JP2013545227A - 光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

ホールが形成された光散乱層を作動電極（光電極）上に形成することによって、染料感応太陽電池モジュールの半透明または透明状態を確保しながら太陽電池の効率を増加させることができる光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールおよびその製造方法を提供する。

Description

本発明は光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールに関し、より具体的に、光散乱層（Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）が作動電極（光電極）上に形成された染料感応太陽電池モジュール（Ｄｙｅ−ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ ｓｏｌａｒ ｃｅｌｌ：ＤＳＳＣ）において、染料感応太陽電池モジュールを透明または半透明状態に維持する染料感応太陽電池モジュールおよびその製造方法に関する。
１９９１年度スイスローザンヌ工科大学（ＥＰＦＬ）のマイケルグレッツェル（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇｒａｔｚｅｌ）研究チームによって染料感応ナノ粒子酸化チタン太陽電池が開発された以後、この分野に関する多くの研究が行われている。染料感応太陽電池は既存のシリコン系太陽電池に比べて製造単価が顕著に低いため、既存の非晶質シリコン太陽電池を代替できる可能性を有している。また、染料感応太陽電池はシリコン太陽電池とは異なり、光を吸収して電子−ホール対を生成することができる染料分子、および生成された電子を伝達する遷移金属酸化物を主要構成材料とする光電気化学的太陽電池である。
図１は一般的な染料感応太陽電池の構造と発電原理を説明するための図である。
図１を参照すれば、染料感応太陽電池１０は透明フィルム１３、１４がそれぞれ付着された透明なガラス基板１１、１２、触媒相対電極（Ｃｏｕｎｔｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）１５、ナノ粒子（ＴｉＯ２、二酸化チタン）構造の作動電極（Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）１６または光電極、染料１７、電解質（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）１８および封止材１９を含むことができる。
まず、染料感応太陽電池１０は透明電極フィルム１３、１４をそれぞれ付着した二つのガラス基板１１、１２の間に特定染料１７を吸着したナノ粒子構造の作動電極１６と電解質１８を満たした構造に形成される。ここで、透明電極フィルム１３、１４はＡＴＯ、ＩＴＯまたはＦＴＯであり得、通常ガラス基板１１、１２上に形成された状態で提供される。
具体的に、染料感応太陽電池１０は植物の光合成作用原理と類似の概念の電池であって、光を吸収する光感応性染料１７、このような染料１７を支持するナノ構造のチタニア電極である作動電極１６、電解質１８、触媒相対電極１５から構成された太陽電池である。染料感応太陽電池１０は既存のシリコン太陽電池や薄膜太陽電池のようにｐ型とｎ型半導体の接合を使用せずに、電気化学的原理によって電気を生産し、理論効率が高く、親環境的なので、未来のグリーンエネルギーに最も適した太陽電池として期待されている。
染料感応太陽電池１０は外部の光が染料１７に触れると染料１７は電子を発生し、この電子を多孔質酸化物半導体（主にＴｉＯ２が用いられる）である作動電極１６が受けて外部に伝達する。以後、電子は外部回路に乗って流れながら相対電極１５に到達する。このとき、作動電極１６の染料１７から電子が外部に抜け出たため電解質１８内部のイオンから一つの電子が再び染料１６に供給され、外部から相対電極に戻った電子は再び電解質１８内部のイオンに伝達されることによって、エネルギー伝達過程が連続的に行われる。
このような過程は主に作動電極１６と電解質１８の間と相対電極１５と電解質１８の間で行われる電気化学反応によるので、電極と電解質が触れる面積が広いほど多くの反応が急速に行われ得る。さらに、作動電極１６の表面面積が広いほど多量の染料１７がついていられるために、生産できる電力の量が増加する。したがって、それぞれの電極１５、１６の素材としてナノ粒子を使用し、同一体積で物質の表面積が極端的に増加するため多量の染料を表面に付着することができ、電極１５、１６と電解質１８の間の電気化学反応の速度を増加させることができる。このとき、染料感応太陽電池モジュールは図１に示された染料感応太陽電池１０が複数個直列または並列に配置されたモジュール形態で提供される。
一方、染料感応太陽電池は透明なナノ酸化物粒子を用いるため、本質的に不透明なシリコン太陽電池が使用されにくい太陽電池窓（Ｗｉｎｄｏｗ）をはじめとする建築資材などに用いられることができる。このような染料感応太陽電池の効率を増進させるためにナノ酸化物電極内で可視光線の吸収を増加させる方法が研究されている。
このような長波長での光吸収率を高めるための他の方法として、直径が数百ｎｍ大きさの二酸化チタン（ＴｉＯ２）粒子層を透明な作動電極の二酸化チタン粒子層上にオーバーコーティング（Ｏｖｅｒ−Ｃｏａｔｉｎｇ）して光散乱層（Ｌｉｇｈｔ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｌａｙｅｒ）を形成する方法がある。
