KR100790405B1 - 염료감응형 태양전지의 구조 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 제 1 실시예에 따른 음각기판 염료감응형 태양전지는 종래의 태양전지의 도전성 투명전극이 코팅된 평면기판 위에 각각 양극과 음극을 양각으로 코팅되도록 함으로써, 탄소나노튜브와 같은 표면이 불균일하고 거칠기가 매우 큰 물질을 상대전극으로 사용할 경우 두 기판 사이의 단락이 쉽게 일어나는 문제와 두 기판 사이의 간격을 조절하기 어려운 문제, 고가의 투명전극의 도움 없이는 전극 자체적으로는 전기전도도를 조절하기 어려운 문제를 해결하기 위하여, 기판에 음각 구조를 부여하여 그 음각홈 내에 전극을 넣음으로 다양한 전극물질을 사용할 수 있고, 깊이와 모양에 따라 다양한 전기전도도의 전극을 제조하는 것이 가능하고, 고가의 도전성 투명전극 기판을 사용하지 않아도 되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 투명도전성 박막을 지닌 기판 대신 투명도전성 박막이 없는 음각기판을 사용하고, 음각 속에 전극을 채워넣는 구조를 채용함으로써, 기존의 기판이 투명도전성 박막 때문에 고가이어서 전지 가격이 높고, 탄소나노튜브와 같은 불균일성 촉매전극을 사용할 수 없으며, 상하 기판의 실링이 어려운 점을 해결하여, 안정성과 밀폐성이 높은 저가의 태양전지를 제조할 수 있다.
염료감응형 태양전지, 음각기판, 탄소나노튜브, 이중층 상대전극, 전도성 투 명막이 없는 기판
Description
도 1은 종래기술에 따른 염료감응형 태양전지의 구조를 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 상대전극 측에 음각기판과 음각 속에 카본블랙을 지닌 염료감응형 태양전지의 구조.
도 3은 본 발명에 따른 상대전극 측에 음각기판과 음각 속에 탄소나노튜브를 지닌 염료감응형 태양전지의 구조.
도 4는 본 발명에 따른 상대전극 측에 음각기판과 음각 속에 상대전극과 카본블랙 또는 탄소나노튜브 이중층을 지닌 염료감응형 태양전지의 구조.
도 5는 본 발명에 따른 음극과 양극의 두 기판 모두에 음각기판이 채용되고, 음극에는 염료가 흡착된 산화물 다공질 전극이 채워지고, 상대전극에는 탄소계 물질이 채워진 염료감응형 태양전지의 구조.
도 6은 단위 셀이 1열로 구성된 염료감응형 태양전지 모듈에서, 종래기술과 본 발명에 채용되는 그리드 및 외부전극의 패턴 구조로서,
(a)는 그리드와 연결 전극을 동시에 지니고 있는 종래기술의 패턴구조이고,
(b)는 태양광발전을 위한 유효면적이 확장된 본 발명의 패턴 구조.
도 7은 단위 셀의 열과 열 사이에 그리드 전극이 형성될 필요성이 있음을 나타내는 종래의 발명에서 채용되는 다열 구조의 염료감응형 태양전지 모듈의 패턴.
도 8은 단위셀의 열과 열 사이에 그리드 전극이 필요 없어 발전유효면적이 증가하고, 연결전극 구조가 단순해지는 본 발명에 채용되는 다열 구조의 염료감응형 태양전지 모듈의 패턴구조이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101: 상부 투명기판 102: 도전성 투명전극
103: 염료가 흡착된 다공질 전극 104: 상대전극
105: 전해질 106: 실링용 접착제
201: 카본블랙 전극 301: 탄소나노튜브 전극
401: 다중벽 탄소나노튜브 또는 카본블랙 501: 도전성 투명전극 502: 카본계 전극층 포함 상대전극
503: 고분자접착제 또는 무기접착제 601: 단위 셀 열
602: 본 발명의 음각기판 단위셀 열 603: 외부 연결전극 604: 그리드 전극 701: 단위 셀 열 702: 그리드 전극 703: 외부 연결 전극
801: 본 발명의 음각 기판 단위 셀 열 802: 외부 연결 전극
본 발명은 염료감응형 태양전지의 새로운 구조 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기판에 음각으로 홈을 만들고 그 내부에 전극물질을 채워 넣음으로, 음각의 형상에 따라 전극이 다양한 전기전도도를 가지게 할 수 있고, 전극을 다층으로 제작하여 하부 층에는 고 전도성을 지닌 물질을 두고 상부 층은 촉매특성이 우수한 물질을 두어 우수한 전기전도성과 촉매특성을 동시에 만족시키는 것이 가능하고, 음각 홈 속에 전극을 매몰함으로써 전극의 두께가 불균일하거나 음극 양극 기판 간격을 조절하는 것이 어려움에 따른 두 전극의 단락현상을 방지할 수 있고, 음극 양극 두 기판의 접착공정을 단순하게 할 수 있으며, 궁극적으로 고가의 도전성 투명전극이 없이도 태양전지의 제작이 가능한, 염료감응형 태양전지의 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 염료감응형 태양전지는 염료의 태양광 흡수 능력을 이용하여 화학적으로 발전을 일으키는 태양전지의 일종으로, 도 1에서 보는 바와 같이, 상부유리 기판(101) 위에 음극(103), 염료, 전해질(105), 상대전극(104), 투명 도전성 전극(102), 실링용 접착제(106) 및 하부 유리기판(107) 등을 구비하고 있다.
