JP5323207B2 - 直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュール - Google Patents

Description

本発明は、染料感応太陽電池モジュールに関し、より詳細には、高電圧及び高電流を発生させるために複数の単位ストライプセルを直列及び並列で連結して形成した直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールに関する。

太陽光を電気エネルギーに変換する光電変換素子である太陽電池は、他のエネルギー源とは異なり、無限、且つ環境フレンドリーであるため、時間の経過に伴い、その重要性が増大している。

従来、太陽電池において、単結晶または多結晶のシリコン太陽電池が多く使用されて来た。しかし、シリコン太陽電池は、製造時に大型の高価装備が使用され、原料コストが高価なので、製造コストが高く、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換する変換効率の改善にも限界があるため、新しい代案が模索されてきた。

シリコン太陽電池の代案として、安価に製造することができる有機材料を使用した太陽電池に対する関心が高まっており、特に、製造コストが非常に安価な染料感応太陽電池が注目されている。以下、この染料感応太陽電池の単位セルの構造を図１を参照して説明する。図１は、染料感応太陽電池の単位セルの一般的な構造を説明するための断面図である。

一般的に、染料感応太陽電池の単位セルは、対電極（counter electrode）１０と、酸化物半導体負極電極５０と、これら２つの電極間の空間に充填された酸化還元用電解質９０とを含む。負極電極５０は、透明基板５２と、透明基板５２の下面に付着された導電性透明膜５４と、導電性透明膜５４の下面に付着された多溝質膜５６とを含む。多溝質膜５６は、光感応染料が吸着された金属酸化物ナノ粒子により構成されている。対電極１０は、透明基板１４と、透明基板１４の上面に付着された導電性透明膜１６と、導電性透明膜１６の上面に付着され、白金等の導電性金属、炭素ナノチューブＣＮＴ、または導電性高分子等により形成された導電層１２を含む。電解質９０は、負極電極５０と対電極１０との間に設けられた隔壁９２により密閉される。隔壁９２は、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等により形成される。

このように形成された染料感応太陽電池の単位セルに太陽光が入射されると、光陽子は、まず光感応染料に吸収され、これにより、光感応染料の価電子帯にある電子が伝導帯（conduction band）に励起する。この励起された電子は、導電性透明膜５４を通じて外部回路に移動する。一方、染料から抜け出した電子のサイトは、液体電解質９０中のイオンが酸化、還元反応を通じて導電層１２から電子を受けて、光感応染料に伝達することによって充填される。

染料感応太陽電池は、十分な電気エネルギーが発生することができるように、前述したような単位セルを直列及び並列で連結したモジュール形態で製造される。特許文献１の韓国特許公開第１０−２００５−０１０２８５４には、単位セルを直列及び並列で連結して形成した染料感応太陽電池モジュールが開示されている。

上記特許文献１によれば、１つの基板上に負極電極及び対電極が共に形成される。従って、負極電極及び対電極を形成する過程が、１つの基板上に負極電極のみを形成する場合、または対電極のみを形成する場合に比べて、相対的に複雑かつ煩雑である。

また、上記特許文献１によれば、直列で連結された単位セルを並列で連結するためにリード線を利用する。従って、モジュール作製が完了した後、リード線を設置する工程を行われなければならないという不便さがある。

本発明は、前述のような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、追加工程なしに正極基板と負極基板の結合過程で単位ストライプセルを直列及び並列で連結することができる直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールは、正極基板の導電性透明膜上に配置された複数の正極電極と、負極基板の導電性透明膜上に配置された複数の負極電極と、正極電極と負極電極との間に充填される酸化還元用電解質と、正極基板の導電性透明膜上に形成され、電子を正極電極に分配する正極グリッドと、負極基板の導電性透明膜上に形成され、負極電極で発生した電子を捕集する負極グリッドとを有する複数の並列モジュールと、複数の並列モジュールの間を絶縁する絶縁部とを備え、複数の並列モジュールのうち、いずれか１つの並列モジュールが有する負極グリッドは、いずれか１つの並列モジュールに隣接した隣接並列モジュールが有する正極グリッドと面接触により連結されることを特徴とする。

並列モジュールは、酸化還元用電解質によって正極グリッドと負極グリッドが浸食される現象を防止するとともに、正極グリッドと負極グリッドを絶縁させるシラントを有することが好ましい。