図２は従来の技術による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールを概略的に例示する垂直断面図である。
図２を参照すれば、従来の技術による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールは、ナノ構造の酸化物半導体である作動電極１６上に直径が数百ｎｍ大きさを有する二酸化チタンからなる光散乱層２０を形成する。
このとき、光散乱層２０の二酸化チタンは光に対する粒子径散乱特性によって長波長領域の光を散乱する性質があるために、散乱された光を染料１７が吸収する。したがって光吸収量が増加するようになって光電変換効率を増加させることができる。
しかし、光散乱層２０をオーバーコーティングした場合、半導体電極が不透明で透明な染料感応太陽電池を製造することができないという問題点があり、これは染料感応太陽電池の応用分野を制約することがある。
前述の問題点を解決するための本発明が達成しようとする技術的課題は、ホールが形成された光散乱層を作動電極（光電極）上に形成することによって、染料感応太陽電池モジュールの半透明または透明状態を確保しながら光散乱による受光量を増加させることができる光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。
前述の技術的課題を達成するための手段として、本発明による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールは、染料が吸着された多孔質酸化物半導体層からなる作動電極（光電極）が第１透明ガラス基板上に形成され、前記作動電極上に光散乱層が形成された作動電極基板；前記作動電極基板と貼り合わせられ、触媒相対電極が第２透明ガラス基板上に形成された相対電極基板；および貼り合わせられた前記相対電極基板および作動電極基板内に注入される電解質を含み、前記作動電極基板の光散乱層は、光散乱層の全体面積対比１０〜９０％の第１ホール（ｈｏｌｅ）を有することを特徴とする。
ここで、前記作動電極は、前記光散乱層に形成された第１ホールの位置に対応する第２ホールが形成され得る。
一方、前述の技術的課題を達成するための他の手段として、本発明による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールの製造方法は、ａ）染料が吸着された多孔質酸化物半導体層からなる作動電極が第１透明ガラス基板上に形成され、光散乱層の全体面積対比１０〜９０％の第１ホールを有する光散乱層を前記作動電極上に形成して作動電極基板を製作する段階；ｂ）触媒相対電極が第２透明ガラス基板上に形成された相対電極基板を製作する段階；ｃ）前記相対電極基板および作動電極基板を貼り合わせる段階；およびｄ）前記貼り合わせられた相対電極基板および作動電極基板内に電解質を注入する段階を含んでなり得る。
ここで、前記ａ）段階は、ａ−１）第１透明ガラス基板上に第１透明電極を形成する段階；ａ−２）前記第１透明電極上に多孔質酸化物半導体層を形成する段階；ａ−３）前記多孔質酸化物半導体層に染料を吸着させる段階；およびａ−４）光散乱層の全体面積対比１０〜９０％の第１ホールを有する光散乱層を前記染料が吸着された多孔質酸化物半導体層上に形成する段階を含むことができる。
ここで、前記ａ−２）段階の多孔質酸化物半導体層は、前記光散乱層に形成される第１ホールの位置に対応する第２ホールを有し得る。
本発明によれば、ホールが形成された光散乱層を作動電極（光電極）上に形成することによって、染料感応太陽電池モジュールの効率を増加させながらも半透明または透明状態を確保して太陽電池窓（Ｗｉｎｄｏｗ）をはじめとする建築資材などに容易に利用することができる。
一般的な染料感応太陽電池の構造と発電原理を説明するための図である。 従来の技術による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールを概略的に例示する垂直断面図である。 本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールを概略的に示した分解斜視図である。 図３の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層にホールが形成されたことを例示する垂直断面図である。 図３の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層および光吸収層にホールが形成されたことを例示する垂直断面図である。 本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層にホールを形成する工程を説明するための図である。 本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層にホールを形成する工程を説明するための図である。 本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層にホールを形成する工程を説明するための図である。 本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層にホールを形成する工程を説明するための図である。 本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層および光吸収層にホールを形成する工程を説明するための図である。 本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層および光吸収層にホールを形成する工程を説明するための図である。 本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層および光吸収層にホールを形成する工程を説明するための図である。 本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層および光吸収層にホールを形成する工程を説明するための図である。