음극(103)은 나노(nano) 다공질막의 형태로 존재하는 TiO2, ZnO, SnO2와 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되어 있고, 이 표면에 단분자 층의 염료가 흡착되어 있다. 태양광이 태양전지에 입사되면, 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기된다.
이때 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈 자리는 전해질 속의 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다. 염료에 전자를 제공한 이온은 양극인 상대전극(104)으로 이동하여 전자를 제공받게 된다. 이때 양극부의 상대전극(104)은 전해질 속에 있는 이온의 산화환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.
이상의 염료감응형 태양전지의 구성요소 중 유리기판(101)은 표면에 도전성 투명전극(102)이 코팅되어 있다. 이 도전성 투명전극(102)으로는 주로 불소가 도핑된 산화주석(FTO)이 사용되고 있는데, 이는 FTO가 전해질(105)과의 반응성이 가장 낮아 장시간의 사용에도 안정하기 때문이다. 그러나 FTO가 코팅된 유리기판(101)은 매우 고가이어서, 염료감응형 태양전지의 전체가격을 높이고, 상용화의 걸림돌이 되고 있다.
또 종래의 태양전지에서 상대전극(104)으로 탄소 나노튜브 또는 탄소 섬유와 같은 섬유 상의 전극을 사용할 경우, 전극 표면에서 탄소 섬유들이 심하게 삐져나오거나, 표면 평활도가 크게 나빠져서, 음극과 양극 기판 사이의 간격을 충분히 하지 않으면 단락이 발생하여 태양전지의 특성을 크게 나쁘게 하거나 작동하지 못하게 하는 문제가 있다.
또한, 종래의 태양전지에서 상대전극의 촉매특성이 우수함에도 불구하고 전기전도도가 충분하지 못하여 사용하지 못하는 경우가 있다. 이 경우 촉매 특성은 그대로 유지하면서 전기전도도를 높일 수 있는 방법을 개발할 필요가 있다.
이러한 제 문제를 해결하기 위해서는 저가의 투명 전도성 막을 지닌 기판을 사용하거나, 투명 전도성 막이 필요없는 새로운 구조를 고안하여 가격을 낮출 필요가 있다.
본 발명은 새로운 저가의 투명전극을 개발하지 않고도, 종래의 물질로도 제조가 가능한 투명 전도성 막이 필요 없는 새로운 구조를 개발하고자한다.
이 경우 이 새로운 구조에 적합하면서도 제조가 용이한 재료의 선정이 필요하다. 또한 이 새로운 구조는 음극과 양극의 단락을 방지해야하고, 상대전극 물질의 전기전도도가 낮을 경우 그 낮은 전기전도도를 보완할 수 있어야 한다.
또한 종래의 염료감응형 태양전지 모듈의 제조에서 상하 기판을 고체 접합제 또는 에폭시계 접착제와 같은 고분자 접착제를 이용하여 접합을 행할 경우, 고분자 접착제와 전해질의 반응에 의해 접합부가 손상되어, 태양전지의 수명을 크게 떨어뜨리는 문제가 있어왔다. 이에 따라 태양전지가 10년 이상의 장시간 사용 시에도 접합부가 손상되지 않도록 하는 기술이 요구되어 오고 있다.
따라서, 본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 발명된 것으로서, 유리기판 또는 플라스틱 기판에 전극이 들어갈 자리에 음각으로 홈을 내고, 그 홈 속에 전극을 채워 넣음으로, 전기전도성과 촉매특성을 중심으로 다양한 특성을 지닌 전극을 형성할 수 있고, 태양전지의 양극과 음극 기판 사이의 간격 조절이 용이하고, 음극과 양극의 단락 현상을 방지할 수 있고, 접합이 용이하고, FTO가 없이도 작동 가능한 태양전지 및 그의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
특히 음각을 사용함으로써, 음각이 없을 경우 평면상에 형성해서는 높은 전 기전도도를 얻기가 용이하지 않은 탄소나노튜브, 탄소 섬유와 같은 섬유상의 탄소계 물질을 전극으로 사용하도록 하는 것이 본 발명이 이루고자 하는 주요한 기술적 과제 중의 하나이다.
이러한 목적을 달성하기 위해서는, 첫째, 유리기판 또는 플라스틱 기판에 음각을 제조하는 기술이 있어야하고, 둘째, 음각 속에 탄소나노튜브 전극, 도전성 플라스틱 전극, 도전성 산화물 전극, 금속계 전극을 포함한 각종 전극을 채워넣는 기술이 필요하고, 셋째, 전기전도도, 촉매 특성과 같은 원하는 특성을 얻을 수 있도록 음각의 단면 형상, 크기 및 패턴을 결정하는 기술이 필요하고, 넷째, 음각 속에 다양한 특성을 지닌 전극을 다층으로 제작할 필요성, 설계 기술 및 제작 기술이 필요하고, 다섯째, 한쪽 기판 또는 두 기판이 음각으로 제작된 양 기판을 결합할 때 두 기판 사이의 간격을 조절할 필요가 있으며, 여섯째, 이러한 음각 기판을 이용하여 태양전지를 제조할 때의 최대의 장점인 고가의 SnO2:F (FTO)와 같은 투명 도전성 막이 없는 태양전지를 제조할 수 있는 기술을 개발하여야하며, 일곱째, 이 음각기판을 상대전극이 아닌 나노 다공질 반도체 막이 형성되어 있는 작업전극에 적용하기 위한 기술이 있어야 한다.
