Mobile QR Code QR CODE : The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers

  1. (SFC Co. Ltd. R & D Center, Korea)
  2. (New & Renewable Energy Material Development Center, Korea)
  3. (Dept. of ICT Automotive Engineering, Hoseo University, Korea)



Backsheet, Solar module, Transparent, Bifaciality, Transmittance

1. 서론

태양광 모듈은 태양광 에너지를 전기에너지로 변환시키는 태양전지와 전지의 전면을 보호하는 저철분 강화유리, 모듈의 후면을 보호하는 보호필름, 그리고 모듈의 체결을 위한 알루미늄 프레임으로 구성되어있다. 이 중 백쉬트(back sheet)는 기계적인 강도, 자외선으로부터의 내성, 열수축 등의 장기신뢰성 및 환경내후성에 대한 물성이 요구된다[1-6].

태양광 모듈의 효율을 개선하는 연구는 꾸준하게 진행되고 있다[7-9]. 그 중에는 태양전지에 도달하는 광 에너지의 양을 늘려 발전량을 상승시키는 방법이 있는데, 기본적으로 태양광 모듈의 전면을 통해 입사된 빛이 셀과 셀 사이의 간격을 통해 모듈의 후면 보호기능을 하는 백쉬트(back sheet)까지 입사된 후, 다시 반사되어 나온 빛을 셀의 후면에 도달하게 함으로써 추가적인 발전량을 얻어내는 방식이 있다. 하지만 이러한 방식은 셀과 셀의 간격이 좁을수록 백쉬트(back sheet)에 도달하는 빛이 적고, 이에 따라 백쉬트(back sheet)에서 반사되어 나온 빛의 양 또한 적을 수 밖에 없기 때문에 발전량 상승에 원리적으로 한계가 있을 수 밖에 없었다. 더 많은 양의 빛을 셀의 후면으로 수광하기 위한 방법으로, 백쉬트(back sheet)를 투명하게 제작하여 지표면 및 주변 사물에 의해 반사되어 태양광 모듈의 후면에 도달하게 된 빛이 높은 투과도를 가진 백쉬트(back sheet)를 투과하여 셀에 도달함으로써 기존 방식보다 표면적으로 더 많은 양의 빛을 셀의 후면을 통해 수광하여 발전량을 크게 향상시킬 수 있다. 이러한 원리를 이용한 태양광 모듈을 양면수광형(bifacial) 모듈이라고 한다[10]. 본 논문에서는 앞서 말한 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)로서 높은 투과율을 가지고 있으면서, 자외선으로 인한 백쉬트(back sheet) 및 모듈 기재의 노후화를 방지하기 위해 자외선은 차단하며 가시광선 영역 이상의 파장만을 투과시켜 셀의 후면에 도달시킬 수 있는 백쉬트(back sheet)를 제작하였다. 이 백쉬트(back sheet)의 인장강도, 연신율, 보존율, 투과율 및 색차를 측정하였으며 양면 수광을 통한 백쉬트(back sheet)의 발전효율 특성을 고찰하였다.

2. 본론

2.1 양면수광형(bifacial) 태양광모듈의 구성

양면수광형 태양광 모듈은 전면에 입사되는 태양광 입사광 뿐만 아니라 후방으로 입사되는 태양광 반사광을 이용하므로 기존의 단면수광형 태양광 모듈에 비교하여 평균 약 10%의 발전 효율이득(반사계수, albedo 20% 기준)을 얻을 수 있다. Fig. 1은 양면수광형 태양광 모듈의 집광 개략도이다.

그림. 1. 양면수광형 PV panel의 집광 개략도

Fig. 1. Rear-irradiation collection power gain for bifacial PV panel

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/fig1.png

양면수광형 태양광 모듈의 에너지 이득(gain) 향상은 태양광 모듈 후방조사광량의 반사계수(albedo)에 의하여 결정이 된다. 양면수광형 PV 모듈의 발전량을 좌우하는 주요인자는 지표면의 반사매질의 종류에 가장 큰 영향을 받는다. 반사계수(albedo)는 태양광이 반사되는 지표면 매질의 종류에 따라 10%~30%의 편차를 갖는다. 후방조사광량의 태양광 에너지 상승요소는 다음의 수식(1)로 표현된다.

