KR100567331B1 - 레고형 염료감응 태양전지 모듈 - Google Patents

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Abstract

레고형 염료감응 태양전지 모듈을 제시한다. 본 발명에 따르면, 상호 대향되게 정렬 도입된 투명한 두 제1기판들, 제1기판들 사이에 제1기판들에 대해 어긋나게 겹쳐지게 도입되되 제1기판들에 비해 상대적으로 내밀어져 돌출된 철(凸)부를 이루고 철부에 대응되는 반대 방향에서 상대적으로 들이밀어져 제1기판 부분들이 상대적으로 돌출되어 요(凹)부를 이루게 하는 투명한 제2기판, 제1기판들 및 제2기판 사이에 공간을 제공하며 도입된 밀폐부들, 밀폐부들의 내측에 대향되는 제1기판들 또는 제2기판의 표면들 상에 각각 도입되는 투명한 두 전극들, 두 전극들에 각각 대향되게 도입된 투명한 두 염료감응 필름들, 염료감응 필름과 전극 사이에 도입된 전해질, 및 기판들과 염료감응 필름들 사이 및 상기 기판들과 상기 전극들 사이에 도입되되 밀폐부 외측으로 연장되는 투명한 전도성 필름들을 포함하는 태양전지 셀 블록을 단위 형태를 제시하고, 이러한 태양전지 단위 셀 블록 다수 개가 어느 한 셀 블록의 요부에 다른 한 셀 블록의 철부가 삽입되어 상호 전기적으로 연결되는 형태로 상호 체결된 모듈을 제시한다.
태양전지, 태양전지모듈, 레고, 염료감응, 투명전극

Description

레고형 염료감응 태양전지 모듈{Lego-type module of dye-sensitized solar cells}
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 셀 블록의 일례들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 셀 블록의 일례들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 사시도들이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 셀 블록의 모듈의 일례들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 일례들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 평면도들이다.
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히, 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell)의 단위 블록을 레고 블록(lego block) 형태로 구성하여 간편하게 조립될 수 있고 에너지 변환 효율도 높은 태양전지 모듈에 관한 것이다.
염료감응 태양전지는 가시 광선을 흡수하는 전자-홀 쌍(electron-hole pair) 을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다. 이러한 염료감응 태양전지의 대표적인 예는 1991년 스위스의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 등에 의하여 발표된 광전기화학 태양전지를 들 수 있다. 이러한 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 값싸고, 대략 10% 정도의 에너지변환 효율을 가지기 때문에, 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있다.
염료감응 태양전지의 하나의 단위 셀은 염료분자가 흡착된 나노결정 산화물 필름이 코팅(coating)된 투명전도성 전극과 나노입자 금속 백금(Pt) 필름이 코팅된 전극과 요오드계 산화-환원 전해질 등을 포함하여 구성된다. 이와 같이 구성되는 단위 셀들을 여러 개 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈을 구성함으로써, 염료감응 태양전지의 출력을 높일 수 있다. 그런데, 이와 같은 단위 셀들을 연결하기 위해서는 개개의 태양전지 셀들을 제조한 후, 각 셀들 간을 도선으로 연결하는 과정이 요구된다. 