첫째, 먼저 기판에 음각 홈을 내는 기술에 대해서는, 유리기판의 경우 불산 또는 불산과 동일한 효과를 지닌 유리기판 부식 용액과 파라핀을 이용한 화학적 식각방법이나, 샌드블라스트와 같이 알루미나와 SiC를 포함하는 샌드를 이용하여 선택적으로 음각부위만 건식으로 식각하는 방법이 제안될 수 있다. 플라스틱 기판의 경우라면 기판의 성형 시 손쉽게 음각을 지닌 기판을 제조하는 것이 가능하다.
둘째, 음각 홈 속에 전극을 채워넣은 방법은 닥터블레이드법, 스크린프린팅법, 스프레이법, 열증착법, 스퍼터링법 등 다양한 방법을 사용할 수 있다. 다만 홈 속에 여러 종류의 다른 물질을 다층으로 채워 넣을 때는 열증착법이나 스퍼티링법과 같이 물리적인 방법을 사용할 때는 차례대로 원하는 두께만큼 증착을 하면 되므로, 문제가 없으나, 닥터블레이드법, 스크린프린팅법, 스프레이법 등을 사용할 경우에는 전극 페이스트를 먼저 제작한 후 이 페이스트를 이용하여 음각부위에 채워넣어야 하므로, 적절한 페이스트의 제조방법 및 페이스트의 농도, 주입방법 및 건조방법에 대한 기술이 있어야한다.
셋째, 음각에 형성된 전극의 전기전도도의 조절은 음각의 넓이, 깊이 및 모양을 변화시킴으로 가능하다. 이는 전기전도도는 전극의 단면적이 클수록 증가하기 때문에, 높은 전기전도도를 원할 경우 넓은 단면적을 지니도록 구조를 조절하고, 낮은 전기전도도를 원할 경우 단면적이 작은 구조를 만듦으로써, 전극의 전기적 특성을 조절할 수 있기 때문이다.
네째, 단일 물질로 전기전도도의 구현이 곤란할 경우 음각 속에 다층 막을 만들어서, 높은 전기전도도와 동시에 촉매특성 또는 다른 특성을 지닌 전극을 만드는 것이 가능하다. 예를 들면, 하부에는 카본블랙이나 금속 또는 금속-카본 복합 물질, 전도성 플라스틱과 같은 높은 전기전도도의 물질을 채워 넣고, 그 상층부에 촉매특성이 우수한 물질을 채움으로써, 높은 전기전도도와 뛰어난 촉매특성을 동시에 얻을 수 있다. 이러한 다층막의 형성에 의해, 전기 전도도뿐만 아니라 서로 다 른 상이한 특성을 지닌 다양한 물질을 조합하여 다중 특성을 갖는 전극을 손쉽게 제조할 수 있다.
다섯째, 우수한 특성을 지닌 염료감응형 태양전지를 제조하기 위해서는 태양전지를 구성하는 두 기판 사이의 간격이 가능하게 작게 유지되어야한다. 일반적으로 염료감응형 태양전지에서 양극과 음극 사이의 간격은 작을수록 전해질 속의 이온의 이동거리가 작아지므로 효율향상에 유리한데, 실질적으로 제조 과정에서 음극과 양극의 단락될 우려가 크므로, 적당한 간격을 유지하도록 제조한다. 종래의 음각이 없는 방식으로 평면 기판 위에 상대 전극막을 형성시킬 때, 만약 상대전극 물질이 탄소나노튜브 또는 탄소 섬유와 같은 탄소계 물질일 경우, 이들 전극의 재료 특성상 나타나는 표면높이의 불균일성과 전극 밖으로 길게 뻗쳐나온 섬유 가닥 때문에, 작은 갭에서는 쉽게 단락을 형성하여 태양전지를 작동불능으로 만든다. 그러나 음각 속에 상대전극을 삽입할 경우, 상대 전극막의 전체 또는 거의 대부분을 음각 속에 완전히 집어넣을 수 있고, 이에 따라 두 기판 사이의 간격을 크게 낮출 수 있으므로, 대면적의 모듈을 제조시 단락현상에 의한 태양전지의 불량을 제거할 수 있다.
여섯째, 염료감응형 태양전지에 음각을 형성시킴으로써 얻을 수 있는 가장 큰 장점 중의 하나는 상대전극 층에서 FTO와 같은 투명도전성 박막을 완전히 제거한 상태로 상대전극을 제조할 수 있다는 것이다. 이러한 투명도전성 박막이 없는 기판의 제조는 고 전도성의 상대전극이 있어야 하고, 본 발명에서와 같이 음각을 사용함으로써, 음각 내에서 전극의 전기전도성을 크게 높이는 것이 가능하므로, 투 명도전성 박막이 필요없이 상대전극 또는 작업전극 자체가 투명도전성 전극의 역학을 감당할 수 있다.이에 따라 고온에서 제작되는 투명도전성 박막의 한계 때문에 기판으로 사용할 수 없는 플라스틱과 같은 다양한 기판을 이용하여서도 염료감응형 태양전지를 사용할 수 있게 된다.
