컬러 BIPV 패널 제조 방법
다음은, 2024년 7월 1일에 발간된 ‘Energy and Buildings’ 저널의 일부입니다.
이 섹션에서는 PV 모듈에 사용되는 몇 가지 일반적인 착색 기술에 대해 살펴보겠습니다. 이러한 기술은 유리의 특정 처리 방식에 결합 및 통합되어 눈부심을 조절할 수 있습니다. 일반적으로 가시광선 스펙트럼의 일부를 반사 및 산란시켜 색상 효과를 내는 동시에 적외선은 투과시킵니다. 일반적으로 표준 결정질 태양 전지의 경우, 전력의 약 절반은 적외선 광자에서 발생합니다. 별도의 언급이 없는 한, 이러한 예시에는 c-Si 태양 전지가 포함됩니다.
1. 착색 유리
1-1. 디지털 세라믹 인쇄
유리에 디지털 세라믹 인쇄(DCP)를 적용하면 잉크젯 기술을 사용하여 전면 유리의 내부 또는 외부 표면에 색상을 변경할 수 있는 유연성을 제공합니다. 그러나 일반적으로 모듈 내부의 유리 코팅면을 캡슐화재와 직접 접촉시키는 것이 선호됩니다. 이러한 방식은 풍화로 인한 코팅 열화를 방지하고 전면 유리 세척을 간소화하는 두 가지 목적을 달성합니다. 롤 인쇄나 스크린 인쇄와 같은 일반적인 유리 인쇄 방식도 가능하지만, DCP는 잉크젯 기술의 발전으로 인해 더욱 각광받고 있습니다. DCP는 다양한 패턴을 고해상도로 유연하게 제작할 수 있는 다재다능함 때문입니다. 잉크젯 디지털 세라믹 인쇄는 무기 세라믹 잉크를 사용합니다.
이 잉크는 안료와 프릿이라고 하는 매우 미세한 유리 입자의 혼합물로 구성됩니다. 유리에 인쇄한 후, 코팅은 640~700°C의 일반적인 온도에서 유리 강화 단계에서 유리 기판에 융합됩니다. 고온은 사용할 수 있는 안료의 수를 제한합니다. 잉크 제형에 사용되는 안료는 열적으로 안정적이어야 하며 소성 시 광학적 특성을 잃지 않아야 합니다. 세라믹 잉크를 제조할 때는 일반적으로 산화크롬, 산화구리, 혼합 산화물(CuCrO3), 이산화티타늄, 산화적철, 니켈, 안티몬, 티타늄, 루틸 또는 코발트 알루미네이트 블루 스피넬과 같은 무기 금속 산화물 안료가 사용됩니다. 주목할 점은 이 공정이 유리의 마모 및 화학 물질에 대한 저항성을 향상시킬 뿐만 아니라 자외선에 대한 뛰어난 복원력도 부여한다는 것입니다. (기타 생략)
1-2. 스크린 인쇄
실크 스크린 인쇄는 PV 전면 유리 커버의 안쪽을 인쇄하여 색상을 부여하는 또 다른 기술입니다. 잉크는 메시 스텐실을 통해 유리에 도포됩니다. 스텐실은 코팅되지 않아야 할 유리 영역을 가려 잉크가 묻지 않도록 하여 디자인을 만듭니다. 다음으로, 프릿 기반 잉크를 사용하는 경우, 잉크를 유리에 부착하기 위한 소성 공정이 필요합니다. 그 결과, 마모, 화학 물질 및 자외선에 대한 높은 내성을 가진 고품질 인쇄 품질이 구현됩니다. (기타 생략)
1-3. 대량 착색 유리
태양광 산업에서는 저철분 평판 유리를 사용하여 광 투과율을 최적화합니다. 그러나 제조업체는 생산 공정 중에 유리에 착색제를 첨가할 수 있는 유연성을 가지고 있으며, 이를 대량 착색 유리라고 합니다. 표면에 색상을 입히는 인쇄 유리와 달리, 대량 착색 유리는 전체 부피에 걸쳐 변형을 겪으며, 투명도와 채도의 균형을 이루는 색상을 만들어냅니다. [18] 유리의 색상은 용융 단계에서 분말 산화물, 황화물 또는 기타 금속 화합물을 첨가하여 조절할 수 있습니다. 예를 들어, 황화카드뮴, 염화금, 산화코발트를 첨가하면 각각 노란색, 빨간색, 청자색을 얻을 수 있습니다.
2. 유색 캡슐화제, Coloured Encapsulant
유색 캡슐화제는 표준 폴리머 압출 공정으로 생산됩니다. 유기 또는 무기 색소와 자외선 흡수제, 산화방지제 등과 같은 필수 첨가제를 베이스 수지에 첨가합니다. 압출 공정은 일반적인 PV 캡슐화제와 마찬가지로 대량 생산 공정에 적합합니다. 포일의 반투명도는 필름 두께 또는 착색제의 농도를 조정하여 조절할 수 있습니다. 일반적인 가공 온도는 200°C 미만으로 유지되므로 DCP 공정에서 사용되는 염료에 대한 요구 사항이 완화되어 안료 선택 범위가 좁아집니다.
