KR100911939B1 - 스크린인쇄 기법을 이용한 염료감응형 태양전지 전극 접합 방법 및 염료감응형 태양전지 - Google Patents
스크린인쇄 기법을 이용한 염료감응형 태양전지 전극 접합 방법 및 염료감응형 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명에서는 염료감응형 태양전지의 (+) 및 (-) 전극의 양 전극을 접합하기 위하여, 스크린인쇄 기법을 적용하여 접합층을 인쇄하여 양 전극을 접합할 수 있는 기술을 제공한다. 특히, 본 발명의 스크린인쇄 기법은 종래의 EVA 시트를 사용한 접합방법에 비하여 공정이 단순하고, 다양한 접합층을 스크린인쇄를 통하여 다층화함으로써 내구성과 내식성을 동시에 갖도록 할 수 있다.
실리콘계 잉크, 우레탄계 잉크, 스크린인쇄, 염료감응, 태양전지, 전극, 접합, 스텐실
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지의 (-) 전극인 제1전극과 (+) 전극인 제2전극의 접합 방법 및 상기 접합 방법을 적용하여 제조된 염료감응형 태양전지에 관한 기술이다.
태양전지는 내부의 반도체가 빛을 흡수하여 전자와 정공이 발생되는 광기전 효과를 이용하여 전류를 흐르게 하는 전지를 말한다. 태양전지의 반도체로는 실리콘이나 갈륨 아세나이드(GaAs)와 같은 무기물을 p-n 접합하여 다이오드 형태로 한 반도체가 주로 사용되었다. 상기의 무기물 반도체는 에너지변환 효율이 높은 반면 제조 비용이 높아 태양 전지분야에서 그 활용 실적이 충분하지 못하였다. 상기와 같은 무기물 반도체의 문제점을 극복하기 위하여 상기 무기물 반도체를 유기염료로 대체하는 기술이 제안되었다. 통상적으로, 염료는 주로 가시광선대역의 빛을 잘 흡수함으로써 색을 갖는 것인데, 이를 이용한 태양전지는 상기 유기 염료가 빛을 흡 수할 때, 전자와 정공으로 분리 된 후 다시 결합하는 소위 리독스(redox) 반응을 통하여 전류를 생성시키는 것이다. 이러한 유형의 태양전지를 염료감응형 태양전지(Dye-sensitized solar cell)라 칭한다. 본 발명은 이러한 염료감응형 태양전지에 관한 기술로서, 이하에서는 태양전지 중 염료감응형 태양전지에 한정하여 설명하기로 한다.
도 1과 같이 통상적인 염료감응형 태양전지는 유리기판(1) 위에 ITO(indium-doped tin oxide, 2)가 도포된 (-)전극의 제1전극(a)과, 유리기판(1) 위에 ITO(2)가 코팅되고, 다시 백금(3)이 코팅되어 이루어진 (+)전극의 제2전극(b)을 갖고, 양 전극은 접착층으로서 주로 EVA(Ethyl Vinyl Acetate) 시트(10')로 이루어진 접착층을 갖고, 제1전극, 제2전극 및 접착층으로 이루어진 내부 공간에는 나노 입자 금속산화물로서 주로 TiO2(5)로 이루어진 박막에 염료가 흡착되어 있으며, 유기용매를 사용한 산화/환원 전해질(4)로 충진되어 있다.
삭제
이하 본 발명의 목적은 이러한 구조의 염료감응형 태양전지에서 제1전극 및 제2전극의 접합 방법에 대한 신규한 방법을 제시하는 것으로서, 염료가 흡착된 나노입자 금속산화물(5)과 전해질(4)의 종류 및 형상에 한정되지 않는 발명이므로, 이하 본 발명의 설명에서는 나노 크기 입자 산화물 반도체 물질(예를 들어, 염료가 흡착된 TiO2 박막) 및 전해질에 대한 설명은 가능한 생략하기로 한다.