正極グリッドは、正極電極の配置方向に沿って延設される正極バスバーと、正極バスバーから複数の正極電極の間に延設される分配部とを有し、負極グリッドは、負極電極の配置方向に沿って延設される負極バスバーと、負極バスバーから複数の負極電極の間に延設される捕集部とを有し、正極バスバーと負極バスバーは、並列モジュールを基準にして反対側面に位置し、反対方向に延長されることが好ましい。

ここで、いずれか１つの並列モジュールが有する負極グリッドの負極バスバーと隣接並列モジュールが有する正極グリッドの正極バスバーは、並列モジュールを基準にして同一側面に位置し、それらのうちいずれか一方は、絶縁部を経て他方と重なることができる長さを有することがさらに好ましい。

絶縁部は、正極基板の導電性透明膜をエッチングすることにより形成された正極溝と、正極溝と対向するように、負極基板の導電性透明膜をエッチングすることにより形成された負極溝とを有し、正極グリッド及び負極グリッドが形成された部分には形成されていないことが好ましい。この際、正極溝は、正極基板の左端から右端まで延長される横溝と、正極基板の上端から下端まで延長される縦溝とにより構成され、横溝は、並列モジュールの上下部に形成され、縦溝は、並列モジュールの間に形成されることがさらに好ましい。

本発明によれば、単位ストライプセルが並列で連結されるように形成された複数の並列モジュールが、負極基板と正極基板を結合させる過程で自然に直列で連結されるため、正極基板と負極基板の結合が完了した後、単位ストライプセルの直列／並列連結を完成させるためのリード線を設置する追加工程が不要になる。従って、直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールの作製が非常に容易である。

染料感応太陽電池の単位セルの一般的な構造を説明するための断面図である。 本発明による直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールの一実施例を示す投映平面図である。 図２に示された直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールの負極基板とこれに形成される構成要素を示す投映平面図である。 図２に示された直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールの正極基板とこれに形成される構成要素を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ’に沿う部分断面図である。 図２のＢ−Ｂ’に沿う部分断面図である。

以下、本発明による直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールの好ましい実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、本明細書及び請求範囲に使用された用語や単語は、通常の、または辞書的な意味に限定して解釈すべきものではなく、発明者は、その自分の発明を最も最善の方法で説明するために、用語の概念を適切に定義することができるという原則に即して本発明の技術的思想に符合する意味及び概念として解釈すべきである。従って、本明細書に記載した実施例と図面に示された構成は、本発明の最も好ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないため、本出願時点において、これらを代替することができる多様な均等物と変形例があり得ることを理解すべきである。

図２は、本発明による直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールの一実施例を示す投映平面図であり、図３は、図２に示された直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールの負極基板とこれに形成される構成要素を示す投映平面図であり、図４は、図２に示された直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールの正極基板とこれに形成される構成要素を示す平面図であり、図５は、図２のＡ−Ａ’に沿う部分断面図であり、図６は、図２のＢ−Ｂ’に沿う部分断面図である。

本発明による直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュール１００は、互いに対向して位置する負極基板１３０と正極基板１４０とを備える。図５に示されたように、負極基板１３０は、透明基板１３２と導電性透明膜１３４とを備え、正極基板１４０は、透明基板１４２と導電性透明膜１４４とを備える。透明基板１３２，１４２は、ソーダライムガラス、ボロシリケートガラスなどの透明ガラス基板、またはＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＣ、ＰＰ、ＰＩ、ＴＡＣなどの透明プラスチック基板からなり、導電性透明膜１３４，１４４は、錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化錫（ＦＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、アンチモンドープ酸化錫（ＡＴＯ）、酸化錫（ＴＯ）などからなる。導電性透明膜１３４，１４４は、スパッタリング、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、スプレイ熱分解蒸着（ＳＰＤ）などの方法により、透明基板１３２、１４２にコーティングされる。

負極基板１３０と正極基板１４０との間には、複数の並列モジュール１５０，２５０，３５０が平行に配置され、複数の並列モジュール１５０，２５０，３５０の間は、絶縁部により絶縁される。図２において、３個の並列モジュール１５０，２５０，３５０だけが示されているが、並列モジュールの数は、これより多くてもよく、また少なくともよい。以下、並列モジュール１５０，２５０，３５０の構成について具体的に説明する。この際、複数の並列モジュール１５０，２５０，３５０の構成は、すべて同一であるため、これらのうちの１つである並列モジュール１５０について説明する。

