충진재를 적용한 염료감응 태양전지 BIPV 패널의 특성에 관한 연구 :(A) Study on Characteristic of DSSC BIPV Panel with Encapsulant

장한빈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장한빈 (공주대학교, 공주대학교 대학원)

지도교수: 김준태

발행연도: 2013

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2013

염료감응형 태양전지를 적용한 유리 패널의 효율 향상에 관한 연구

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충진재를 적용한 염료감응 태양전지 BIPV 패널의 특성에 관한 연구

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2012

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차세대 태양전지 중 특히 염료감응태양전지는 투광성을 가지고 있으며 다양한 컬러구현 및 디자인이 가능하고 입사각의 민감도가 적어 BIPV 적용에 유리한 장점을 가지고 있다.
이러한 장점에도 불구하고 현재 소다라임 글라스에 인쇄되는 형태로 제작되는 염료감응태양전지는 대면적 단판 module 제작의 한계 및 강도의 문제로 직접적으로 단판 module을 BIPV에 적용하기에는 어려움을 가지고 있다. 이에 따라 일반적으로 염료감응태양전지를 건물에 적용하기 위해서 복층유리와 동일하게 Glass to Glass 구조로 제작되어 왔다.
하지만, 기존의 복층유리 방식의 염료감응태양전지 패널은 패널 전면부에 중공층을 포함한 구조적 특징으로 인하여 투과율 저하가 크게 되어 단판 module 대비 효율 감소가 매우 크고, 복층유리와 동일하게 외부 유리 외곽의 테두리만 실링하는 형태로서 외부 스트레스로부터 완벽하게 내부의 단판 module을 보호하는데 어려움이 있어 각 module간 연결되는 전극의 부식 등으로 인한 효율 감소 우려가 있다.
이에 따라, 본 연구에서는 기존 복층유리 방식의 패널화 방식에 대한 문제점을 해결하기 위해 충진재를 이용한 염료감응태양전지 패널화 방안을 제안하고 기존 복층유리 방식 패널과 비교실험을 통해 그 성능 및 특성을 분석하는 것을 목적으로 한다.
연구결과 충진재를 적용에 따라 염료감응태양전지 패널 전면부 시편의 경우 복층 type 염료감응태양전지 패널 전면부 시편 대비 가시광선 파장영역(380nm∼780nm)을 기준으로 6.0%, N719 염료의 양자변환 효율이 가장 우수한 파장영역 530nm을 기준으로 6.2% 더욱 우수한 것으로 분석되었으며, 패널의 전체적인 투과율은 복층 type 패널 대비 3.1% 상승하였다. 또한 가시광선 및 자외선, 고온 장기 노출 및 급격한 온도 변화에 대한 내구성 평가를 통해 충진재가 염료감응태양전지 패널의 재료로서 안정하다는 것을 확인되었다. 이와 더불어 충진재 적용에 따라 염료감응태양전지 기술의 맹점인 전해질 누액 방지를 위한 태양전지 module 실링을 보조할 수 있는 성능을 가진 것으로 분석되었다.
충진재 적용에 따른 전기적 성능 분석결과 기존 패널 제작 방식인 복층 type 패널 대비 측정 효율 7% 상승, 일일발전량 약 10% 상승하였다. 본 연구를 통해 충진재 적용에 따라 염료감응태양전지 패널의 전기적 성능향상 및 내구성, 채광 성능 향상이 확인되었다.
염료감응태양전지 패널화를 위한 충진재 선택에 있어서 전면재료 및 염료감응태양전지 외부 기판과 동일한 굴절률을 가지고 높은 투과성을 가지는 재료를 선택하는 것이 모듈 효율을 향상 시키는데 유리하며, 기포 발생 및 공정의 용이성을 위해 저점도의 재료를 선택하는 것이 적합할 것으로 판단된다. 또한 열 경화 및 UV 경화 타입의 재료보다는 상온경화 타입의 충진재를 사용하는 것이 열화에 취약한 염료감응태양전지의 열로 인한 충격을 방지하고 공정로드를 줄일 수 있어 보다 유리할 것으로 분석된다.
추후, 염료감응태양전지 BIPV 패널재료 및 구조의 최적화를 위해 보다 다양한 환경조건에서의 충진재의 추가적인 검토와 실리콘 계열의 충진재 이외의 다양한 재료에 대한 성능 분석 및 충진재 적용으로 인한 패널의 단열 성능 변화에 대한 추가적인 검토가 필요할 것으로 사료된다.