以下、添付した図面を参照して本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように本発明の実施例を詳しく説明する。しかし、本発明は様々な相違した形態に実現され得、ここで説明する実施例に限られない。そして図面で本発明を明確に説明するために説明上不必要な部分は省略し、明細書全体にわたって類似の部分については類似の図面符号を付けた。
明細書全体で、ある部分がある構成要素を“含む”と言う時、これは特に反対になる記載がない限り他の構成要素を除くのではなく他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
以下、本発明を図面を参照して詳しく説明する。
図３は本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールを概略的に示した分解斜視図であり、図４は図３の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層にホールが形成されたことを例示し、図３のＡ−Ａラインを切開線とする垂直断面図である。
図３および図４を参照すれば、本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールは、作動電極基板１００および相対電極基板２００を貼り合わせて形成される。
作動電極基板１００は染料が吸着された多孔質酸化物半導体層からなる作動電極（光電極）１５０が第１透明ガラス基板１１０上に形成され、前記作動電極１５０上に光散乱層１９０が形成される。このとき、前記作動電極基板１００の光散乱層１９０は光散乱層の全体面積対比１０〜９０％の複数の第１ホール１９１ａが形成される。前記第１ホール１９１ａの面積が光散乱層の全体面積対比１０％未満である場合には透明性が確保されないため太陽電池窓（ｗｉｎｄｏｗ）をはじめとする建築材料などに適用しにくく、９０％を超える場合には染料感応太陽電池の満足すべき効率向上を期待しにくい。
また、前記第１ホール１９１ａの大きさと形状はスクリーンプリントが可能な範囲で任意に調節可能であり、一例としてホールの形状は円形、三角形、四角形、五角形、その他多角形であり得、また特定ロゴの形状も可能である。スクリーンプリントの最小印刷単位は３０μｍである。
本発明で前記第１ホール１９１ａが形成された光散乱層１９０を除いた残りの作動電極、相対電極、電解質および封止剤などは通常染料感応太陽電池に適用される事項が使用され得る。
具体的な一例として、前記作動電極１５０の多孔質酸化物半導体層は１０〜２００ｎｍ大きさの二酸化チタン（ＴｉＯ２）から形成することができ、前記第１ホール１９１ａが形成された光散乱層１９０は多孔性酸化物半導体層を構成する粒子より大きい粒子であって１００〜１０００ｎｍ大きさの二酸化チタン（ＴｉＯ２）から形成することができる。
相対電極基板２００は前記作動電極基板１００と貼り合わせられ、触媒相対電極が第２透明ガラス基板２１０上に形成される。
電解質（図示せず）は貼り合わせられた前記相対電極基板２００および作動電極基板１００内に注入される。
また、前記作動電極１５０は前記光散乱層１９０に形成された第１ホール１９１ａの位置に対応する少なくとも一つ以上の第２ホールが形成され得、図７を参照して後述することにする。
本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールは、第１透明電極１２０、染料１５２が吸着された多孔性膜１５１などが位置する第１ガラス基板１１０と第２透明電極２２０、２３０などが位置する第２ガラス基板２１０とが互いに対向配置され、第１透明電極１２０と第２透明電極２２０、２３０の間に電解質が位置して構成され得る。このとき、第１ガラス基板１１０と第２ガラス基板２１０は、接着剤である封止材１８０によって互いに接合され得る。
本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールを、図３および図４を参照して、より具体的に説明する。
本発明の実施例で第１透明電極１２０を支持する支持体役割を果たす第１ガラス基板１１０は外部光の入射が可能なように透明に形成される。したがって第１ガラス基板１１０は透明なガラスまたはプラスチックからなり得る。プラスチックの具体的な例としてはポリエチレンテレフタレート（Ｐｏｌｙ Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（Ｐｏｌｙ Ｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｎａｐｈｔｈａｌａｔｅ：ＰＥＮ）、ポリカーボネート（Ｐｏｌｙ−Ｃａｒｂｏｎａｔｅ：ＰＣ）、ポリプロピレン（Ｐｏｌｙ−Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ：ＰＰ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙ−Ｉｍｉｄｅ：ＰＩ）、トリアセチルセルロース（Ｔｒｉ Ａｃｅｔｙｌ Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ：ＴＡＣ）などが挙げられる。