(1)
$후방조사광량 \propto (1-cos (180 ^ { \circ } - 기울기)) \cdot 반사계수 \cdot 총입사광량$

위의 식에서 기울기는 태양광 모듈과 지표면과의 기울기각도(tilt angle)이며 총입사광량(GHI, Global Horizontal Irradiation)은 지표면에 입사되는 태양광의 총량이다. 반사계수(albedo)는 입사태양광이 다양한 매질에 반사되는 광량의 비율을 의미한다.

2.2 실험방법

본 연구에서는 백쉬트(back sheet)에 가시광선 파장에서 85 % 이상의 고 투과도 특성을 부여하기 위해 이에 상응하는 약 88 %의 투과도를 가진 250㎛ 두께의 PET를 사용하였으며, 한쪽 면에는 모듈 제작 시 봉지재(encapsulant, EVA)와의 강력한 부착력을 부여하기 위해 투명한 색상의 표면개질 프라이머(primer)를 5 ㎛ 두께로 코팅하여 표면처리를 하였다.

그 후 PET의 외부면(outer layer)에는 자외선 차단 성능을 부여하기 위해 투명 색상의 2-플루오르화폴리비닐리덴(PVDF) 코팅액에 자외선 흡수제를 첨가하여 10㎛ 두께로 코팅하였다. Fig. 2는 제조된 투명 백쉬트 보호필름의 롤(roll) 형태의 소재이고 Fig. 3은 백쉬트의 단면구성도이다.

그림. 2. 제조된 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)

Fig. 2. Transparent backsheet for bifacial PV module application

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/fig2.png

그림. 3. 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)의 구조

Fig. 3. Cross-sectional structure of bifacial PV panel

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/fig3.png

Fig. 3과 같이 만들어진 고 투과도(high transparent) 특성을 갖는 백쉬트(back sheet)의 인장강도와 연신율, 내후성 보존율을 ASTM D 882 규격으로 만능시험기를 이용하여 측정하였고, 측정 장비는 T社의 TO-100-IC 모델을 사용하였다. 투과율 및 색차의 경우 D65와 ASTM E313-73 규격에 의하여 측정하였고, 사용한 장비는 K社 CM-3600D 모델을 사용하였다. 고 투과도 백쉬트(back sheet)의 양면에 코팅된 잉크의 분산성과 구조를 알아보기 위해 주사전자현미경 장비로서 J社 JSM-7500F 모델을 사용하였다. 환경 내후성 평가를 위해 사용한 항온항습시험장비로는 C社 HQ-DAC100 모델을 사용하였으며 온도 121℃, 습도 100%에서 24시간, 48시간, 72시간 동안 내후성 실험을 진행하였다. 발전효율 실험은 신재생에너지 소재개발지원센터의 실증평가 단지에서 진행을 하였고 설비는 Solar Simulator를 이용하였다. 평가용 모듈은 H社 EVA를 이용하여 라미네이션 공정을 통해 145℃에서 열합착(thermal lamination)을 진행하였다.

3. 실험결과 및 고찰

3.1 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)의 미세구조

투명 백쉬트(back sheet)는 무기분산제를 사용하지 않고 투명한 불소분산액(2-플루오르화폴리비닐리덴(PVDF)과 불화비닐수지(PVF))을 이용하여 일정하게 분산된 필름을 구성하는 것이 핵심이다. Fig. 4는 제조된 투명 백쉬트 표면구조 및 단면구조의 주사전자현미경(SEM, Scanning Electronic Microscopy) 사진이다. 10,000배율에서도 불소수지의 입자나 입자응집현상(aggregation)이 발생하지 않는 매우 일정하게 분산된 백쉬트 이면구조를 확보 할 수 있었다. 백쉬트의 총 두께는 내부중심층(core layer)이 250 μm이고 양면 코팅이 총 15μm를 구성하고 있다.

