1. Introduction

태양광발전은 빛에너지를 광전효과를 이용하여 전기에너지로 변환하는 발전기술이다. 국내뿐만 아니라 세계적으로 친환경에너지 발전기술의 움직임이 확산함에 따라 태양광발전의 시장규모가 성장될 전망이다^(1,2). 태양광 모듈은 옥외에 설치되기 때문에 미세먼지, 황사, 송진 가루, 동물의 배설물 등의 오염물질이 부착된다. 오염물질이 제대로 세정이 되지 않으면, 광투과율이 저하되고 자연적인 세정 효과가 떨어지므로 이로 인한 태양광 발전효율의 감소로 경제성이 낮아진다. 또한, 오염으로 인한 음영으로 인한 hot-spot이 발생하여 태양광 모듈의 수명이 줄어든다^(3,4). 태양광 모듈은 높은 지붕에 부착되거나 옥상에 설치되고 지상에 설치된 모듈 중에서는 시가지 외에 설치되어 세정과 관리 등 유지보수에 큰 비용과 시간이 소요된다. 이러한 단점은 태양광 모듈용 덮개유리 위에 오염방지코팅을 하여 오염물질이 비로 쉽게 제거되면 태양광발전의 유지보수가 용이하다^(5,6).

오염방지코팅의 적용은 음영으로 인한 hot-spot이 감소하여 발전효율을 증가시켜줄 뿐만 아니라, 적은 비용으로 유지보수에 용이하고 태양광 모듈의 수명을 증가시킨다. 하지만, 오염방지코팅의 내구성이 낮다면 오히려 유지보수 측면에서 오염방지코팅을 적용이 되지 않은 태양광모듈용 덮개유리보다 효율이 떨어질 수 있다.

따라서 본 연구에서는 오염방지 코팅을 적용하지 않은 유리 기판과 오염방지 코팅기술이 적용된 태양광 모듈용 덮개유리 기판을 옥외에 설치하고 한 달 동안 내구성의 변화를 분석하였다. 오염방지 코팅은 유리 기판 위에 브러시코팅 방식을 적용한 후 열풍기로 열처리를 수행하였다. 코팅방식과 열처리 방식의 횟수에 따른 옥외에서의 오염방지코팅을 한 시편의 광투과율과 접촉각을 통해 내구성을 평가하였다.

2. Experimental Details

3. Results and Discussion

실리콘 태양전지의 광전효율은 태양광의 파장이 400~900nm일 때 가장 우수하므로 본 실험의 샘플에 대하여 400~900nm 파장 구간의 광투과율의 평균을 측정하였다⁽⁷⁾. 그림 1은 1~5주차에 코팅되지 않은 유리 기판의 광투과율을 나타낸다. 광투과율은 1주차에 99.96%, 2주차에 96.60%, 3주차에 96.38%, 4주차에 96.35%, 5주차에 95.95%로 측정되었다. 1주차와 2주차의 차이가 3.36%P로 큰 변화율을 나타내었고 3주차 이후에 0.03~0.4%P의 변화율을 나타냈다.

그림 2는 1~5주차에 오염방지 코팅을 2회 적용한 공정의 광투과율을 나타낸다. 광투과율은 1주차에 98.93%, 2주차에 98.42%, 3주차에 98.60%, 4주차에 98.42%, 5주차에 98.47%로 측정되었다. 1주차에서 5주차까지 0.05~0.51%P의 변화율로 코팅되지않은 샘플보다 코팅된 샘플의 경우 광투과율이 낮은 변화율을 나타냈다.

그림 3은 1~5주차에 오염방지 코팅을 3회 적용한 공정의 광투과율을 나타낸다. 광투과율은 1주차에 98.18%, 2주차에 98.16%, 3주차에 98.38%, 4주차에 98.37%, 5주차에 98.41%로 측정되었다. 1주차에서 5주차까지 0.01~0.22%P의 변화율로 오염방지 코팅을 2회 적용한 공정보다 낮은 변화율을 나타냈다.

오염방지 코팅 샘플의 접촉각은 접촉각 측정기를 이용하여 유리 기판 위에 5μL의 탈 이온수를 한 방울 떨어뜨려 측정하였다. 그림 4는 1~5주차에 코팅되지 않은 유리 기판의 접촉각을 나타낸다. 접촉각은 1주차에 26.44°, 2주차에 51.53°, 3주차에 51.15°, 4주차에 50.84°, 5주차에 58.66°로 측정되었다. 1주차와 2주차의 차이가 25.09°로 큰 변화율을 나타냈고, 상대습도와 강수량이 높은 4주차와 5주차에 7.82°로 다음으로 큰 변화율을 나타냈다.

그림 5는 1~5주차에 오염방지 코팅을 2회 적용한 공정의 접촉각을 나타낸다. 접촉각은 1주차에 9.27°, 2주차에 12.49°, 3주차에 14.9°, 4주차에 13.29°, 5주차에 20.18°로 측정되었다.

또한, 상대습도와 강수량이 높은 4주차와 5주차에 6.89°로 큰 변화율을 나타냈지만 코팅되지 않은 샘플보다 낮은 변화율을 나타냈다.

그림 6은 1~5주차에 오염방지 코팅을 3회 적용한 공정의 접촉각을 나타낸다. 접촉각은 1주차에 9.8°, 2주차에 10.65°, 3주차에 14.28°, 4주차에 11.56°, 5주차에 12.67°로 측정되었다. 1주차에서 5주차까지 0.85~3.55°의 변화율로 오염방지 코팅을 2회 적용한 공정보다 낮은 변화율을 나타냈다. 또한, 상대습도와 강수량이 높은 4주차와 5주차에 1.11로 오염방지 코팅을 2회 적용한 공정보다 변화율이 낮았다.