第１ガラス基板１１０に形成される第１透明電極１２０はインジウムスズ酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、フルオロスズ酸化物（Ｆｌｕｏｒｉｎｅ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＦＴＯ）、アンチモンスズ酸化物（Ａｎｔｉｍｏｎｙ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＡＴＯ）、ジンク酸化物（Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、スズ酸化物（Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯＧａ２Ｏ３、ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３などの透明物質からなり得る。第１透明電極１２０は前記透明物質の単一膜または積層膜からなり得る。このような第１透明電極１２０はスパッタリング法、化学気相蒸着法、スプレー熱分解蒸着法などによって形成され得る。
第１透明電極１２０の上には前記第１透明電極１２０に電気的に連結される複数の第１集電電極１４０が形成され得るが、必須的なものではない。例えば、複数の第１集電電極１４０のうちの一つは第１透明電極１２０上でこの第１透明電極１２０の周縁に沿って形成され、複数の第１集電電極１４０のうちの他の一つは第１透明電極１２０上でこの第１透明電極１２０の中央部を横切りながら形成されるが、これに限定されるのではない。第１集電電極１４０は一側方向（図面のｙ軸方向）に沿って形成されるストライプ形態を有する。
このような第１集電電極１４０は透明物質からなる第１透明電極１２０より低い抵抗を有する優れた電気伝導性を有する金属からなり得る。例えば、第１集電電極１４０はニッケル、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、モリブデン、タングステン、亜鉛、鉄、錫およびこれらを含む合金からなる群より選択される物質からなり得る。
第１透明電極１２０と第１集電電極１４０の間に位置する複数の第１伝導性接着層１３０によって、第１透明電極１２０と第１集電電極１４０が電気的に連結されながら第１透明電極１２０上に第１集電電極１４０が物理的に固定され得る。
即ち、第１伝導性接着層１３０は接着物質とこのような接着物質内に分散された伝導性粒子を含み、前記接着物質で第１集電電極１４０を第１透明電極１２０上に物理的に固定し、前記伝導性粒子で第１透明電極１２０と第１集電電極１４０を電気的に連結する。ここで、前記接着物質はポリエチレン系、ポリプロピレン系、ポリウレタン系、エポキシ系、アクリル系、シリコン系、これらの組み合わせなどからなり得る。
前記伝導性粒子として高分子粒子の表面に金属膜がコーティングされたものを用いると、高分子粒子によって外部衝撃に柔軟に耐えられるようになる。ここで、高分子粒子はポリスチレン系、エポキシ系、シリコン系、これらの組み合わせなどからなり得、金属膜はニッケル、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、モリブデン、タングステン、亜鉛、鉄、錫およびこれらのうちのいずれか一つを含む合金からなる群より選択される物質からなり得る。しかし、これに限定されるのではなく、伝導性粒子が金属のみからなるのも可能であり、この時、伝導性粒子はニッケル、金、銀、銅、アルミニウム、マグネシウム、モリブデン、タングステン、亜鉛、鉄、錫およびこれらのうちのいずれか一つを含む合金からなる群より選択される物質からなり得る。
このような第１伝導性接着層１３０は異方性導電フィルム（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ）からなり得る。
第１集電電極１４０および第１伝導性接着層１３０を覆いながら絶縁保護層１６０が形成される。絶縁保護層１６０は第１集電電極１４０が電解質が直接接触することを防止して、電解質から第１集電電極１４０を保護して腐食を防止する役割を果たす。このような絶縁保護層１６０は高分子物質からなり得る。
そして、第１透明電極１２０上に第１集電電極１４０によって離隔しながら光吸収層である作動電極１５０が位置する。前記で説明したように、光吸収層１５０は多孔性膜１５１と染料１５２を含む作動電極をいう。
ここで、多孔性膜１５１は金属酸化物粒子を含み、このような金属酸化物粒子はチタン酸化物（Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、ジンク酸化物、スズ酸化物、ストロンチウム酸化物（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、インジウム酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、イリジウム酸化物（Ｉｒｉｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、ランタン酸化物（Ｌａｎｔｈａｎ Ｏｘｉｄｅ）、バナジウム酸化物（Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、モリブデン酸化物（Ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、タングステン酸化物（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｏｘｉｄｅ）、ニオブ酸化物（Ｎｉｏｂｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、マグネシウム酸化物（Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、アルミニウム酸化物（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、イットリウム酸化物（Ｙｔｔｒｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）、スカンジウム酸化物（Ｓｃａｎｄｉｕｍ ｏｘｉｄｅ）、サマリウム酸化物（Ｓａｍａｒｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、ガリウム酸化物（Ｇａｌｌｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、ストロンチウムチタン酸化物（Ｓｔｒｏｎｔｉｕｍ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）などからなり得る。ここで、金属酸化物粒子は、チタニウム酸化物であるＴｉＯ２、スズ酸化物であるＳｎＯ２、タングステン酸化物であるＷＯ３、ジンク酸化物であるＺｎＯ、またはこれらの複合体などからなることが好ましい。
そして、多孔性膜１５１には特性向上のために導電性微粒子（図示せず）および光散乱子（図示せず）などがさらに添加され得る。
多孔性膜１５１に添加される導電性微粒子は電子の移動性を向上させる役割を果たすものであって、例えば、インジウムスズ酸化物などが挙げられる。多孔性膜１５１に添加される光散乱子は太陽電池内で移動する光の経路を延長させて光電変換効率を向上させる役割を果たす。このような光散乱子は多孔性膜１５１を成す物質からなり得、光散乱効果を考慮して１００〜１０００ｎｍの平均粒径を有するものが好ましい。
このような多孔性膜１５１、より正確には多孔性膜１５１の金属酸化物粒子の表面に外部光を吸収して電子を生成する染料１５２が吸着される。染料１５２は染料感応太陽電池に使用される染料であれば限定されず、一例としてアルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ユーロピウム（Ｅｕ）、鉛（Ｐｂ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）などを含む金属複合体からなり得、また有機染料が使用され得る。
また、染料を溶解させたアルコール溶液に多孔性膜１５１および第１透明電極１２０が形成された第１ガラス基板１１０を所定時間浸漬させ、染料１５２を多孔性膜１５１に吸着させることができる。しかし、本発明はこれに限定されるのではなく、多様な方法で染料１５２を吸着させることができる。
そして、第１透明電極１２０上に外部回路（図示せず）に連結される第１引出し電極１７０が封止材１８０の外側に形成される。ここで、第１引出し電極１７０は外部回路に連結される役割だけでなく、電子を集電する役割も共に遂行する。
一方、第１ガラス基板１１０に対向配置される第２ガラス基板２１０は第２透明電極２２０、２３０を支持する支持体役割を果たすものであって、透明に形成され得る。したがって第２ガラス基板２１０は第１ガラス基板１１０のように透明なガラスまたはプラスチックからなり得る。プラスチックの具体的な例として、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリイミド、トリアセチルセルロースなどが挙げられる。
第２ガラス基板２１０に形成される第２透明電極２２０、２３０は第１透明電極１２０と対向配置されるように形成され、透明電極２２０と触媒電極２３０を含むことができる。透明電極２２０はインジウムスズ酸化物、フルオロスズ酸化物、アンチモンスズ酸化物、ジンク酸化物、スズ酸化物、ＺｎＯＧａ２Ｏ３、ＺｎＯ−Ａｌ２Ｏ３などの透明物質からなり得る。このとき、透明電極２２０は前記透明物質の単一膜または積層膜からなり得る。触媒電極２３０は酸化−還元対（Ｒｅｄｏｘ ｃｏｕｐｌｅ）を活性化させる役割を果たすものであって、白金、ルテニウム、パラジウム、イリジウム、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、炭素（Ｃ）、ＷＯ３、ＴｉＯ２、ＣＮＴ（ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏ ｔｕｂｅ）、カーボンブラック（Ｃａｒｂｏｎ ｂｌａｃｋ）、グラフェン（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）などからなり得る。
透明電極２２０は、スパッタリング法、化学気相蒸着法、スプレー熱分解蒸着法などによって形成され得る。
触媒電極２３０は、物理気相蒸着法（電解メッキ法、スパッタリング法、電子ビーム蒸着法など）または湿式コーティング法（スピンコーティング法、浸漬コーティング法、フローコーティング法など）などによって形成され得る。触媒電極２３０が白金（Ｐｔ）からなる場合を例として説明すれば、透明電極２２０の上にメタノール、エタノール、イソプロピルアルコール（Ｉｓｏ−Ｐｒｏｐｙｌ Ａｌｃｏｈｏｌ：ＩＰＡ）などの有機溶剤にＨ２ＰｔＣｌ６が溶解された溶液を湿式コーティング法で塗布した後、空気または酸素雰囲気で４００℃で熱処理する方法が適用され得る。しかし、本発明はこれに限定されるのではなく、多様な方法が適用され得るのはもちろんである。