그림. 4. 투명 백쉬트(back sheet)의 SEM 미세구조 사진

Fig. 4. SEM surface morphology structure of transparent backsheet

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/fig4.png

3.2 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)의 물리적 특성 및 장기촉진 내후성

태양광 모듈은 필드에 설치된 이후 20년 이상 장기 신뢰성과 품질 안정성이 요구된다. Fig. 5Fig. 6은 제조된 투명 백쉬트(back sheet)의 기계적 성질과 장기 내후성 촉진 시험결과이다. 평가 방법은 PCT평가 (Pressure Cooker Test, 121℃, 100% 상대습도)에서 일정시간동안 시효(aging)한 후 만능시험기를 이용하여 최대하중과 연신특성을 측정한다[11]. 그 결과 최대하중 및 연신율의 보존율은 모두 PCT 공정 72시간까지 70% 이상 우수한 보존율을 나타내었다. 이 결과는 25년 이상의 열 및 습도환경에 대한 우수한 장기신뢰성을 보유하고 있음을 나타낸다.

그림. 5. 양면수광형 투명 백쉬트(back sheet)의 최대하중 및 보존율

Fig. 5. Tensile strength and retention rate of transparent backsheet

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/fig5.png

그림. 6. 양면수광형 투명 백쉬트(back sheet)의 연신율 및 보존율

Fig. 6. Elongation and retention rate of transparent backsheet

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/fig6.png

3.3 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)의 색차결과

제조된 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)의 색차측정 결과 황색도(yellow index, △YI)가 3 이상이면 표면산화에 의한 황변이 발생한 것으로 추정한다. Table 1은 투명 백쉬트(back sheet)의 PCT 시간에 따른 광학특성과 반사율을 측정한 도표이다. PCT 72시간 경과 후 △YI가 0.68로 측정이 되었다. 이는 열산화 특성에 매우 안정된 물성을 보유하고 있어 열황변이 없는 것으로 사료된다. 본 실험을 통하여 제조된 투명 백쉬트(back sheet)의 투과율은 85% 수준으로 나타났다. 이때 PCT시간에 비례한 투과율의 변화를 Fig. 7에 도식화하였다. 그 결과 초기 투과율은 85%로 확인하였으며 PCT 72시간까지 투과율 변화는 82% 이상을 유지하였다. 이는 고온 고습환경에서 투명 필름에 대한 투과율의 물성저하가 낮은 우수한 장기신뢰성을 확보한 결과이다.

표 1. PCT 평가에 따른 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)의 색차 변화

Table 1. Color difference and reflection variation of transparent backsheet

Data Name

TI(D65)

△TI

WI(E313-73)

△WI

YI(E313-73)

△YI

초기

85.09

77.49

2.26

24 시간

84.02

-1.06

75.76

-1.72

2.49

0.22

48 시간

83.45

-1.64

74.47

-3.02

2.72

0.46

72 시간

82.60

-2.49

72.99

-4.50

2.94

0.68

그림. 7. 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)의 PCT 평가 후 투과율 변화

Fig. 7. Transmittance characteristics of transparent back sheet for PCT test

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/fig7.png

3.4 양면 수광형 투명백쉬트(back sheet)의 파장대별 투과도 및 발전량

양면수광형 PV 패널로 적용함에 있어 모듈의 후면 방사광이 셀 후면까지 손실 없이 도달하기 위해서는 후면 보호필름의 투과도가 매우 주요한 인자인데 이를 측정하기 위하여 자외선-가시광선-적외선 영역 파장대역에서의 투과도(transmittance)를 측정하여 보았다. 측정은 UV-Visible Spectrophotometer(S 社, UV-2600)를 이용하여 측정하였으면 평가 대역은 200nm~1500 nm 파장 대역에서의 광 투과도 변화를 측정하였다. 그 결과를 Fig. 8에 도식화하였으며 태양광 전 파장영역에서 매우 높고 안정된 투과도를 확보하였다.

그림. 8. 파장 대역에 따른 투과도 변화량

Fig. 8. Transmittance variation dependent on wavelength

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/fig8.png

태양광 발전의 주요 파장대역인 400nm~1400nm 파장에서는 88% 이상으로 일정한 투과율을 보였으며, 내부 PET의 황변을 막기 위한 코팅막의 UV 차단 효과로 인해 약 390nm 파장 미만부터 투과율이 급격하게 감소하여 200nm~300nm 파장에서 1% 미만의 투과율을 유지하는 것을 확인하였다.