따라서, 전체 모듈 제조 과정이 매우 복잡해질 수 있고, 또한, 연속적인 공정의 수행이 실질적으로 불가능하여 생산성의 저하가 수반되게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 태양전지 단위 셀 블록들을 직렬로 또는 병렬로 연결하기가 간단하고 편리하면서, 단위 면적 당 에너지 변환 효율이 상대적으로 높을 수 있는 염료감응 태양전지 모듈을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 관점은, 상호 대향되게 정렬 도입된 투명한 두 제1기판들, 상기 제1기판들 사이에 상기 제1기판들에 대해 어긋나게 겹쳐지게 도입되되 상기 제1기판들에 비해 상대적으로 내밀어져 돌출된 철(凸)부를 이루고 상기 철부에 대응되는 반대 방향에서 상대적으로 들이밀어져 상기 제1기판 부분들이 상대적으로 돌출되어 요(凹)부를 이루게 하는 투명한 제2기판, 상기 제1기판들 및 상기 제2기판 사이에 공간을 제공하며 도입된 밀폐부들, 상기 밀폐부들의 내측에 대향되는 상기 제1기판들 또는 상기 제2기판의 표면들 상에 각각 도입되는 투명한 두 전극들, 상기 두 전극들에 각각 대향되게 도입된 투명한 두 염료감응 필름들, 상기 염료감응 필름과 상기 전극 사이에 도입된 전해질, 및 상기 기판들과 상기 염료감응 필름들 사이 및 상기 기판들과 상기 전극들 사이에 도입되되 상기 밀폐부 외측으로 연장되는 투명한 전도성 필름들을 포함하는 태양전지 셀 블록을 단위 형태를 제시하고, 이러한 태양전지 단위 셀 블록 다수 개가 어느 한 셀 블록의 요부에 다른 한 셀 블록의 철부가 삽입되어 상호 전기적으로 연결되는 형태로 상호 체결된 레고형 염료감응 태양전지 모듈을 제시한다.
여기서, 상기 제1기판 및 상기 제2기판은 대등한 크기의 사각 판형을 가지고, 상기 제2기판의 한 변만이 상기 철(凸)부를 이루게 상대적으로 내밀어지게 도입된다.
또는, 상기 제1기판 및 상기 제2기판은 대등한 크기의 사각 판형을 가지고, 상기 제2기판의 이웃하는 두 변이 상기 철(凸)부를 이루게 상대적으로 내밀어지게 도입될 수 있다.
상기 전도성 필름들 중 어느 하나의 제1전도성 필름은 상기 철부를 이루는 상기 제2기판 부분 상으로 연장되고 다른 하나의 제2전도성 필름은 상기 요부를 이루는 상기 제1기판 부분 상으로 연장되고, 상기 태양전지 셀 블록들 중 어느 하나의 제1셀 블록의 상기 제1전도성 필름은 다른 하나의 제2셀 블록의 상기 제2전도성 필름에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 직렬 또는 병렬 연결이 간단하고 편리하면서 단위 면적 당 에너지 변환 효율은 단일 셀에 비하여 상대적으로 대략 2배 정도 높은 투명 염료감응 태양전지 모듈을 제공할 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것으로 해석되는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예들은 태양전지 셀의 단위 블록이 상호 간에 레고 형태로 결합 또는 체결될 수 있도록 측부가 요(凹)부와 이에 대향되는 철(凸)부를 가지도록 형성하는 기술을 제시한다. 어느 하나의 태양전지 단위 셀 블록의 철부는 다른 하나의 태양전지 단위 셀 블록의 요부에 삽입되고, 이러한 삽입 체결부는 전기적인 연결이 이루어지도록 유도하게 된다. 이에 따라, 태양전지 셀 블록들을 단지 요부와 철부가 삽입 체결시키는 과정을 통해서 간단히 체결되어 모듈이 형성될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 셀 블록의 일례들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈을 이루기 위한 단위 셀 블록은, 제2기판(110)이 사이에 도입되고, 상호 대향되게 정렬 도입된 투명한 두 제1기판(130)들, 투명한 제2기판(110), 제1기판(130)들 및 제2기판(110) 사이에 공간을 제공하며 도입된 밀폐부(600)들, 투명한 두 전극(500)들, 두 전극(500)들에 각각 대향되게 도입된 투명한 두 염료감응 필름(300)들, 염료감응 필름(300)과 전극(500) 사이에 도입된 전해질(400), 및 기판들(130, 110)과 염료감응 필름(300)들 사이 또는/및 기판들(130, 110)과 전극(500)들 사이에 도입되되 밀폐부(600) 외측으로 연장되는 투명한 전도성 필름(210, 230)들을 포함하여 구성된다.