並列モジュール１５０は、複数の負極電極１５２、複数の正極電極１５４、酸化還元用電解質１５６、負極グリッド１５８、正極グリッド１６０、内部シラント１６２及び外部シラント１６４を備える。

複数の負極電極１５２は、図３及び図５に示されたように、負極基板１３０の導電性透明膜１３４上に平行に配置され、金属酸化物（チタニアなど）のナノ粒子とその表面に吸着された光感応染料よりなる。光感応染料としては、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｅｕ、Ｐｂ、Ｉｒなどの金属複合体の化合物、またはＲｕ複合体などの物質が使用される。負極電極１５２は、金属酸化物のナノ粒子が分散されたペーストを負極基板１３０の導電性透明膜１３４上にドクターブレード法、スクリーン印刷法などの方法により塗布した後、熱処理することによって形成される。

複数の正極電極１５４は、負極電極１５２に対向して位置するように、図４及び図５に示すように、正極基板１４０の導電性透明膜１４４上に平行に配置され、白金（Ｐｔ）などのような導電性金属、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）、または導電性高分子などよりなる。正極電極１５４は、導電性金属、炭素ナノチューブ、または導電性高分子を電解メッキ、スパッタリング、ドクターブレード法などの方法により正極基板１４０の導電性透明膜１４４上に塗布した後、熱処理することによって形成される。

図２〜図５には、３個の負極電極１５２と３個の正極電極１５４とを備える並列モジュール１５０が示されている。しかし、並列モジュール１５０が、これより多い、または少ない数の負極電極１５２及び正極電極１５４を備える構成としてもよい。

酸化還元用電解質１５６は、負極電極１５２と正極電極１５４との間に充填される。酸化還元用電解質１５６は、酸化／還元反応を通じて正極電極１５４から電子を受けて負極電極１５２の光感応染料に伝達する。

負極電極１５２、正極電極１５４及び電解質１５６は、１つの単位ストライプセルを構成する。従って、並列モジュール１５０は、複数の単位ストライプセルを備えており、単位ストライプセルは、並列モジュール１５０内で電気的に並列関係を形成する。しかし、複数の単位ストライプセルのみを備える並列モジュール１５０を使用すると、並列モジュール１５０による高電流の発生に限界があるため、並列モジュール１５０は、負極グリッド１５８及び正極グリッド１６０を備えている。

負極グリッド１５８は、負極電極１５２で発生した電子を捕集し、並列モジュール１５０の外部に引き出すために、負極基板１３０の導電性透明膜１３４上に形成されたものであり、図３に示すように、捕集部１５８ａ及び負極バスバー１５８ｂを備え、導電性物質により形成される。負極バスバー１５８ｂは、並列モジュール１５０の外部で負極電極１５２の配置方向に沿って延設される。捕集部１５８ａは、負極バスバー１５８ｂから複数の負極電極１５２の間に延設される。負極バスバー１５８ｂと並列モジュール１５０に隣接した隣接並列モジュール２５０の負極バスバー２５８ｂは、図３に示すように、複数の負極電極１５２を基準にして互いに反対側面に位置する。例えば、負極バスバー１５８ｂは、複数の負極電極１５２電極の下部に位置し、負極バスバー２５８ｂは、複数の負極電極１５２の上部に位置する。捕集部１５８ａにより捕集された電子は、負極バスバー１５８ｂに移動する。

正極グリッド１６０は、並列モジュール１５０の外部から供給された電子を正極電極１５４に分配するために、正極基板１４０の導電性透明膜１４４上に形成されたものであって、図４に示すように、分配部１６０ａ及び正極バスバー１６０ｂを備え、導電性物質よりなる。正極バスバー１６０ｂは、正極電極１５４の配置方向に沿って延設され、分配部１６０ａは、正極バスバー１６０ｂから複数の正極電極１５４の間に延設される。ここで、正極バスバー１６０ｂは、図２に示すように、並列モジュール１５０を基準にして負極バスバー１５８ｂと反対側面に位置し、負極バスバー１５８ｂの延設方向と反対方向に延設される。