일곱째, 본 발명의 음각을 이용한 전극 기판은 상대전극뿐만 아니라 나노 다공질 막을 지닌 작업전극에 적용하는 것도 가능하다. 이 경우 음각의 홈 속에 전극을 어떻게 구성하여야 효과적인 작업전극의 역할이 이루어질 것인가에 대한 방법이 제시되어야 한다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2에는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 음각기판을 이용한 염료감응형 태양전지가 제공되는바, 이는 상부 기판(101)과, 상부 기판(101)의 내측 표면에 형성된 도전성 전극(102)과, 도전성 전극(102) 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극(103)과, 하부 기판(107)의 내측 표면에 형성되어 있으며, 음극전극(103)에 대응하는 양극부로서의 상대전극(201)과, 상기 음극전극(103)과 상대전극(201) 사이에 충전된 전해질(105)을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상대전극(201) 측의 하부 기판(107)은, 도 2에서와 같이 하부 기판(107)에 음각으로 홈을 내고 그 홈 내에 상대전극(201)을 형성하였다.
도 1과 같은 종래의 염료감응형 태양전지의 구조와 비교하면, 본 발명은 도 2에서 상대전극(201)이 하부기판(107)의 음각 속에 몰입되어 있다.
또한, 하부기판(107)의 음각 홈에 들어간 상대전극에 있어서, 상대전극 물질의 종류는, 도 1에의 경우 백금 전극과 같이 비교적 높이가 균일한 종류만 사용할 수 있음에 반하여, 도 2와 같은 본 발명의 경우에는 상대전극(201)이 음각 속에 몰입되어 있으므로, 표면의 균일성이 확보되지 않는 나노 카본이나 카본블랙, 탄소나노튜브와 같은 물질을 포함한 다양한 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 상대전극(201)은 탄소나노튜브, 나노 카본블랙, 그래파이트 분말, 전도성 고분자, 및 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나에 의해 제조되는 것이 바람직하다.
여기서 탄소나노튜브와 같이 섬유 상의 전극 물질 일부가 표면 밖으로 삐죽이 나와서 태양전지의 단락을 일으킬 가능성이 있는 물질도 상대전극으로 사용할 수 있고, 제조 과정상 평탄하게 제작할 수 없는 물질도 상대전극으로 사용하는 것이 가능하다.
또한 상기의 하부기판의 음각 홈에 들어간 상대전극에 있어서, 도 3의 하부기판(107)에서 보는 바와 같이, 본 발명은 상대전극(301)으로 탄소나노튜브를 적용하여, 탄소나노튜브의 뛰어난 상대전극 특성을 활용함과 동시에 단락도 방지하고, 탄소나노튜브의 높은 전기전도도 때문에 상부기판(101)에 있는 투명도전성 박막(102)이 필요없는 태양전지를 제조하는 것이 가능하다.
또한, 상기의 상대전극(104) 측에 투명전극이 필요없는 기판의 사용에 있어서, 상기 상대전극 기판으로써, 본 발명의 음각기판 기술을 사용하므로, 고가의 투명전극 기판 대신, 저가의 유리기판이나 플라스틱 기판을 태양전지에 사용할 수도 있는 장점이 있다.
그리고, 상기의 하부 기판(107)의 음각 홈에 들어있는 상대전극에 있어서, 상대전극의 구조는, 도 4에서와 같이 하부의 상대전극 기판(104)의 음각 내에 다양 한 전극 물질을 음각 속에 몰입된 상태로 순차적으로 전극을 채워넣는 방법으로 다층의 상대전극(401)을 제조할 수 있다. 이와 같이 다양한 전극을 다층으로 배열함에 따라, 상대전극(104)이 전기전도도와 촉매특성과 같이 서로 다른 다양한 특성을 지니도록 하는 것이 가능하다.
또한, 상기의 하부 기판의 음각 홈에 들어있는 상대전극(104)에 있어서, 음각 홈 및 상대전극의 형상은, 단면 형상에 있어서 음각의 깊이 및 형상을 조절하고, 위에서 보아서 전극 패턴을 조절함으로써, 전기전도도를 10-3 ~ 103Ω-1·cm-1의 범위에서 다양하게 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기의 음극기판과 양극기판으로 구성되고, 양극의 상대전극 기판에 음각을 지닌 태양전지에 있어서, 음극기판과 양극기판의 간격은 종래의 태양전지에 비해 크게 감소시켜, 30μm 이하의 간격을 가지는 것이 가능한 것을 특징으로 한다.
일반적으로 염료감응형 태양전지에서 양극과 음극 사이의 간격은 작을수록 전해질 속의 이온의 이동거리가 작아지므로 효율향상에 유리한데, 실질적으로 제조 과정에서 음극과 양극의 단락될 우려가 크므로, 적당한 간격을 유지하도록 제조한다. 통상적인 음극과 양극 기판의 간격은 30μm 정도이고, 이보다 더 작은 간격을 유지시키는 것은 양극과 음극의 단락을 초래하기 쉬우므로, 제작상 어려운 것으로 판단된다.
특히 종래의 음각이 없는 방식으로 평면 기판 위에 상대전극 막을 형성시킬 때, 만약 상대전극 물질이 탄소나노튜브 또는 탄소 섬유와 같은 탄소계 물질일 경우, 이들 전극의 재료 특성상 나타나는 표면높이의 불균일성과 전극 밖으로 길게 뻗쳐나온 섬유 가닥 때문에, 작은 갭에서는 쉽게 단락을 형성하여 태양전지를 작동불능으로 만든다. 그러나 음각 속에 상대전극을 삽입할 경우, 상대 전극막의 전체 또는 거의 대부분을 음각 속에 완전히 집어넣을 수 있고, 이에 따라 두 기판 사이의 간격을 크게 낮출 수 있으므로, 대면적의 모듈을 제조시 단락현상에 의한 태양전지의 불량을 제거할 수 있다.