도 2a 내지 도 2e는 종래의 전극 접합 방법으로서, EVA(Ethyl Vinyl Acetate) 시트를 절단하여 사각형 중공형태의 접합층을 자른 후, 이를 제1전극에 접합한 후, 다시 제2전극을 접합하는 전극 접합 방법을 설명하는 도면이다. 염료 감응형 태양전지의 제조에 있어 양 전극, 즉 제1전극(a)과 제2전극(b)의 접합을 하여 전극의 (-)전극(a)과 (+)전극(b)을 형성한다. 이를 위하여 두 전극의 접착력과 가공성이 우수하여야 하는데, 이를 해결하기 위하여 종래에는 접착 시트(=필름) 형태, 예를 들어 EVA(Ethyl Vinyl Acetate) 시트를 이용하여 왔다. EVA 시트는 전지가 20~30년의 수명을 유지하면서 경제성을 확보하기 위해 필수적인 소재로 태양전지의 파손을 방지하는 완충재인 동시에 양 전지를 접합하는 역할을 하는 것으로 지금까지 주로 사용되어 왔다.
도 2a와 같은 태양전지의 양극의 접합을 위하여 EVA 물질로 구성된 시트를 도 2b 및 도 2c와 같이 정교하게 절단 가공하여 사각형 테두리를 갖으면서, 가운데 부분이 비어있는 사각형 도넛형태의 접합층(10')을 만든다. 제1전극(a)의 가장자리(도 2d) 부분의 원하는 위치에 정밀하게 상기 접합층(10')을 맞춘 후, 상기 접합층(10')을 갖는 제1전극을 180°회전시켜 제2전극의 원하는 위치에 일치시킨 후, 약 130℃ 정도의 고온에서 약 15분 동안 열을 가하여 EVA 시트가 열에 의하여 융착하여 양 전극을 접합하게 된다(도 2e). 이러한 종래의 공정은 시트의 절단 공정이 복잡하고, 절단된 접착 시트를 정교하게 유리면에 맞추어 붙이는 공정이 매 우 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 에폭시 타입이나 UV경화 타입의 접착재를 사용할 수 있다고 알려져 있으나, 에폭시 타입을 사용하는 경우 그의 경화 반응 속도가 느리고 유리면과의 접착력이 현저히 떨어지며, UV 경화 타입을 사용할 경우 경화 속도는 현저하게 빠르나 내구성이 매우 나쁜 단점이 있다.
본 발명의 목적은 염료감응형 태양전지의 전극 형성을 위한 (+)전극 및 (-)전극의 양 전극을 서로 접합하는 신규한 방법을 제공하는 데 있다.
특히, 본 발명의 목적은 종래의 EVA 시트를 오려 붙이는 시트 접착 방식의 공정상의 어려움을 극복할 수 있도록, 인쇄방식을 적용하여 용이하게 염료감응형 태양전지의 양 전극을 용이하게 접합할 수 있는 신규한 전극 접합 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여,
염료감응형 태양전지의 음극인 제1전극과 양극인 제2전극을 접합하는 방법에 있어서, 제1전극 또는 제2전극 위에 접착재를 포함하는 잉크를 스크린인쇄 기법을 통하여 인쇄하여 사각형 테두리를 갖는 중공형 접합층을 인쇄하는 단계(I); 및 상기 제1전극과 제2전극을 상기 접합층을 사이에 두고 서로 맞댄 후 가열하여 접합시키는 단계(II)를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 전극 접합 방법을 제공한다.
또한, 상기 접착재를 포함하는 잉크가 실리콘계 잉크인 것이 바람직하다.
또한, 상기 접착재를 포함하는 잉크가 우레탄계 잉크인 것이 바람직하다.
또한, 상기 접합층을 인쇄하는 단계(I)에서, 서로 다른 접착재를 포함한 잉 크를 사용한 스크린인쇄를 통하여, 다수의 사각형 테두리를 갖는 중공형 접합층을 인쇄하되 사각형 테두리의 크기를 달리하여, 작은 크기의 사각형 테두리를 갖는 접합층이 큰 크기의 사각형 테두리를 갖는 접합층의 내부 중공에 들어가도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다수의 중공협 접합층에서 전해액과 접하는 내측으로는 실리콘계 잉크로 인쇄된 접합층을 갖고, 외측으로는 우레탄계 잉크로 인쇄된 접합층을 갖는 것이 특히 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기의 방법으로 제작된, 음극으로 사용되는 전도성 제1전극과, 양극으로 사용되는 전도성 제2전극과, 염료분자가 흡착된 TiO2박막층과, 전해질액과, 상기 제1전극과 제2전극을 서로 맞대어 붙이기 위한 접합층으로 이루어진 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 접합층으로서 전해질과 접하는 내측으로는 실리콘계 접합층을 갖고, 외측으로는 우레탄계 접합층을 갖는 이중층 접합층을 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 제공한다.