이때, 투명한 전극(500)은 도 1a에 제시된 바와 같이 제2기판(110) 상의 제1전도성 필름(210) 상에 형성되거나 또는 도 1b에 제시된 바와 같이 제1기판(130) 상의 제2전도성 필름(230) 상에 형성될 수 있다.
제2기판(110)은 제1기판(130)들 사이에 도입되되, 도 1a 및 도 1b에 제시된 바와 같이 제1기판(130)들에 대해 어긋나게 겹쳐지게 도입된다. 이에 따라, 제1기판(130)들에 비해 상대적으로 내밀어져 돌출된 철(凸)부(810)가 이루어지게 된다. 또한, 철부(810)에 대응되는 반대 방향에서 상대적으로 제2기판(110)이 들이밀어져 제1기판(130) 부분들이 상대적으로 돌출되어 요(凹)부(850)가 이루어지게 된다.
이와 같이 하나의 단위 셀 블록이 도 1a 및 도 1b에 제시된 바와 같이 철부 (810)와 요부(850)가 대응되는 형상을 가지게 된다. 이러한 단위 셀 블록은, 마치 레고 블록들이 조립되는 것과 같이, 요부(850)에 철부(810)가 끼워지게 다수 개가 조립될 수 있는 형상을 가진다.
이때, 철부(810)에는 제1걸쇠 돌기(811)가 도입되고 요부(850)에는 이에 대응되는 제2걸쇠 돌기(851)가 도입되어, 제1걸쇠 돌기(811)와 제2걸쇠 돌기(851)에 의해서 셀 블록들이 간단히 체결되게 된다. 제1걸쇠 돌기(811)와 제2걸쇠 돌기(851)는 금속 도전 물질로 형성되며, 셀 블록들을 체결하는 수단으로 이용된다.
밀폐부(600)는 기판들(130, 110) 사이에 도입되어 기판(110, 130)들을 부착시키는 역할을 하며, 내부에 도입되는 용액 형태의 전해질(400)이 유출되지 않도록 하는 역할을 한다. 이러한 밀폐부(600)는 설린(surlyn: 듀퐁사 제품 번호1702)과 같은 열가소성 고분자 재료로 형성될 수 있다. 전해질(400)은 요오드계 산화-환원 액체 전해질, 예를 들어 0.8M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1,2-dimethyl-3-octyl-imidazolium iodide)와 40mM의 I2(Iodine)를 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitrile)에 용해시킨 I3 -/I-의 전해질 용액일 수 있다.
여기서, 제1기판(130) 또는/ 및 제2기판(110)은 투명한 유리 또는 플라스틱(plastic)으로 형성될 수 있다. 이러한 기판들(110, 130) 상에 도입된 전도성 필름(210, 230)들은 ITO(indium tin oxide) 혹은 F 도핑된 이산화주석(FTO)(SnO2 : F-doped) 등으로 형성될 수 있다.
전극(500)은 제1전도성 필름(210) 또는 제2전도성 필름(230) 상에 형성되는 데, 예컨대, 백금(pt)층을 포함하여 형성될 수 있다. 백금층의 전극(500)에 대향되게 도입되는 염료감응 필름(300)은 10 - 20 nm 크기의 나노입자 산화물을 포함하는 박막으로 나노입자 산화물을 이용하기 때문에 투명한 필름으로 제조되게 된다. 이러한 나노입자 산화물층은 대략 5 ∼ 15㎛ 두께의 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)의 나노입자 산화물층일 수 있고, 나노입자 산화물층에는 예컨대 Ru 착체(錯體)로 이루어지는 염료분자가 화학적으로 흡착되어 염료감응 필름(300)이 형성된다.