また、正極バスバー１６０ｂと並列モジュール１５０に隣接して位置する隣接並列モジュール２５０の正極バスバー２６０ｂは、図４に示すように、複数の正極電極１５４を基準として反対側面に位置する。例えば、正極バスバー１６０ｂは、複数の正極電極１５４の上部に位置し、正極バスバー２６０ｂは、複数の正極電極１５４の下部に位置する。正極バスバー１６０ｂを通じて分配部１６０ａに移動した電子は、正極電極１５４に分配される。

一方、負極バスバー１５８ｂは、図２に示すように、並列モジュール１５０に隣接して位置する隣接並列モジュール２５０に含まれた正極グリッド２６０の正極バスバー２６０ｂと電気的に連結される。また、隣接並列モジュール２５０は、上記と同一の方式により、これに隣接する他の並列モジュール３５０と連結される。これにより、複数の並列モジュール１５０，２５０，３５０がすべて電気的に直列な関係を形成するようになる。この際、負極バスバー１５８ｂと正極バスバー２６０ｂは、図２及び図６に示すように、面接触により連結されることが好ましい。このような面接触を行うために、正極バスバー２６０ｂは、絶縁部を経て負極バスバー１５８ｂと重なることができる地点まで延設される。このような場合、負極バスバー１５８ｂと正極バスバー２６０ｂの連結が負極基板１３０と正極基板１４０の結合時に加えられる熱と圧力によって自然に行われるため、モジュール１００の作製が完了した後、複数の並列モジュール１５０，２５０，３５０間を直列で連結するために、リード線を別に設置する工程が不要になる。即ち、直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールの作製を非常に容易に行うことができる。

内部シラント１６２は、図５に示すように、捕集部１５８ａと分配部１６０ａとの間に位置し、電解質１５６によって捕集部１５８ａと分配部１６０ａとが浸食される現象を防止するとともに、捕集部１５８ａと分配部１６０ａとの間を絶縁させる。捕集部１５８ａと分配部１６０ａの浸食防止及び捕集部１５８ａと分配部１６０ａとの間の絶縁は、公知である他の方法によって行うことができることは言うまでもない。また、外部シラント１６４は、図５に示すように、負極基板１３０の導電性透明膜１３４の枠と正極基板１４０の導電性透明膜１４４の枠との間に位置し、電解質１５６が並列モジュール１５０の外部へ漏洩する現象を防止する。内部シラント１６２と外部シラント１６４は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂により形成される。

絶縁部は、負極基板１３０の導電性透明膜１３４をエッチングして形成した負極溝１７２と、正極基板１４０の導電性透明膜１４４をエッチングして形成した正極溝１７４とを有している。溝１７２，１７４は、レーザーエッチング法、乾式エッチング法、湿式エッチング法等の方法により形成される。

正極溝１７４は、図４に示すように、正極基板１４０の左端から右端まで延長される横溝と、正極基板１４０の上端から下端まで延長される縦溝とにより構成される。横溝は、並列モジュール１５０，２５０，３５０の上下部に形成される。さらに具体的に、横溝は、並列モジュール１５０，２５０，３５０と正極グリッド１６０の正極バスバー１６０ｂ，２６０ｂとの間に形成される。縦溝は、並列モジュール１５０，２５０，３５０の間に形成される。

負極溝１７２は、図３に示すように、正極溝１７４に対応するように形成される。溝１７２，１７４は、グリッド１５８，１６０が形成された部分には形成されていない。溝１７２，１７４を、このようなパターンで形成する場合、パターンが簡単なので、絶縁部の形成が容易になる。

一方、図２に示されたように、正極基板１４０と負極基板１３０は、互いにずれるように結合される。また、外部回路と連結される正極バスバー１６０ｂは、並列モジュール１５０，２５０,３５０の上部に位置する他の正極バスバー３６０ｂに比べて相対的に正極基板１４０の端部側に位置し、外部回路と連結される負極バスバー３５８ｂは、並列モジュール１５０，２５０，３５０の下部に位置する他の負極バスバー１５８ｂに比べて相対的に負極基板１４０の端部側に位置する。従って、正極基板１４０と負極基板１３０との結合が完了しても、外部回路と連結される正極バスバー１６０ｂ及び負極バスバー３５８ｂは、外部に露出するようになり、そのため、モジュール１００と外部回路との連結が容易に行われることができる。

