발생하고, 그 결함을 통해 투과된 습도에 의해 태양전지 성능이 저하되는 문제점이 발생하게 된다. 이러한 이유로 인해 PET 필름만으로 이루어진 백시트는 주로 저가, 저수명특성을 요구하는 태양전지에 국한적으로 사용되어져 왔다.
참고문헌 (19)
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T. U. Kang, C. H. Shin, M. J. Choi, J. K. Koo, and N. J. Cho, "A study on the ionic conducting characteristics of electrolyte membranes containing KI and I2 for dye sensitized solar cell", Membr. J., 20, 21 (2010).
M. Quintana, D. King, T. McMahon, and C. Osterwald, "Commonly observed degradation in field-aged photovoltaic modules", Conf. Record, 29th IEEE PVSC., IEEE, pp. 1436, New Orleans (2002).
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T. Yoshioka, T. Sato, and A. Okuwaki, "Hydrolysis of waste PET by sulfuric acid at $150^{\circ}C$ for a chemical recycling", J. Appl. Polym. Sci., 52, 1353 (1994).
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