第２透明電極２２０、２３０の上には前記第２透明電極２２０、２３０に電気的に連結される複数の第２集電電極２５０が形成される。本発明の実施例では複数の第２集電電極２５０のうちの一つは第２透明電極２２０、２３０の上でこの第２透明電極２２０、２３０の周縁に沿って形成され、複数の第２集電電極２５０うちの他の一つは第２透明電極２２０、２３０の上で前記第２透明電極２２０、２３０の中央部を横切りながら形成されると示される。第２集電電極２５０は一側方向（図面のｙ軸方向）に沿って形成されるストライプ形態を有する。
第２透明電極２２０、２３０と第２集電電極２５０の間に位置する複数の第２伝導性接着層２４０によって、第２透明電極２２０、２３０と第２集電電極２５０が電気的に連結されながら第２透明電極２２０、２３０上に第２集電電極２５０が物理的に固定され得る。そして、第２集電電極２５０および第２伝導性接着層２４０を覆いながら第２絶縁保護層２６０が形成され得る。第２集電電極２５０、第２伝導性接着層２４０および第２絶縁保護層２６０は前述の第１集電電極１４０、第１伝導性接着層１３０および第１絶縁保護層１６０と同一であるか類似している。
そして、第２透明電極２２０、２３０上に外部回路（図示せず）に連結される第２引出し電極２７０が封止材１８０外側に形成される。
第１ガラス基板１１０と第２ガラス基板２１０は封止材１８０によって接合され得る。封止材１８０としては染料感応太陽電池の封止材として使用される公知の封止材が使用可能であり、一例として熱可塑性高分子フィルム、エポキシ系やシリコン系の熱硬化性シーラント、紫外線硬化シーラント、フリットガラス（Ｆｒｉｔ ｇｌａｓｓ）などを使用することができる。封止材１８０として熱可塑性高分子フィルムを使用する場合には、第１ガラス基板１１０と第２ガラス基板２１０の間に熱可塑性高分子フィルムを位置させた後に加熱圧着して第１ガラス基板１１０と第２ガラス基板２１０を接合することができる。
電解質は第２ガラス基板２１０と第２透明電極２２０、２３０を貫通する電解質注入ホール２８０を通じて第１ガラス基板１１０と第２ガラス基板２１０の間の内部空間に注入されて第１透明電極１２０と第２透明電極２２０、２３０の間に含浸される。このような電解質は多孔性膜１５１の内部に均一に分散される。電解質は酸化還元によって第２透明電極２２０、２３０から電子を受けて染料１５２に伝達する役割を果たす。そして電解質注入ホール２８０は接着剤およびフリットガラス（Ｆｒｉｔ ｇｌａｓｓ）、カバーガラス２９０によって封止される。本発明の実施例では電解質が液状のものからなるものを説明したが、本発明の実施例には固状の電解質が適用され得、これも本発明の範囲に属する。
このような染料感応太陽電池モジュールは太陽電池の内部に太陽光などの外部光が入射されると、光量子が染料１５２に吸収されて染料が基底状態から励起状態に転移して電子を生成する。生成された電子は多孔性膜１５１の金属酸化物粒子の伝導帯に注入された後、第１透明電極１２０を経て外部回路（図示せず）に流れた後に第２透明電極２２０、２３０に移動する。一方、電解質内のヨウ化物が三ヨウ化物に酸化することによって酸化された染料１５２が還元され、三ヨウ化物は第２透明電極２２０、２３０に到達した電子と還元反応をしてヨウ化物に還元される。このような電子の移動によって染料感応太陽電池が作動する。
従って、本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールは、ホールが形成された光散乱層１９０を作動電極１５０上に形成することによって、染料感応太陽電池モジュールの半透明または透明状態を確保しながら光散乱による受光量を増加させることができ、これにより太陽電池窓（Ｗｉｎｄｏｗ）をはじめとする建築資材などとして容易に用いることができる。
一方、本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで、染料が吸着される光電極部分もホールを構成することが可能であり、このような場合、太陽電池の透明性が確保されて太陽電池を通じた視野確保がさらに容易である。前記光電極部分のホールは前記光散乱層のホールの対応する位置に形成し、光電極ホールの大きさおよび面積は任意に調節可能であり、好ましくは光散乱層のホールの全体面積の３０〜１００％になるように形成することがモジュールの透明性確保およびモジュールの効率を同時に満足させることができるので良い。
図５は図３の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層および光吸収層にホールが形成されたことを例示する垂直断面図である。
図５を参照すれば、本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで、作動電極１５０は前記光散乱層１９０に形成された第１ホール１９１ａの位置に対応する少なくとも一つ以上の第２ホール１９１ｂが形成され得、前述した図３および図４に説明された同一な構成要素に関する説明は省略する。
本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで、作動電極１５０の多孔質酸化物半導体層１５１は少なくとも一つ以上の第２ホール１９１ｂが形成される部分を除いた部分にスクリーン印刷（Ｓｃｒｅｅｎ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）方式で形成され得る。これにより、光散乱層１９０および作動電極１５０の両方ともにホールを形成することによって、より鮮明に光を透過させることができ、これにより染料感応太陽電池モジュールを通じた視野確保がさらに容易である。