1주차~5주차에 코팅하지 않은 유리 기판과 코팅 공정 횟수에 따른 광투과율을 그림 7의 그래프에 정리하였다. 옥외 설치 후 1주 경과된 샘플의 코팅되지 않은 유리 기판을 기준으로 오염방지 코팅을 2회 적용한 유리 기판과 3회 적용한 유리 기판의 광투과율은 각각 1.03%P, 1.78%P의 차이로 낮게 측정됐다. 2주차 샘플의 광투과율은 각각 1.82%P, 1.56%P의 차이, 3주차 샘플의 광투과율은 각각 2.22%P, 2.00%P의 차이, 4주차 샘플의 광투과율은 각각 2.07%P, 1.99%P의 차이로 높게 측정됐다. 마지막으로 5주차 샘플의 광투과율은 각각 2.52%P, 2.46%P의 차이로 높게 측정됐다.

옥외 설치 후 1주 경과된 오염방지 코팅을 2회 적용한 유리 기판을 기준으로 3회 적용한 공정의 광투과율은 0.75%P의 차이로 낮게 측정됐다. 2주차 샘플의 광투과율은 0.26%P의 차이, 3주차 샘플의 광투과율은 0.22%P의 차이, 4주차 샘플의 광투과율은 0.05%P의 차이로 낮게 측정됐다. 5주차 샘플의 광투과율은 0.06%P의 차이로 낮게 측정됐다. 하지만 1주차보다 그 차이가 낮음을 확인했다.

1주차~5주차에 코팅하지 않은 유리 기판과 코팅 공정 횟수에 따른 접촉각을 그림 8에 그래프로 나타내었다. 옥외 설치 후 1주 경과된 샘플의 코팅되지 않은 유리 기판을 기준으로 오염방지 코팅을 2회 적용한 공정과 3회 적용한 공정의 접촉각은 각각 17.17°, 16.64°의 차이로 높은 친수성을 나타냈다. 2주차 샘플의 접촉각은 각각 39.04°, 40.88°의 차이, 3주차 샘플의 접촉각은 각각 36.25°, 36.87°의 차이, 4주차 샘플의 접촉각은 각각 37.55°, 39.28°의 차이로 높은 친수성을 나타냈다. 5주차 샘플의 접촉각은 각각 38.48°, 45.99°의 차이로 높은 친수성을 나타냈다.

옥외 설치 후 1주 경과된 오염방지 코팅을 2회 적용한 유리 기판을 기준으로 3회 적용한 유리 기판의 접촉각은 0.53°의 차이로 낮은 친수성을 나타냈다. 2주차 샘플의 접촉각은 1.84°의 차이, 3주차 샘플의 접촉각은 0.62°의 차이, 4주차 샘플의 접촉각은 1.73°의 차이로 높은 친수성을 나타냈다. 5주차 샘플의 접촉각은 7.51°의 차이로 높은 친수성을 나타냈다.

코팅하지 않은 유리 기판은 코팅한 유리 기판보다 친수성이 낮으므로 자연적인 세정작용이 어렵고 이에 따라 계속해서 오염제거가 어려워지면서 광투과율이 감소하여 효율이 저하되며, 광투과율과 접촉각의 변화율이 높음을 확인했다. 오염방지 코팅을 2회 적용한 공정은 상대습도와 강수량이 많을수록 접촉각 특성이 낮아지고 변화율이 높음을 확인했다. 오염방지 코팅을 3회 적용한 공정은 광투과율과 접촉각 특성의 변화율이 낮음을 확인했다.

4. Conclusion

본 연구에서 오염방지 코팅을 적용하지 않은 유리 기판과 오염방지 코팅을 2회 적용한 유리 기판, 3회 적용한 유리 기판을 옥외에 설치하고 1~5주 동안 내구성의 변화를 분석하였다. 옥외 설치 후 1주가 경과된 샘플에서 오염방지 코팅이 2~3회 처리된 유리 기판이 오염방지 코팅이 처리되지 않은 유리 기판보다 광투과율은 낮았지만, 접촉각이 낮아 보다 친수성임을 확인했다. 옥외 설치 후 2주 경과 이후의 샘플부터는 오염방지 코팅이 2~3회 처리된 유리 기판이 코팅기술이 처리되지 않은 유리 기판보다 광투과율과 친수성이 모두 높음을 확인했다.

1~5주차 샘플에서 오염방지 코팅기술이 3회 적용된 유리 기판이 오염방지 코팅기술이 2회 적용된 유리 기판보다 광투과율이 낮게 측정되었지만, 그 차이가 1주차 샘플보다 2~5주차 샘플에서 더 작게 측정되었다. 또한, 옥외 설치 후 1주가 경과된 샘플의 접촉각은 오염방지 코팅을 3회 적용한 유리 기판이 2회 적용한 유리 기판보다 접촉각이 높았지만, 2주가 경과된 후의 샘플부터는 접촉각이 낮아 보다 더 친수성임이 확인되었다. 따라서 브러시코팅 방식 및 열풍기를 200℃의 온도로 2분 동안 수행하는 방법을 적용하여 5분 간격으로 오염방지 코팅을 3회 적용한 유리 기판이 5주 동안 옥외에서 내구성 테스트를 진행했을 때 그 특성이 우수한 것을 확인했다.

이러한 결과를 바탕으로 본 연구의 내오염성 코팅을 태양광 모듈용 커버글라스에 적용할 경우 오염방지 성능 향상을 통해 태양광 모듈의 발전효율이 증가될 것으로 기대된다.