한편, 도 1a 및 도 1b에 제시된 바와 같은 태양전지 셀 블록은 결국 중심의 제2기판(110)의 양면 상에 두 개의 하부 태양전지 셀들을 구성한다. 따라서, 가시 광선(700)은 제2기판(110)의 양쪽으로 입사될 때, 두 방향으로 입사되는 가시 광선(700) 모두에 대해 전류를 생성시킬 수 있게 된다. 따라서, 단위 면적 당 에너지 변환 효율을 대략 2배 정도 높을 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 셀 블록의 일례들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 사시도들이다.
도 2a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 단위 셀 블록에서, 제1기판(130)들 및 제2기판(110)들이 대등한 크기의 사각 판형을 가지게 형성될 수 있고, 제2기판(110)의 한 변만이 철(凸)부(810)를 이루게 상대적으로 내밀어지게 도입될 수 있다. 따라서, 요부(850)는 철부(810)에 반대되는 변에 형성되게 된다. 이러한 태양전지 단위 셀 블록들은 요부(850)에 철부(810)가 끼워지는 형식으로 조 립되므로, 결국, 사슬 형태로 일 방향으로 계속 셀 블록들이 덧붙어 연결되게 모듈로 조립되게 된다.
도 2b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 단위 셀 블록에서, 제1기판(130)들 및 제2기판(110)들이 대등한 크기의 사각 판형을 가지게 형성될 수 있고, 제2기판(110)의 이웃하는 두 변이 철(凸)부(810')를 이루게 상대적으로 내밀어지게 도입될 수 있다. 따라서, 요부(850')는 철부(810')에 반대되는 이웃하는 두 변에 형성되게 된다. 이러한 태양전지 단위 셀 블록들은 요부(850')에 철부(810')가 부 방향으로 끼워질 수 있다. 따라서, 타일 형태로 2차원적으로 계속 셀 블록들이 덧붙어 연결되게 모듈로 조립되게 된다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 셀 블록의 모듈의 일례들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 단면도들이다.
도 3a을 참조하면, 도 1a 제시된 바와 같은 형태의 본 발명의 실시예에 따른 단위 셀 블록들은 같은 종류들이 도 3a에 제시된 바와 같이 연속적으로 체결 조립됨에 따라 하나의 모듈을 형성하게 된다. 어느 한 제1셀 블록(1310)의 철부(850)에 다른 한 제2셀 블록(1320)의 요부(850)에 삽입되어 상호 전기적으로 연결되는 형태로 상호 체결됨으로써, 하나의 태양전지 모듈이 형성된다.
이때, 제1 및 제2걸쇠 돌기(811, 851)들의 상호 걸쇠 작용에 의해서 셀 블록들(1310, 1320)은 상호 간에 체결된다. 또한, 제1 및 제2걸쇠 돌기(811, 851)들을 통해, 제1셀 블록(1310)의 제1전도성 필름(210)은 제2셀 블록(1320)의 제2전도성 필름(230)에 전기적으로 연결된다. 이러한 전기적인 연결 형태는 셀 블록들이 상호 간에 (+), (-) 극성들이 직렬 연결되는 형태일 수 있고, 또한, 병렬 연결되는 형태일 수도 있다.
도 3b를 참조하면, 마찬가지로, 도 1b 제시된 바와 같은 형태의 본 발명의 실시예에 따른 단위 셀 블록들은 같은 종류들이 도 3b에 제시된 바와 같이 연속적으로 체결 조립됨에 따라 하나의 모듈을 형성하게 된다.
또한, 도 1a에 제시된 바와 같은 제1셀 블록에 도 1b에 제시된 바와 같은 제2셀 블록들이 순차적으로 조립되는 모듈 또한 고려할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 일례들을 설명하기 위해서 개략적으로 도시한 평면도들이다.