一方、図６ａ乃至図６ｄは本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層にホールを形成する工程を説明するための図である。
本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールの作動電極基板１００は、まず、図６ａに示されているように、第１透明ガラス基板１１０上に第１透明電極１２０を形成する。
その次に、図６ｂに示されているように、前記第１透明電極１２０上に多孔質酸化物半導体層１５１を形成し、その後、図６ｃに示されているように、前記多孔質酸化物半導体層１５１に染料１５２を吸着させた作動電極１５０が第１透明ガラス基板１１０上に形成される。
その次に、図６ｄに示されているように、１００〜１０００ｎｍ大きさの直径を有する二酸化チタン（ＴｉＯ２）で直径が３０〜１０００ｕｍを有し、光散乱層１９０の全体面積対比３０％になるように第１ホール１９１ａを有する光散乱層１９０を前記染料１５２が吸着された多孔質酸化物半導体層１５１上に形成する。このとき、図４を再び参照すれば、前記光散乱層１９０は前記第１ホール１９１ａが形成される部分を除いた部分にスクリーン印刷（Ｓｃｒｅｅｎ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）方式で形成する。
結局、光散乱層１９０の全体面積対比３０％の第１ホール１９１ａを有する光散乱層１９０が前記作動電極１５０上に形成された作動電極基板の製作が完成される。
後続的に、触媒相対電極が第２透明ガラス基板２１０上に形成された相対電極基板２００を製作し、前記相対電極基板２００および作動電極基板１００を貼り合わせ、前記貼り合わせられた相対電極基板２００および作動電極基板１００内に電解質を注入することによって、本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールが完成される。
図７ａ乃至図７ｄは本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールで光散乱層および光吸収層にホールを形成する工程を説明するための図である。
本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールの作動電極基板１００は、まず、図７ａに示されているように、第１透明ガラス基板１１０上に第１透明電極１２０を形成する。
その次に、図７ｂに示されているように、第２ホール１９１ｂが形成された多孔質酸化物半導体層１５１を前記第１透明電極１２０上に形成する。即ち、前記多孔質酸化物半導体層１５１は前述した光散乱層１９０に形成される第１ホール１９１ａの位置に対応するように第２ホール１９１ｂが形成され、第２ホール１９１ｂが形成される部分を除いた部分にスクリーン印刷方式で形成され得る。
その後、図７ｃに示されているように、前記第２ホール１９１ｂが形成された多孔質酸化物半導体層１５１に染料１５２を吸着させた作動電極１５０が第１透明ガラス基板１１０上に形成される。
その次に、図７ｄに示されているように、第１ホール１９１ａを有する光散乱層１９０を前記染料１５２が吸着された多孔質酸化物半導体層１５１上に形成する。このとき、前記光散乱層１９０は前記第１ホール１９１ａが形成される部分を除いた部分にスクリーン印刷（Ｓｃｒｅｅｎ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ）方式で形成され得る。
結局、第１ホール１９１ａを有する光散乱層１９０が前記第２ホール１９１ｂを有する作動電極１５０上に形成された作動電極基板の製作が完成される。
後続的に、触媒相対電極が第２透明ガラス基板２１０上に形成された相対電極基板２００を製作し、前記相対電極基板２００および作動電極基板１００を貼り合わせ、前記貼り合わせられた相対電極基板２００および作動電極基板１００内に電解質を注入することによって、本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールが完成される。
一方、下記表１は本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールと従来の技術による染料感応太陽電池モジュールを比較するための表である。
本発明の実施例による光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールは、前述のように光散乱層に複数のホールを形成した第１実施例および光散乱層および光電極の両方ともに複数のホールを形成した第２実施例からなり、従来の技術による染料感応太陽電池モジュールが光散乱層を形成しない第１比較例と光散乱層を形成するが、ホールが形成されていない第２比較例を共に示した。
前記表１に示されているように、従来の技術による染料感応太陽電池モジュールが光散乱層を形成しない第１比較例、即ち、光電極層のみを形成した染料感応太陽電池モジュールは透明性があるが、効率が低く、光散乱層を形成するが、ホールが形成されていない第２比較例の場合は第１比較例に比べて効率は高いが、不透明で太陽電池窓（ｗｉｎｄｏｗ）には適用しにくい。
これに反し、本発明の実施例による光散乱層にホールを形成した第１実施例の場合、光散乱層による効率の向上と透過性を同時に得ることができる長所がある。
また、光散乱層および光電極の両方ともにホールを形成した第２実施例の場合、透過性はさらに増加する。