以下、直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュール１００の製造過程を説明する。

まず、負極基板１３０の導電性透明膜１３４をエッチングして絶縁部を形成した後、導電性透明膜１３４上に負極グリッド１５８と負極電極１５２を形成する。この工程と同時に、またはこの工程後に、正極基板１４０の導電性透明膜１４４をエッチングして絶縁部を形成し、導電性透明膜１４４上に正極グリッド１６０と正極電極１５４を形成する。

この工程の後、負極基板１３０または正極基板１４０上に、ペースト状あるいはフィルム状などの内部シラント１６２と外部シラント１６４とを塗布し、負極基板１３０と正極基板１４０を配列する。また、その後、負極基板１３０の側面及び正極基板１４０の側面を、加熱しながら加圧する。熱加圧が行われる間、並列モジュール１５０が備える負極グリッド１５８の負極バスバー１５８ｂと隣接並列モジュール２５０が備える正極グリッド２６０の正極バスバー２６０ｂとの面接触が行われ、これにより、並列モジュール１５０と隣接並列モジュール２５０との間に電気的な直列関係が形成される。熱加圧後、負極電極１５２と正極電極１５４との間に電解質１５６を挿入して密封する。

以上のように、本発明は、実施例と図面によって説明されたが、本発明は、これによって限定されず、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によって本発明の技術思想と下記に記載する特許請求範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。

本発明によれば、単位ストライプセルが並列で連結されるように形成された複数の並列モジュールが負極基板及び正極基板を結合させる過程で自然に直列で連結されるので、正極基板及び負極基板の結合が完了した後、単位ストライプセルの直列／並列連結を完成させるためのリード線を設置する追加工程が不要となる。従って、直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュールの作製が非常に容易になる。

Claims (6)

1. 正極基板の導電性透明膜上に配置された複数の正極電極と、負極基板の導電性透明膜上に配置された複数の負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に充填される酸化還元用電解質と、前記正極基板の導電性透明膜上に形成され、電子を前記正極電極に分配する正極グリッドと、前記負極基板の導電性透明膜上に形成され、前記負極電極で発生した電子を捕集する負極グリッドとを有する複数の並列モジュールと、
   前記複数の並列モジュールの間を絶縁する絶縁部と
   を備え、
   前記複数の並列モジュールのうち、いずれか１つの前記並列モジュールが有する負極グリッドは、前記いずれか１つの並列モジュールに隣接した隣接並列モジュールが有する正極グリッドと面接触によって連結されることを特徴とする直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュール。
2. 前記並列モジュールは、前記酸化還元用電解質によって前記正極グリッドと負極グリッドが浸食される現象を防止するとともに、前記正極グリッドと負極グリッドを絶縁させるシラントを有することを特徴とする請求項１に記載の直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュール。
3. 前記正極グリッドは、前記正極電極の配置方向に沿って延設される正極バスバーと、前記正極バスバーから前記複数の正極電極の間に延設される分配部とを有し、
   前記負極グリッドは、前記負極電極の配置方向に沿って延設される負極バスバーと、前記負極バスバーから前記複数の負極電極の間に延設される捕集部とを有し、
   前記正極バスバーと前記負極バスバーは、前記並列モジュールを基準にして反対側面に位置し、反対方向に延設されることを特徴とする請求項１に記載の直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュール。
4. 前記いずれか１つの並列モジュールが有する前記負極グリッドの負極バスバーと前記隣接並列モジュールが有する正極グリッドの正極バスバーは、前記並列モジュールを基準にして同一側面に位置し、それらのうちいずれか一方は、前記絶縁部を経て他方と重なることができる長さを有することを特徴とする請求項３に記載の直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュール。
5. 前記絶縁部は、前記正極基板の導電性透明膜をエッチングすることにより形成された正極溝と、前記正極溝と対向するように、前記負極基板の導電性透明膜をエッチングすることにより形成された負極溝とを有し、前記正極グリッド及び前記負極グリッドが形成された部分には形成されていないことを特徴とする請求項１に記載の直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュール。
6. 前記正極溝は、前記正極基板の左端から右端まで延長される横溝と、前記正極基板の上端から下端まで延長される縦溝とにより構成され、前記横溝は、前記並列モジュールの上下部に形成され、前記縦溝は、前記並列モジュールの間に形成されることを特徴とする請求項５に記載の直列／並列混合型染料感応太陽電池モジュール。

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