도 4a를 참조하면, 도 2a 제시된 바와 같은 사슬 형태의 본 발명의 실시예에 따른 단위 셀 블록들은 같은 종류들이 도 4a에 제시된 바와 같이 연속적으로 체결 조립됨에 따라 하나의 사슬 형태로 조립 체결된 모듈을 형성하게 된다. 어느 한 제2셀 블록(1420)은 제1셀 블록(1410)이 한 변에 조립되는 방식으로 셀 블록들이 계속하여 사슬 형태로 조립될 수 있다.
도 4b를 참조하면, 도 2b 제시된 바와 같은 타일 형태의 본 발명의 실시예에 따른 단위 셀 블록들은 같은 종류들이 도 4b에 제시된 바와 같이 연속적으로 체결 조립됨에 따라 하나의 타일 형태로 조립 체결된 모듈을 형성하게 된다. 어느 한 제2셀 블록(1440)은 제2셀 블록(1430)에 두 변 중 어떤 한 변에 조립되는 방식으로 셀 블록들이 계속하여 2차원적으로 조립되어 타일 형태의 모듈이 형성될 수 있다.
상술한 본 발명에 따르면, 단위 셀 블록들이 레고와 같은 형태로 상호 간에 조립 체결될 수 있어 태양전지 모듈을 위한 셀 블록들의 직렬 또는 병렬 연결이 간단하고 편리하게 수행될 수 있다. 또한, 단위 면적 당 에너지 변환 효율이 단일 셀에 비하여 약 2배 정도 높은 투명 염료감응 태양전지 모듈을 제공할 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

Claims (4)

  1. 상호 대향되게 정렬 도입된 투명한 두 제1기판들;
    상기 제1기판들 사이에 상기 제1기판들에 대해 어긋나게 겹쳐지게 도입되되 상기 제1기판들에 비해 상대적으로 내밀어져 돌출된 철(凸)부를 이루고 상기 철부에 대응되는 반대 방향에서 상대적으로 들이밀어져 상기 제1기판 부분들이 상대적으로 돌출되어 요(凹)부를 이루게 하는 투명한 제2기판;
    상기 제1기판들 및 상기 제2기판 사이에 공간을 제공하며 도입된 밀폐부들;
    상기 밀폐부들의 내측에 대향되는 상기 제1기판들 또는 상기 제2기판의 표면들 상에 각각 도입되는 투명한 두 전극들;
    상기 두 전극들에 각각 대향되게 도입된 투명한 두 염료감응 필름들;
    상기 염료감응 필름과 상기 전극 사이에 도입된 전해질; 및
    상기 기판들과 상기 염료감응 필름들 사이 및 상기 기판들과 상기 전극들 사 이에 도입되되 상기 밀폐부 외측으로 연장되는 투명한 전도성 필름들을 포함하는 태양전지 셀 블록 다수 개가
    어느 한 셀 블록의 요부에 다른 한 셀 블록의 철부가 삽입되어 상호 전기적으로 연결되는 형태로 상호 체결된 것을 특징으로 하는 레고형 염료감응 태양전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판 및 상기 제2기판은 대등한 크기의 사각 판형을 가지고
    상기 제2기판의 한 변만이 상기 철(凸)부를 이루게 상대적으로 내밀어지게 도입되는 것을 특징으로 하는 레고형 염료감응 태양전지 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1기판 및 상기 제2기판은 대등한 크기의 사각 판형을 가지고
    상기 제2기판의 이웃하는 두 변이 상기 철(凸)부를 이루게 상대적으로 내밀어지게 도입되는 것을 특징으로 하는 레고형 염료감응 태양전지 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 필름들 중 어느 하나의 제1전도성 필름은 상기 철부를 이루는 상기 제2기판 부분 상으로 연장되고 다른 하나의 제2전도성 필름은 상기 요부를 이루는 상기 제1기판 부분 상으로 연장되고,
    상기 태양전지 셀 블록들 중 어느 하나의 제1셀 블록의 상기 제1전도성 필름은 다른 하나의 제2셀 블록의 상기 제2전도성 필름에 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 레고형 염료감응 태양전지 모듈.
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