前述した本発明の説明は例示のためのものであり、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者は本発明の技術的な思想や必須の特徴を変更せずに他の具体的な形態に容易に変形可能であるということを理解することができるはずである。したがって以上で記述した実施例はすべての面で例示的なものであり、限定的でないものと理解しなければならない。例えば、単一型と説明されている各構成要素は分散されて実施され得、同様に分散されたものと説明されている構成要素も結合された形態に実施され得る。
本発明の範囲は前記詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味および範囲、そしてその均等概念から導出されるすべての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれると解釈されなければならない。
本発明によれば、ホールが形成された光散乱層を作動電極（光電極）上に形成することによって染料感応太陽電池モジュールの効率を増加させながらも半透明または透明状態を確保して、太陽電池窓（Ｗｉｎｄｏｗ）をはじめとする建築資材などとして容易に用いることができる。
１００ 作動電極基板
２００ 相対電極基板
１１０ 第１ガラス基板
１２０ 第１透明電極
１３０ 第１導電性接着層
１４０ 第１集電電極
１５０ 光吸収層（染料＋多孔性膜）
１６０ 第１絶縁保護層
１７０ 第１引出し電極
１８０ 封止材
１９０ 光散乱層
１９１ａ 第１ホール
１９１ｂ 第２ホール
２１０ 第２ガラス基板
２２０ 第２透明電極
２３０ 触媒相対電極
２４０ 第２導電性接着層
２５０ 第２集電電極
２６０ 第２絶縁保護層
２７０ 第２引出し電極
２８０ 電解質注入ホール

Claims (10)

  1. 染料を表面に担持させた多孔質酸化物半導体層からなる作動電極（光電極）が第１透明ガラス基板上に形成され、前記作動電極上に光散乱層が形成された作動電極基板、
    前記作動電極基板と貼り合わせられ、触媒相対電極が第２透明ガラス基板上に形成された相対電極基板、および
    貼り合わせられた前記相対電極基板および作動電極基板内に注入される電解質
    を含み、
    前記作動電極基板の光散乱層は、光散乱層の全体面積対比１０〜９０％の第１ホール（ｈｏｌｅ）を有することを特徴とする光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュール。
  2. 前記光散乱層は、直径が１００〜１０００ｎｍである二酸化チタン（ＴｉＯ２）から形成されることを特徴とする、請求項１に記載の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュール。
  3. 前記作動電極の多孔質酸化物半導体層は、１０〜２００ｎｍの大きさの二酸化チタン（ＴｉＯ２）から形成されることを特徴とする、請求項２に記載の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュール。
  4. 前記作動電極は、前記光散乱層に形成された第１ホールの位置に対応する第２ホールが形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュール。
  5. 前記作動電極に形成された第２ホールの全体面積は、前記光散乱層に形成されたホール全体面積の３０〜１００％になるように形成することを特徴とする、請求項４に記載の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュール。
  6. ａ）染料を吸着させた多孔質酸化物半導体層からなる作動電極が第１透明ガラス基板上に形成され、光散乱層の全体面積対比１０〜９０％の第１ホールを有する光散乱層が前記作動電極上に形成された作動電極基板を製作する段階、
    ｂ）触媒相対電極が第２透明ガラス基板上に形成された相対電極基板を製作する段階、
    ｃ）前記相対電極基板および作動電極基板を貼り合わせる段階、および
    ｄ）前記貼り合わせられた相対電極基板および作動電極基板内に電解質を注入する段階
    を含む光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  7. 前記光散乱層は、直径が１００〜１０００ｎｍの二酸化チタン（ＴｉＯ２）から形成されることを特徴とする、請求項６に記載の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  8. 前記ａ）段階は、
    ａ−１）第１透明ガラス基板上に第１透明電極を形成する段階、
    ａ−２）前記第１透明電極上に多孔質酸化物半導体層を形成する段階、
    ａ−３）前記多孔質酸化物半導体層に染料を吸着させる段階、および
    ａ−４）光散乱層の全体面積対比１０〜９０％の第１ホールを有する光散乱層を前記染料が吸着された多孔質酸化物半導体層上に形成する段階
    を含む、請求項６に記載の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  9. 前記ａ−２）段階の多孔質酸化物半導体層は、前記光散乱層に形成される第１ホールの位置に対応する第２ホールが形成されることを特徴とする、請求項８に記載の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
  10. 前記作動電極に形成された第２ホールの全体面積は、前記光散乱層に形成されたホール全体面積の３０〜１００％になるように形成することを特徴とする、請求項９に記載の光散乱層を備えた染料感応太陽電池モジュールの製造方法。
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