Merck 또는 BASF 등에서 상용화한 간섭 안료를 사용하여 유색 봉지재를 생산할 수 있습니다. 간섭 안료는 가시광선을 선택적으로 흡수하여 색상을 제공하는 대신 빛 반사를 조절하여 PV 모듈에서 성능 손실을 20% 미만으로 유지하면서 선명한 간섭 색상을 생성할 수 있습니다. 단점은 흡수성 안료를 사용할 때와는 달리 색상 각도 감도가 더 높다는 것입니다. 발광 염료는 또한 압출과 호환되며 유색 캡슐화제 제형에 통합될 수 있습니다. (기타 생략)
3. 착색된 반투명 PV 활성층
BIPV 제품에 착색을 적용하는 또 다른 방법은 비정질 실리콘 PV 모듈(a-Si)의 반투명성을 이용하는 것입니다. 여기서 활성층은 투명도를 향상시키기 위해 부분적으로 제거됩니다. 예를 들어, Onyx solar는 Vanceva의 착색된 PVB 봉지재를 사용하여 반투명 비정질 실리콘 박막 모듈을 후면 유리에 적층합니다.
이를 통해 전기를 생성할 수 있는 균일한 외관을 가진 착색된 반투명 적층판이 생성됩니다. BIPV 유닛 후면에 착색층이 적용되므로 적용 색상으로 인한 성능 손실이 최소화됩니다. 투명도를 조절하여 외관을 더욱 미세하게 조정할 수 있습니다. 이러한 제품은 전력 변환 효율보다 반투명성을 우선시하는 예외적인 경우인 외벽에 적용하기에 가장 적합할 수 있습니다. 이 기술의 단점은 비정질 실리콘 박막 모듈의 변환 효율이 결정질 실리콘 셀을 포함하는 모듈에 비해 낮다는 것입니다. (기타 생략)
4. 간섭 코팅
이 공정에서는 최소 두 가지 투명 재료를 유리 또는 폴리머 호일 위에 교대로 증착하여 간섭 다층 구조를 형성함으로써 반사되는 가시광선의 양을 제어합니다. 일반적으로 저압 플라즈마 공정을 사용하여 재료를 증착해야 하므로 이 기술은 비교적 비용이 많이 듭니다. 각도 의존성을 최소화하기 위해 설계에 신중을 기해야 합니다. 이러한 접근 방식의 예로는 Fraunhofer ISE의 MorphoColor 개념, Swissinso의 KromatixTM 기술, 또는 Solaxess의 1세대 백색 호일이 있습니다. (기타 생략)
5. 컬러 셀
태양전지는 최적의 광 흡수를 위해 설계되어 관찰 시 뚜렷한 짙은 파란색 또는 검은색을 띱니다. 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지는 모두 일반적으로 질화규소(Si3N4)로 구성된 최상층 반사 방지 코팅이 적용되어 있으며, 전반적인 효율 향상을 위해 전략적으로 사용됩니다. 특히, 이 코팅의 두께를 조절하여 셀의 색상을 조절할 수 있습니다.
그러나 이러한 맞춤 제작에는 단점이 있습니다. 반사율이 높아지면 선택한 색상에 따라 효율이 15~30% 감소합니다. 이러한 맞춤 색상 셀은 제조업체에서 시중에서 구입할 수 있지만, 제한된 수요로 인해 상대적으로 높은 가격이 이 솔루션의 광범위한 채택을 방해합니다. (기타 생략)
6. 발광형 태양열 집광기 타입 PV
발광형 태양열 집광기(LSC)는 입사광을 흡수, 재방출, 집광하는 투명 또는 반투명 창으로 구성됩니다. 이는 높은 굴절률을 가진 투명한 호스트 매트릭스(폴리머 또는 유리)에 내장된 발광 물질 입자를 포함하여 재료 내부 전반사로 인한 빛의 광 도파로 역할을 하기 때문에 가능합니다. 이 “창”은 가장자리에 배치된 태양 전지와 결합되어 도파로를 통해 유도된 반사광을 수집합니다. LSC는 색상 및 반투명도 조절이 가능하기 때문에 BIPV에 유망한 기술입니다.
7. 제조 후 색상 처리
표준 태양광 패널의 시각적 측면은 제조 후 색상 코팅이나 포일을 도포하여 수정할 수 있습니다. 상용화된 사례로는 Sistine Solar에서 상용화한 SolarSkin이 있습니다.
솔라스킨은 기존 태양광 모듈 위에 도포할 수 있는 인쇄 포일입니다. 이는 기술과 예술을 결합하여 기존 태양광 모듈 위에 예술적 이미지를 생성하는 Compaz의 접근 방식이기도 합니다. Compaz 포일은 고해상도 인쇄와 주로 가시광선을 반사하는 선택적 반사 배경을 결합하여 반사된 인쇄 색상을 인식해야 합니다. 적외선을 투과하는 잉크를 사용하여 성능 손실을 줄입니다.
핵심 내용은 위와 같습니다. 아래는 참고용 문서입니다.