도 5에는 본 발명의 제 2 실시예가 도시되어 있는바, 이는 음극기판과 양극기판으로 구성된 음각기판을 지닌 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 음각은 도 5와 같이 상대전극 양극기판 쪽뿐 아니라 나노 다공질 막을 지닌 음극전극(103) 기판에도 적용하는 것을 특징으로 한다. 이 경우 음각의 홈 속에 투명한 도전성 막을 미리 생성시킨 후 그 위에 반도체 나노 다공질 전극을 형성시켜 작업전극을 제작하게 된다. 여기서 투명 도전성 전극(501)은 전도성 산화물, 전도성 폴리머, 전도성 투명 세라믹 및 그 복합체로 구성되며, 나노 다공질 전극으로는 TiO2, ZnO, SnO2를 포함하는 반도체 물질로 구성된다.
그리고, 상기 음극기판과 양극기판 모두가 음각을 지니도록 구성된 염료감응형 태양전지에 있어서, 기판의 접합은 양극과 음극 두 기판 사이의 간격을 거의 없이 할 정도로 얇은 접착제(503)를 이용하여 이루어지거나, 유기 접착제뿐만 아니라 무기 접착제와 같은 다양한 접착제(503)를 사용하여 높은 압력으로 접합하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 함으로써, 단순한 유기접착제만으로 접합 및 실링을 행하는 종래의 태양전지에 비해 높은 장수명 안정성을 지니게 된다.
또한, 상기 음각기판을 지닌 염료감응형 태양전지에 있어서, 음각의 제작방법은 제 2 실시예와 같이, 유리기판의 경우 유리 부식용액과 유리 부식 용액에 용해되지 않는 코팅제를 이용하여, 코팅제가 없는 부분을 선택적으로 식각하는 방법으로 원하는 패턴의 음각을 얻는 방법과 샌드블라스터와 트레팔지를 이용하여 선택적으로 기계적인 마모에 의해 음각을 만드는 것을 특징으로 한다.
그리고, 음각 기판을 이용한 염료감응형 태양전지에 있어서, 음각 내부에 전극 물질을 채워넣는 방법은 제3실시예와 같이, 닥터블레이드법, 스크린 프린팅법, 스프레이법, 열증착법, 스퍼터링법을 포함한 다양한 방법을 사용하는 것을 특징으로 한다.
실시예
이하, 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 제 1 실시예는 도 2와 도 3에서와 같이, 상부 투명기판(101)과, 상부 기판의 내측 표면에 형성된 도전성 투명전극(102)과, 도전성 투명전극(102) 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극(103)과, 하부 투명기판(107) 위에 후막 또는 박막형태로 형성된 것으로 상기 음극전극(103)에 대응하는 양극부로서의 상대전극(201)(도 2 참조),(301)(도 3 참조)과, 상기 음극전극(103)과 상대전극(201 또는 301) 사이에 충전된 전해질(105)을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상대전극(201 또는 301) 양극 기판 측에 10nm ~ 1,000μm의 음각을 만들고, 그 내부에 나노 카본 블랙 페이스트(도 2) 또는 카본나노튜브 페이스트(도 3)를 충진하여 상대전극을 구성한다. 이때 카본 블랙 페이스트와 카본나노튜브페이스트는 카복실메틸셀룰로오즈를 결합제로 하고, 물을 용매로하여 제작된다. 전해질(105)로는 아세토니트릴을 용매로 하는 요오드 전해질이 사용된다.
제 2 실시예는 음각기판을 제조하기 위해서는 기판에 음각 홈을 내는 기술에 관한 것이다. 유리기판의 경우 불산 또는 유리의 식각을 가능하게 하는 부식 용액과 파라핀을 이용하여 간단하게 기판에 음각을 만들 수 있다. 즉 유리기판에 홈을 만들 자리를 제외한 다른 모든 표면을 파라핀으로 덮은 후 부식 용액 속에 넣으면 파라핀이 덮여있지 않은 곳만 식각이 되어 홈이 만들어진다. 이때 홈이 만들어지는 속도와 홈의 깊이는 불산의 농도와 침지 시간에 따라 달라진다. 이 후 파라핀이 입혀진 식각면을 가진 유리기판을 에테르나 벤젠과 같은 파라핀 용해 용매 속에 넣어 파라핀을 녹여내면 음각홈의 제작이 완료된다. 여기서 부식용액과 파라핀의 조합은 유리를 부식시키는 용액 및 이 용액에 견디면서 부식 후 제거가 가능한 코팅물의 다양한 조합으로 대체할 수 있다. 음각의 제작은 플라스틱 기판의 경우라면 기판의 성형 시 손쉽게 음각을 지닌 기판을 제조하는 것이 가능하다. 즉 플라스틱 기판을 제조 시 열적 또는 기계적 또는 화학적 방법에 의해 제조 과정에서 음각 홈이 있는 기판을 간단하게 제조할 수 있다.
화학적 방법을 사용하지 않고 음각 홈을 제작하는 또 다른 방법은 샌드블라스터를 이용한 기계적인 기판 식각 기술이 있다. 샌드블라스터는 압축공기를 이용 하여 알루미나와 SiC를 포함하는 경질의 미세한 입자들을 불어내어 식각하고자 하는 재료의 표면에 강하게 부딪치게 하여 재료를 깍아 내는 장치이다. 이러한 샌드블라스터를 이용하여 음각 홈을 제작하는 방법은 다음과 같다.