종래 EVA 시트를 사용한 전극 접합 공정에 비하여, 본 발명과 같이 스크린인쇄 기법을 이용하여 염료감응형 태양전지의 제1전극과 제2전극을 접합하는 경우, 인쇄 공정의 특성상 공정이 매우 간소하고 제조비용이 저렴하다. 또한 내식성이 우수한 실리콘계 접합층과, 내구성이 우수한 우레탄계 접합층을 갖는 이중층으로 접 합층을 인쇄하는 경우 내식성과 내구성을 동시에 확보할 수 있다.
본 발명은 염료감응 태양전지에 있어서 개선된 공정으로 양 전극을 접합하는 방법 및 그 방법에 의하여 제조된 염료감응형 태양전지에 관한 기술이다.
이하 본 발명에서 제1전극은 (-)전극을 의미하며, 제2전극은 (+)전극을 의미한다. 또한, 이하 실시예에서는 제1전극에 스크린인쇄를 하는 실시예를 보였으나, 같은 방법으로 제2전극에 스크린인쇄를 통하여 접합층을 제조할 수도 있다.
도 3은 스크린인쇄에 사용되는 스텐실(stenciling, 20)을 통하여 제1전극(a) 위에 접합층(10)을 스크린인쇄하는 과정을 설명하는 도면으로서, 지우개형상을 닮은 스퀴지를 이용하여 스텐실(20)의 오프닝(21)을 통하여 접착재를 포함하는 잉크(=조성물, 스크린인쇄의 특성상 "잉크"라 칭함)를 밀어내 접합층(10)을 인쇄한다. 따라서, 접합층(10)의 형상은 스텐실의 오프닝(21)의 형상에 맞게 인쇄되며, 사각형 띠 형상의 오프닝(21)을 갖는 스텐실(20)을 통하여 스크린인쇄하는 경우 제1전극에는 사각형 띠 형상으로서 가운데 부분이 개방된 접합층(10)을 인쇄할 수 있다. 도 3은 본 발명의 방법을 설명하기 위하여 스크린인쇄를 위한 스텐실의 가장 기본적인 형태를 제시하였을 뿐이며, 실제적으로는 자동화기계를 통하여 스크린인쇄가 이루어 질 수 있다. 본 발명은 종래의 EVA 시트를 오려내어 접합층을 만드는 것과는 달리, 접합층을 스크린인쇄기법을 이용하여 인쇄하는 것을 가장 큰 특징으로 한다.
도 4a와 같이 한 종류의 접착제가 포함된 잉크를 스크린인쇄를 통하여, 제1전극 위에 하나의 사각형의 중공을 갖는 접합층(10)을 형성할 수 있으며, 크기가 다른 패턴을 갖는 스텐실을 이용하고, 서로 다른 종류의 접착제가 포함된 잉크를 사용하여 하나의 접합층(11)이 다른 하나의 접합층(12)의 내부 중공부에 접합되는 이중 구조를 갖는 접합층(10)을 구성할 수 있다. 도 4b는 이러한 이중 구조의 접합층(11, 12)을 도시한 것으로서, 스크린인쇄를 통하여 도 4b의 형태처럼 서로 다른 재질의 인쇄패턴이 접하도록 인쇄하는 것은 통상의 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
상기와 같이 스크린인쇄를 통하여 단일 접합층 또는 서로 접하는 이중 구조(또는 그 이상 다중 구조)의 접합층이 인쇄된 제1전극(a)을 180°회전하여 제2전극의 적절한 위치에 위치시키고, 가열을 하여 스크린인쇄 방법에 의하여 인쇄된 접합층이 용융 접합되도록 한다. 도 5는 상술한 스크린인쇄 기법을 이용하여 최종 제조된 본 발명의 염료감응형 태양전지의 사시도이다.
도 6은 이중 구조의 접합층을 갖는 경우의 염료감응형 태양전지의 단면도이다. 특히, 바람직하게는 내측의 접합층(11)은 실리콘계 접착재를 포함하는 잉크를 스크린인쇄하여 형성시키고, 외측의 접합층(12)는 우레탄계 접착재를 포함하는 잉크를 스크린인쇄하여 형성시키는 것이 바람직하다. 실리콘계 접착재는 전해질(4)에 대한 내식성이 강한 장점이 있고, 우레탄계 접착재는 양 전극을 견고히 접합시키고, 외력에 대한 내구성이 강하기 때문이다.
실시예
백금이 코팅된 제2전극(b)과 염료가 흡착된 TiO2 제1전극(a) 사이에 밀봉을 하기 위하여 사용하는 EVA 계통의 접착 필름 대신 미리 준비한 오프닝(21) 된 스크린 판(스텐실, 20)을 제작하여 우레탄 타입의 접착용 잉크를 인쇄하고, 1시간 정도의 자연 건조 상태를 거친 후, 우레탄 잉크의 오프닝(opening) 사이즈 보다 좀 적게 준비된 스텐실로 두 번째 인쇄인 실리콘 타입의 잉크를 그 내부에 인쇄를 한다실리콘을 주성분으로 한 실크스크린용 잉크를 인쇄함으로써 전극을 형성(a)하였다. . 그리고 전해질을 도포하고 제2전극을 접합 후 120℃에서 10분 동안 열을 가하여 완벽한 전지를 제조하였다.
비교예
전지의 양극의 접합을 위하여 EVA 물질로 구성된 시트를 도 2a 내지 도 2e와 같이 정교하게 절단 가공하여 사각형 테두리를 갖으면서, 가운데 부분이 뚤려있는 접합층(10')을 갖는 제1전극을 제조한 후, 상기 접합층(10')을 갖는 제1전극을 180 °회전시켜 제2전극의 원하는 위치에 일치시킨 후, 130℃에서 15분 동안 열을 가하여 EVA 시트가 열에 의하여 융착하여 양 전극을 접합하였으며, EVA 시트의 두께는 25㎛였다.
실험예 1 : 인장력 시험
실시예에서 제조한 외측에 우레탄 접착층과 내측에 실리콘 접착층을 갖는 염료감응형 태양전지와 비교예로서 종래의 EVA 시트를 사용한 염료감응형 태양전지의 인장력을 테스트하였다.
표 1 : 인장력 시험 결과
| 1회 실시 | 2회 실시 | |
| 비교예 | 34 kgf/cm2 | 35 kgf/cm2 |
| 실시예 | 50 kgf/cm2 | 50 kgf/cm2 |
상기 인장력 시험은 제1전극과 제2전극을 시험기에 고정하고, 시험편축의 양쪽 방항으로 끌어당기는 힘을 작용시켜 양 전극이 분리될 때를 측정한 비교 시험이었다.
상기 표 1의 결과와 같이, 비교예에서는 2회 실험 결과 평균 34.5 kgf/cm2의 인장력을 나타냈으나, 본 발명의 실시예에서는 50 kgf/cm2를 나타냈다. 본 발명의 방식은 기존 방식보다 많은 힘을 가하여야만 전극이 분리되며, 이는 본 발명의 방 법을 통하여 양 전극이 종래에 비하여 더욱 견고히 결합되어 있음을 알 수 있었다.
실험예 2 : 효율 측정 시험
태양에너지의 전기 변환효율을 측정하기 위한 실험을 실시하였다. 그 결과 하기의 표 2의 결과를 얻었다.