제조된 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)의 발전량을 알아보기 위해 소형 4cell을 이용한 모듈을 제작한 후 발전량 (Pmax)을 측정하였다. 미니모듈의 라미네이팅 공정은 145℃의 온도에서 2 step을 이용하여 진행하였다. 소형모듈의 총발전량(Pmax)의 변화량은 solar simulator를 이용하여 측정 조건은 AM (air mass) 1.5, 온도 25℃를 기준으로 평가하였다. Fig. 9에서 도식화한 측정 결과와 같이 단락 전류(Isc)는 8.32 A, 개방 전압(Voc)은 2.63V로 평가되었으며 최대 출력(Pmax) 결과는 15.27 W 로 측정되었다.

그림. 9. 양면수광형 모듈용 백쉬트(back sheet)의 최대출력 (Pmax)

Fig. 9. Maximum power output (Pmax) for transparent backsheet

../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/fig9.png

4. 결 론

본 연구를 통해 Reverse Gravure Coating 공정을 이용하여 bifacial module용 투명 백쉬트(back sheet)를 제작하여 보았다. 제조된 투명 보호필름의 장기 신뢰성 및 환경 내후성을 검증하기 위하여 인장강도, 연신율, 기초 내후성 평가물성을 측정하였다. 그 결과 인장강도의 경우 PCT평가 72시간까지, 연신율의 경우 PCT평가 48 시간까지 내후성 보존율을 70% 이상을 유지하는 것으로 확인하였다. 또한 해당 백쉬트(back sheet)의 중요한 기능인 색차 및 투과율 측정에서 PCT평가 72시간까지 △YI는 0.68로 측정이 되어 표면산화에 의한 황변이 발생하지 않음을 확인하였으며 투과율은 85% 이상을 유지하는 양호한 결과를 얻었다. 투명 색상의 표면개질 프라이머 (primer) 를 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(PET) 면에 적용하여 5㎛ 두께로 일정하게 코팅 층을 형성하였다. 또한 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(PET) 이면에 투명 색상의 액상 2-플루오르화폴리비닐리덴(PVDF)에 자외선(UV) 첨가제를 적용한 결과 10㎛ 두께로 일정하게 코팅층을 형성하였다. UV-Visible 분광특성 평가 결과 약 390 ㎚ 파장부터 UV 첨가제를 통한 차단 효과가 있는 것을 확인하였다. 제작된 고투과도 백쉬트(back sheet)를 4 cell 소형 모듈을 이용하여 발전량을 측정한 결과, 기존 백색의 백쉬트(back sheet)와 달리 양면 수광형이기 때문에 발전량 측정용 광선이 양면에 수광될 수 있도록 배치하여 평가하였다.

본 논문의 결과와 같이 2-플루오르화폴리비닐리덴(PVDF), 폴리에틸렌 텔레프탈레이트(PET) 등의 투명 원재료를 사용하여 양면수광형에 적용할 수 있는 고투과도의 투명형 보호필름을 제작하였다. 최근 태양광 발전 시스템에 있어 발전량을 증가시키기 위한 연구와 노력은 학계 및 산업계에서 지속적인 관심과 노력이 집중되고 있다. 이에 본 연구에서 확보된 양면수광형 모듈용 고투과도 투명 백쉬트는 태양광 패널의 발전량 향상에 효과적임을 확인할 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 산업통상자원부(MOTIE)와 한국 에너지 기술평가원(KETEP)의 지원을 받아 수행한 연구과제이다.(No. 20163030013540)