먼저 음각하고자 하는 패턴을 흑색으로 레이져 프린터에 투명 또는 반투명의 플라스틱 필름 또는 종이 또는 트레이싱 지에 인쇄한다. 인쇄된 레이져 용지는 자외선 경화성 트레팔지에 부착하여, 자외선으로 감광시킨다. 감광된 트레팔지에서 인쇄 용지를 떼어내고, 현상액에서 현상하여 식각할 패턴을 화학적으로 처리한다. 처리된 트레팔지를 식각하고자 하는 기판에 부착한다. 기판에 샌드블라스터를 이용하여 연마입자들을 분사시킨다. 적절한 깊이의 음각을 얻은 후, 분사를 중지하고, 트레팔지를 떼어낸다. 이러한 방법으로 손쉽게 복잡한 형상의 음각을 제조하는 것이 가능하다. 여기서 필요에 따라 중간 과정을 일부 생략하는 것도 가능하고, 수지는 트레팔지 외에 동일한 광화학적 효과를 가져 오는 다른 수지도 가능하며, 단순히 위치 제어가 가능한 샌드블라스트를 이용하여 수지 없이 직접 음각을 제작하는 것도 가능하다.
제 3 실시예는 음각 홈 속에 전극을 채워넣은 방법에 관한 것이다. 전극 제작방법은 닥터 블레이드법, 스크린 프린팅법, 스프레이법, 열증착법, 스퍼터링법 등 다양한 방법을 사용할 수 있다. 다만 홈 속에 여러 종류의 다른 물질을 다층으로 채워 넣을 때는 열증착법이나 스퍼티링법과 같이 물리적인 방법을 사용할 때는 차례대로 원하는 두께만큼 증착을 하면 되므로, 문제가 없으나, 닥터 블레이드법, 스크린프린팅법, 스프레이법 등을 사용할 경우에는 음각의 하부에 먼저 코팅되는 물질은 페이스트 또는 슬러리 상태로 제조하여야 한다. 예를 들면 탄소나노튜브의 경우 탄소나노튜브를 카복실메틸셀룰로오즈를 결합제로 하여 물속에 함께 넣어 볼밀이나 그라인더에서 넣어 함께 섞음으로 탄소나노튜브 전극 페이스를 제조할 수 있다.
이렇게 제조된 페이스트 또는 슬러리의 제조 후 이들 원료를 음각 홈 속에 밀어 넣은 후, 건조함으로써 전극을 제조한다. 이때 용액의 농도와 건조 시간, 건조온도는 전극에 균열이 발생하지 않도록 잘 조절하여야 한다. 전극 물질을 다층으로 제작할 경우에는, 건조 시 자연적으로 두께가 감소하므로, 위층에 올라갈 물질이 채워질 잔여 공간이 형성할 수 있도록 음각 속으로의 각 전극 페이스트의 투입량을 잘 조절해 주어야 한다.
제 4 실시예는 원하는 특성을 얻기 위해 음각의 구조 및 형상에 관한 것이다. 음각에 형성된 전극의 전기전도도의 조절은 음각의 넓이, 깊이 및 모양을 변화시킴으로 가능하다. 이는 전기전도도는 전극의 단면적이 클수록 증가하기 때문에, 높은 전기전도도를 원할 경우 넓은 단면적을 지니도록 구조를 조절하고, 낮은 전기전도도를 원할 경우 단면적이 작은 구조를 만듦으로써, 전극의 전기적 특성을 조절할 수 있기 때문이다.
단면적이 넓을수록 전기전도도는 향상되므로, 높은 전기전도도를 얻기 위해서는 음각을 깊이 파거나 또는 넓이를 크게 함으로 가능하다. 이러한 것은 음각이 아닌 기존의 전극에서는 얻기 어려운 특성으로, 예를 들면 탄소나노튜브 전극의 경우 통상 100 마이크로 이상의 두께로 전극을 형성하기 어렵거나, 100㎛ 이상의 두 께일 경우 태양전지의 제작에 많은 문제점을 초래하므로, 충분한 전기전도도를 얻기 어렵다. 그러나 본 발명의 경우 1 nm 이상의 두께의 전극도 쉽게 만들 수 있으므로, 높은 전기전도도를 원할 경우 음각의 형상 조절만으로도 쉽게 목표를 달성할 수 있다. 이와 같이 10nm ~ 1,000μm 두께의 음각 속에 탄소나노튜브 전극을 채워넣음으로 10-3 ~ 103Ω-1cm-1의 전기전도도를 지닌 전극막을 지닌 음각기판을 제조할 수 있다.
제 5 실시에는 태양전지 모듈의 제조에 관한 것으로, 도 8에서와 같이 대면적 모듈을 제조 시, 양극 측에 음각 전극을 지니거나, 또는 음극, 양극 양 기판에 음각 전극을 지니게 함으로써, 도 7과 같은 종래의 태양전지 모듈에 비해 유효면적을 크게 높인 태양전지 모듈을 제조할 수 있다. 여기서 양극 기판 음각의 상대전극은 전기비저항이 30Ωcm 이하가 되도록 탄소나노튜브와 나노 카본블랙으로 구성된다. 또한 음각의 나노 다공질 반도체 전극의 내부에 30 Ω·cm 이하의 도전성 투명 전극을 지니도록 구성된다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 음각기판을 이용한 염료감응형 태양전지에 있어서, 양극 기판 단독 또는 음극기판과 양극기판 양 기판에 모두 음각을 만들고 이 음각 속에 전극을 집어넣음으로, 다음과 같은 효과를 지닌다.