A dye-sensitized solar cell (DSSC or DSC), one of thin film solar cell, is regarded as relatively low-cost solar cells and has transparency feature. With these attractive aspects, it can also be designed in various colors and shapes and has low sensitivity to angle of incidence, which gives its favorable strength in application to building-integrated photovoltaic (BIPV).
Despite of this benefits, it is difficult to directly apply its single module to BIPV because DSSC is manufactured by being printed on soda-lime glass as there are solidity problems and limits in manufacturing a large size of a single module. In response to this, its application to buildings requires to form a double glazing unit with DSSC modules that maintains air gaps between the outside glass and the DSSC modules.
However, DSSC panels manufactured by a way of double glazing include intermediate space at its front, so that this structural characteristic decreases its transparency and electrical efficiency considerably, compared to a single module alone. Also as only edges of its outside glasses are sealed like double glazing, it is hard to perfectly protect inside single module from external stress. There is also a concern that the corrosion of connected electrodes between modules could cause the efficiency reduction of the DSSC.
Therefore, the study aims to suggest a new method of a DSSC glazing unit that uses an encapsulant between a front glass and the DSSC modules in order to resolve the problems of the existing panelizing method of double glazing units with DSSC modules, and to analyze the performance and characteristics of the DSSC panels of the glazing unit using the encapsulant.
The experimental results of this study show that the light transmittance of the DSSC glazing panel with the encapsulant improved, compared to the existing DSSC glazing; the former had 6.0% superior in the visible light wavelength area of 380 nm ~ 780 nm and 6.2% improved in the wavelenght area of 530 nm where the efficiency of quantum transformation of N719 dye is the greatest. And the overall transparency of the former increased by 3.1%, compared to that of the double glazing type panels. It also found that the encapsulant proved to be a safe material for DSSC through the durability evaluation tests, such as long exposed to visible light, ultraviolet light, high temperature and rapid temperature changes. In addition, as the encapsulant was applied to the DSSC glazing panels, there is an opportunity to better seal the DSSC to prevent electrolyte leakage, which is closely related to the durability of DSSC. In the aspects of the electrical performance, the DSSC glazing with the encapsulant outperformed the existing DSSC glazing panel; it had 7% higher efficiency and produced about 10% more electricity during a day.
Through the study, the DSSC panels applied with the encapsulant improved in terms of electrical performance, durability and light transmittance.
For choosing an encapsulant for DSSC panels, it is advantageous to select material which have the same refractive index as those of transparent material in front and the external layer of DSSC, and have hight transparency in improving the efficiency of modules. It is also advisable to select a material with low viscosity to avoid bubble between the layers and to handle easily. In regarding the hardening methods, the encapsulant material to be hardened at room temperature has an advantage over one hardened by heat or UV, as the DSSC is venerable to heat and the processing load is an issue of industry.
Further examinations of the encapsulant for DSSC glazing units under more diverse circumstances should be carried out to optimize the effeciency of DSSC and overall performance of a glazing unit. It is also necessary to analyze the performance of various encapsulant materials other than liquid silicon, and to investigate the thermal performance of DSSC glazing units with the application of the encapsulant.

Ⅰ. 서론 1
1. 연구 배경 및 목적 1
2. 연구의 범위 및 방법 3
Ⅱ. 이론적 고찰 5
1. 염료감응태양전지(DSSC; Dye-Sensitized Solar Cell) 5
1) 염료감응태양전지 구조 및 원리 5
2) 염료감응태양전지 특징 8
3) 염료감응태양전지 패널 건물적용사례 및 한계점 10
2. 염료감응태양전지 패널 투과 반사 메커니즘 15
3. 태양전지 패널 Encapsulation 재료 17
Ⅲ. DSSC BIPV 패널 적용 충진재의 특성분석 19
1. 개요 및 분석방법 19
2. 충진재 광학 성능 평가 20
1) 종류별 광학성능 평가 20
2) 혼합비에 따른 광학성능 평가 23
3) 충진재 적용에 따른 패널 전면부 광학 성능 평가 24
4) 충진재 적용에 따른 패널 전체 광학 성능 평가 27
3. 충진재 내구성 평가 29
1) 자외선 및 가시광선에 대한 재료 안정성 평가 (Light Soaking Test) 30
2) 급격한 온도 변화에 대한 재료 안정성 평가 (Thermal Cycling Test) 32
3) 고온에서의 재료 안정성 평가 (85℃ Thermal Heat Test) 34
4) 충진재 패킹 성능 평가 37
4. 소결 39
Ⅳ. 충진재 적용 DSSC BIPV 패널 전기적 성능 평가 40
1. 개요 및 분석방법 40
2. 충진재 적용에 따른 전기적 성능 평가 41
1) 충진재 두께별 전기적 성능 평가 41
2) 충진재 적용에 따른 패널의 전기적 성능 평가 43
3) 충진재 적용에 따른 패널의 발전 성능 평가 47
3. 소결 49
Ⅴ. 결론 50
참 고 문 헌 52
ABSTRACT 55

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