References

1 
Lee J. S., Kang G. H., Park C. H., Yu G. J., Ahn H. G., Han D. Y., 2011, Electrical Characteristics of PV Module According to Optical Characteristics of Back-sheet, The Korea Solar Energy Society, pp. 42-47Google Search
2 
Kim C. H., 2017, Study on long-term reliability and environmental durability of flame-retardant back sheet for photovoltaic modules, Department of Integrated Materials Engineering, Chungwoon University Graduate SchoolGoogle Search
3 
Frost & Sullivan , 2001, European flame retardant marketGoogle Search
4 
Gale Group , 2001, U.S. Market Trend & ForecastsGoogle Search
5 
Gerard J. F., 1999, Use of melamine with other minerals as flame retardants, Additives for Polymers, Vol. 11, No. 8Google Search
6 
Kang S. H., 2014. 8, Study on the temperature variance and electrical characteristic of PV module by applying heat removal backsheet, Department of energy Engineering, Jeonbuk National University Graduate SchoolGoogle Search
7 
Hong J. P., Yoon S. W., Hwang T. S., Oh J. S., Hong S. C., Lee Y. K., Nam J. D., 2012, High thermal conductivity epoxy composites with bimodal distribution of aluminum nitride and boron nitride fillers, Thermochimica Acta, Vol. 537, pp. 70-75DOI
8 
Kim Namsu, Kim Dajung, Kang Hanjun, Park Yong-Gi, 2016, Improved heat dissipation in a crystalline silicon PV module for better performance by using a highly thermal conducting backsheet, Energy, Vol. 113, pp. 515-520DOI
9 
Kim C. H., Jang H. T., Park J. S., Yoon J. K., Noh E. S., Park Jisoo, Koo K. W., 2018, Study on Thermal Conductive PV (PhotoVoltaic) Backsheet using MgO Masterbatch with High Thermal Conductivity, The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 67, No. 3, pp. 448-453Google Search
10 
Program on Technology Innovation , September 2016, Bifacial Solar Photovoltaic modules, EPRI (Electric Power Research Institute)Google Search
11 
Meyer E. L., Ernest van Dyk E., 2004, Assessing the Reliability and Degradation of Photovoltaic Module Performance Parameters, IEEE Transactions on Reliability, Vol. 53, No. 1DOI

저자소개

박 지 수 (Ji-Soo Park)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/au1.png

1992년 2월생

2017년 2월 청운대학교 화장품과학과 공학사

2016년 12월~현재 (주)에스에프씨 기술연구소 연구원

E-mail : jisoo@sfcltd.co.kr

노 은 섭 (Eun-Seob Noh)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/au2.png

1980년 4월생

2006년 2월 건양대학교 화학과 이학사

2006년 3월~2008년 6월 (주)알파켐 연구원

2009년 1월~2011년 9월 (주)백산ICI 주임연구원

2012년 4월~현재 (주)에스에프씨 기술연구소 과장

E-mail : esnoh@sfcltd.co.kr

윤 종 국 (Jong-Kuk Yoon)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/au3.png

1966년 6월생

1993년 2월 충남대학교 재료공학과 공학사

1995년 2월 충남대학교 재료공학과 공학석사

2002년 8월 경북대학교 센서공학과 공학박사

1995년 1월~1997년 2월 Motorola Inc. IC Process Engineer

1997년 3월~2003년 2월 성덕대학교 전자공학과 교수

2003년 3월~2007년 5월 코오롱 중앙기술원 선임연구원

2007년 5월~2012년 6월 금호석유화학 전자재료연구소 책임연구원

2012년 9월~현재(주)에스에프씨기술연구소 이사/연구소장

E-mail : yjk@sfcltd.co.kr

박 종 세 (Jong-Se Park)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/au4.png

1976년 12월생

2003년 2월 동국대학교 물리학과 이학사

2010년 8월 청운대학교 응용화학과 공학석사

2004년 7월~현재 (주)에스에프씨 기술연구소 부장

E-mail : jongs1219@sfcltd.co.kr

장 현 태 (Hyun-Tae Jang)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/au5.png

1979년 2월생

2004년 2월 순천향대학교 신소재공학 공학사

2005년 4월~2007년 12월 유니온금속 연구원

2008년 9월~현재 (주)에스에프씨 기술연구소 과장

E-mail : dave@sfcltd.co.kr

최 재 호 (Jaeho Choi)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/au6.png

1979년 2월생 1979년 4월생

2006년 2월 전북대학교 기계공학과 공학사

2008년 2월 전북대학교 기계공학과 공학석사

2015년 2월 전북대학교 기계공학과 공학박사

2015년 3월~현재 신재생에너지 소재개발지원센터 선임연구원

E-mail : choijaeho@jbnu.ac.kr

구 경 완 (Kyung-Wan Koo)
../../Resources/kiee/KIEE.2019.68.2.370/au7.png

1961년 2월 5일생

1983년 충남대학교 전자공학과(학사)

1992년 충남대학교 전자공학과(박사)

1987년~1989년 현대전자 반도체연구소 선임연구원

1989년~1994년 충청전문대학 전자과 조교수

1994년~2005년 영동대 학교 전자․정보공학부 부교수

2005년~현재: 호서대학교 자동차ICT공학과 교수

Tel : 041-360-4851

Fax : 041-360-4815

E-mail : alarmkoo@hoseo.edu