첫째, 종래의 태양전지가 투명 전도성 막을 지닌 유리 또는 플라스틱 기판 위에 전극이 만들어져 있으므로, 음극기판과 양극기판의 두 기판의 간격 조절이 잘 못되면 쉽게 양극과 음극이 접촉하여 전기적 단락을 일으킴에 따라 태양전지의 작동오류를 일으키는 것에 반해, 본 발명의 음각기판 태양전지는 전극이 음각 내에 위치함으로 인하여 두 기판 사이의 간격이 좁아져도, 단락을 일으키지 않는 효과를 지닌다.
둘째, 전극이 음각 내에 위치하여, 음각 홈의 깊이 및 형상을 조절함에 따라, 기판 면 이상으로 전극 재료가 돌출하는 것을 방지할 수 있으므로, 두께나 표면상태가 균일하지 않거나, 탄소나노튜브와 같이 섬유 상의 물질 등 다양한 물질을 전극물질로 사용할 수 있는 효과를 지닌다.
셋째, 전극이 음각 내에 위치함으로 인하여, 기판에 가해지는 다양한 변형 상태에서도 전기적 단락이 이루어지지 않도록 제작이 가능하므로, 기판의 종류로 유리기판 뿐 아니라 플라스틱 기판과 같은 기판에 적용 시 우수한 특성을 내는 효과를 지닌다.
넷째, 염료감응형 태양전지의 상대전극으로 탄소나노튜브를 적용할 경우, 종래의 음각홈이 없는 기판에 적용할 경우, 탄소나노튜브의 전극 막이 30 μm 이하로 제조가 어렵고, 표면이 매우 불규칙하며, 섬유 가닥이 과도하게 표면 밖으로 뻗어나오는 문제 때문에 태양전지의 조립 및 간격조절이 매우 어려운 문제가 있는데, 음각 홈에 탄소나노튜브 전극을 넣음으로 이러한 제조상의 문제점을 해결할 수 있고, 또한 탄소나노튜브의 우수한 촉매특성과 충분히 높은 전기전도도를 지니고 있기 때문에, FTO와 같은 투명 상대전극이 없이 상대전극만으로 태양전지를 제조할 수 있는 효과를 지닌다.
다섯째, 종래의 음각 홈이 없는 태양전지에서는 상대전극이 투명전극 없이는 자체적으로 충분한 전자전달을 할 수 있는 전극으로 활용될 수 없는 것에 반해, 기판에 음각을 만들고 여기에 상대전극을 채운 기판은, 음각의 깊이 및 형상을 조절하여 투명 전도성 막 없이도 기판의 투명전도성 막의 전기 전도성 기능을 충분히 담당할 만큼 높은 전기전도도를 지니게 할 수 있는 효과가 있다.
여섯째, 종래의 음각 홈이 없는 태양전지에서 필요에 따라 상대전극이나 작업전극을 다층 막으로 제조 시, 기판 표면으로부터 제 2, 제 3의 막을 형성 시, 미리 형성되어 있는 막이 영향을 받아 원하는 다층막을 만들지 못하거나, 충분한 다층막 효과를 얻기에 힘든 반면, 음각 홈 속에 전극 막을 채움으로 손쉽게 다양한 다층 막을 제조할 수 있게 하는 효과가 있다.
일곱째, 음각 속에 전극을 집어넣음으로써, 태양전지의 상부기판과 하부기판의 간격이 거의 없는 상태로도 제조 가능하거나, 간격을 종래의 태양전지에 비해 크게 낮출 수 있으므로, 실링 시 압력을 가하거나, 유기 접착제뿐만 아니라 무기 접착제 등의 다양한 접착제의 사용을 가능하게 하는 효과가 있다.
Claims (25)
- 상부 기판과, 상부 기판의 내측 표면에 형성된 도전성 전극과, 도전성 전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부 기판의 내측 표면에 형성된 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과, 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서:상대전극 측의 하부 기판은, 하부 기판에 음각으로 홈을 내고 그 홈 내에 상대전극을 형성하고, 상기 음각은 10nm ~ 1,000μm의 깊이와, 0.2 ~300mm의 길이 및 넓이를 지닌 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 상대전극은,탄소나노튜브, 나노 카본블랙, 그래파이트 분말, 전도성 고분자, 및 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 제3항에 있어서, 상기 음각 홈 속에 들어가는 상대전극 물질은,섬유 상의 물질임을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 제1항, 제3, 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상대전극물질은 상기 음각 홈에 집어넣음으로, 10-3 ~ 103Ωcm의 전기 비저항을 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 음각 홈을 지닌 기판에서, 상기 기판 재료는 유리기판, 금속기판 또는 플라스틱 기판으로 구성된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 제1항에 있어서, 상부기판과 하부기판의 간격은 0 ~ 30μm 범위로 형성하되, 상기 음각 홈으로 인해 전기적 단락이 일어나지 않음을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 제1항에 있어서, 상기 음각 홈에 상대전극은,상대전극 물질 중 서로 다른 특성을 지닌 두 종류의 전극을 다층으로 채움으로, 높은 전기전도도와 우수한 촉매특성과 같이 서로 다른 특성을 지닌 두 물질이 2층 이상의 복층으로 구성됨을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 제5항에 있어서, 음각 속에 복층으로 상대전극을 제조 시, 하부 층의 물질이 고 전도성의 폴리머, 구리, 알루미늄 또는 니켈을 넣어 상대전극의 전기전도성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지구조.