표 2 : 효율 측정 시험
| 비교예 | 실시예 | |
| 제조 후 바로 실시 | 5.2 % | 5.3 % |
| 7일 경과 | 5.2 % | 5.3 % |
| 14일 경과 | 5.1 % | 5.3 % |
| 21일 경과 | 5.1 % | 5.3 % |
| 28일 경과 | 5.0 % | 5.3 % |
| 35일 경과 | 4.9 % | 5.2 % |
| 42일 경과 | 4.8 % | 5.2 % |
| 49일 경과 | 4.6 % | 5.2 % |
| 56일 경과 | 4.5 % | 5.2 % |
상기 효율 측정 시험은 WEATHER METER에서 시험 후 일정 시간이 경과 한 후에 전지를 끄집어내어 효율 측정한 시험이었다. 즉 시간 경과에 따라 전지의 효율이 어떻게 변하는 지를 측정한 것이다. 비교예의 결과는 제조 후 바로 테스트할 경우에는 5.2%의 효율을 나타내고, 56일이 경과하면 4.5%의 효율로 급격히 효율이 떨어졌으나, 본 발명의 실시예에서는 제조 후 바로 실시할 경우에 5.3%의 효율을 나타내고, 56일 경과 후에도 5.2%의 효율로서 효율의 변동이 거의 없음을 알 수 있었다. 즉, 본 발명의 스크린인쇄 방식이 기존의 방식보다 효율 변화가 없고 일정함을 알 수 있었다.
도 1은 종래의 EVA 시트를 이용한 염료감응형 태양전지의 단면도이다.
도 2a 내지 도 2e는 종래의 EVA 시트를 이용한 염료감응형 태양전지의 전극 접합 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 스크린인쇄를 통한 접합층의 인쇄 과정을 설명하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제1실시예로서 접합층이 하나인 스크린인쇄 결과를 나타내는 개념도이며, 도 4b는 본 발명의 제2실시예로서 접합층이 내외측에 하나씩 두 층을 갖도록 스크린인쇄된 결과를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 의하여 제조된 염료감응형 태양전지의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 의하여 제조된 염료감응형 태양전지의 단면도이다.
Claims (6)
- 염료감응형 태양전지의 음극인 제1전극과 양극인 제2전극을 접합하는 방법에 있어서, 상기 제1전극 또는 제2전극 위에 우레탄계 접착재를 포함하는 잉크를 스크린인쇄 기법을 통하여 인쇄하여 사각형 테두리를 갖는 중공형 접합층을 인쇄하는 단계(I); 및 상기 제1전극과 제2전극을 상기 접합층을 사이에 두고 서로 맞댄 후 가열하여 접합시키는 단계(II)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크린인쇄 기법을 이용한 염료감응형 태양전지의 전극 접합 방법.
- 염료감응형 태양전지의 음극인 제1전극과 양극인 제2전극을 접합하는 방법에 있어서, 상기 제1전극 또는 제2전극 위에 접착재를 포함하는 잉크를 스크린인쇄 기법을 통하여 인쇄하여 사각형 테두리를 갖는 중공형 접합층을 인쇄하는 단계(I); 및 상기 제1전극과 제2전극을 상기 접합층을 사이에 두고 서로 맞댄 후 가열하여 접합시키는 단계(II)를 포함하며,상기 접합층을 인쇄하는 단계(I)에서, 서로 다른 접착재를 포함한 잉크를 사용한 스크린인쇄를 통하여, 사각형 테두리를 갖는 중공형 접합층을 다수 인쇄하되, 사각형 테두리의 크기를 각각 달리하여, 작은 크기의 사각형 테두리를 갖는 접합층이 큰 크기의 사각형 테두리의 내부에 삽입되어 다층 구조를 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 스크린인쇄 기법을 이용한 염료감응형 태양전지의 전극 접합 방법.
- 제 2 항에서, 상기 다수의 접합층이 이중층으로 되어 있으며, 전해액과 접하는 내측으로는 실리콘계 접착재를 포함하는 잉크로 인쇄된 접합층을 갖고, 외측으로는 우레탄계 접착재를 포함하는 잉크로 인쇄된 접합층을 갖는 것을 특징으로 하는 스크린인쇄 기법을 이용한 염료감응형 태양전지의 전극 접합 방법.
- 음극으로 사용되는 제1전극과, 양극으로 사용되는 제2전극과, 염료분자가 흡착된 TiO2박막층과, 전해질액과, 상기 제1전극과 제2전극을 서로 맞대어 붙이기 위한 접합층으로 이루어진 염료감응형 태양전지에 있어서, 전해질과 접하는 내측으로는 실리콘계 접합층, 외측으로는 우레탄계 접합층의 이중층 접합층을 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
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2009
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