- 제1항 또는 제7항에 있어서, 상부기판과 하부기판을 접착시키기 위한 접착제는 고분자 유기접착제 또는 무기접착제임을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지구 조.
- 상부 기판과, 상부 기판의 내측 표면에 형성된 도전성 전극과, 도전성 전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부 기판의 내측 표면에 형성된 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과, 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지를 제조함에 있어서:상대전극 측의 하부 기판에 음각으로 홈을 형성하는 단계; 및상기 홈 내에 상기 상대전극을 형성하는 단계를 포함하고,상기 음각은, 기판이 유리인 경우 유리기판 부식용액과 부식에 견디는 코팅막을 이용하여 선택적 부식을 행하여 형성된 음각패턴을 갖는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 제11항에 있어서, 상기 음각은,소정의 음각패턴을 투명 용지에 흑색으로 인쇄하고;상기 인쇄된 용지를 트레팔지에 부착하여 감광하며;상기 감광된 수지를 현상하고;상기 현상된 수지를 유리기판에 부착시킨 후 샌드블라스터를 이용하여 알루미나를 포함하는 연마입자를 분사함으로써, 원하는 패턴을 지닌 음각을 형성함을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 음각 홈 속에 상대전극을 제작하는 방법은,닥터 블레이드법, 스크린 프린팅법, 스프레이법, 열증착법 또는 스퍼터링법 중 어느 하나의 방법임을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
- 제11항에 있어서, 상기 음각 홈에 상대전극을 채우는 방법에 있어서,상대전극 물질 중 서로 다른 특성을 지닌 두 종류의 전극을 다층으로 채움으로, 높은 전기전도도와 우수한 촉매특성과 같이 서로 다른 특성을 지닌 두 물질이 2층 이상의 복층으로 형성됨을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
- 제11항 또는 제15항에 있어서, 음각 속에 복층으로 상대전극을 제조 시, 하부 층의 물질이 고 전도성 폴리머, 구리, 알루미늄 또는 니켈을 넣어 상대전극의 전기전도성을 향상시키는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
- 상부 기판과, 상부 기판의 내측 표면에 형성된 도전성 투명전극과, 도전성 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부 기판의 내측 표면에 형성된 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서 의 상대전극과, 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서:하부 기판에 음각 홈을 형성하고;상기 음각 홈 속에 전기전도성이 높은 백금, 탄소나노튜브 전극, 나노 카본블랙 또는 그래파이트 전극을 채워넣음으로, 하부기판의 도전성 전극이 필요없는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 상부 기판과, 상부 기판의 내측 표면에 형성된 도전성 투명전극과, 도전성 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부 기판의 내측 표면에 형성된 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서의 상대전극과, 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서:상기 상대전극의 표면에는 탄소나노튜브 및 백금 중의 하나가 있어서 상기 전해질과 접촉하게 하고;상기 상대전극의 하부에는 고도전성의 폴리머, 나노 카본블랙, 그래파이트 또는 금속 물질이 놓이는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조방법.
- 상부 기판과, 상부 기판의 내측 표면에 형성된 도전성 투명전극과, 도전성 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 산화물반도체 다공질 음극전극과, 하부 기판의 내측 표면에 형성된 상기 음극전극에 대응하는 양극부로서 의 상대전극과, 상기 음극전극과 상대전극 사이에 충전된 전해질을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서:상부기판과 하부기판 모두 음각을 형성하고;상기 상부 음극기판의 음각 홈 속에는 나노 다공질 반도체 전극을 채우며;상기 하부 양극기판의 음각 홈 속에는 상대전극을 형성시킨 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 제19항에 있어서, 상기 나노 다공질 반도체 전극은 TiO2, ZnO 또는 SnO2와 같은 나노 크기의 산화물 반도체이거나, 염료의 흡착이 가능한 무기 산화물인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 제19항에 있어서, 상부기판과 하부기판 모두 음각을 지닌 염료감응형 태양전지의 면적이 0.5 ~ 10,000cm2의 범위인 태양전지 모듈을 구비한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 구조.
- 음각 홈에 상대전극 또는 음극전극을 제조한 기판을 구성원으로 지닌 염료감응형 태양전지에서:0.5 ~ 10,000cm2 면적의 모듈을 제조 시, 음각에 전극을 형성시켜 높은 전기전도도를 갖도록 하고, 그리드 전극이 필요없이 유효면적을 증가시킨 모듈을 구비 한 것을 특징으로 하는 음각기판 염료감응형 태양전지 구조.
- 제22항에 있어서, 상기 모듈은,작업전극의 형상이 띠로 구성되고, 전체 면적에 걸쳐서 이 띠들이 복수계가 나열된 형상으로 제조된 것을 특징으로 하는 음각기판 염료감응형 태양전지 구조.
- 제22항 또는 제23항에 있어서, 상기 모듈은,복수계 나열된 작업전극의 띠들이 모두 도전성 전극을 통하여 연결되거나, 도전성전극 위에 얇은 선상으로 투명전극을 제거하여 띠들이 상호 절연되게 제조된 것을 특징으로 하는 음각기판 염료감응형 태양전지 구조.
- 상부 또는 하부의 기판이 도전성 전극이 없는 유리기판 또는 플라스틱 기판으로 제조되어, 모듈의 전극 띠들이 자동적으로 절연되고, 상하의 전극은 외부 또는 연결 전극에 의해 연결됨을 특징으로 하는 모노리틱 염료감응형 태양전지의 구조.
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