KR100956366B1 - 광전기화학 장치 - Google Patents
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Abstract
두 개의 기판으로 구성되는 광전기화학 (PEC) 장치에 있어서,
- 적어도 하나의 기판은 투명하고, 투명 전자 도체(TEC)로 코팅되어 있으며;
- 색소 감작된 다공성 반도체를 포함하는 작용 전극은 한 기판상에 형성되고;
- 촉매층을 포함하는 상대 전극은 다른 기판상에 형성되며;
- 전해질은 상기 두 기판 사이에 위치하고;
- 금속 도체는 상기 장치로부터 및 내부의 전류를 전도시키기 위해 쓰이고;
- 광전기화학 장치로부터의 유용한 전력 출력을 가능하게 하기에 충분한 전기 전도성을 가지는 비금속의 보호층이 상기 장치의 전해질로부터 상기 금속 도체를 보호하기 위해 쓰이는 광전기화학 장치를 제공한다.
광전기화학장치, 투명전자도체(TEC), 작용 전극, 상대 전극
Description
본 발명은 광발전(photovoltaic, PV) 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세히는, 그러나 한정되지는 않고, 광전기화학 광전지 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
전자기 방사선 에너지를 전기 에너지로 전환하는데 이용가능한 여러가지 광발전 장치들이 존재한다. 이들은 전통적인 고체 소자(solid-state)의 장치(M. Green의 Third generation photovoltaics: concepts for high efficiency at low cost, The Electrochemical Society Proceedings, Vol. 2001-10, p. 3-18 참조) 및 더 최근에 개발된 광전기화학( photoelectrochemical, PEC) 장치를 포함한다.
관련된 유형의 PEC 전지의 예는 다음 미국특허에 개시되어 있다:
제4,927,721호, 광전기화학 전지; Michael Graetzel 및 Paul Liska, 1990.
제5,525,440호, 광전기화학 전지를 만드는 방법 및 이러한 방법으로 생산된 전지; Andreas Kay, Michael Graetzel 및 Brian O'Regan, 1996.
제6,297,900호, 전기광색성 스마트 윈도우(Electrophotochromic Smart Windows) 및 방법; G.E. Tulloch 및 I.L.Skryabin, 1997.
제6,555,741호, 멀티셀 축열식 광발전 광전기화학 장치(multi-cell regenerative photovoltaic photoelectrochemical devices)에서 상호연결을 수행하는 방법, J.A. Hopkins, G. Phani 및 I.L. Skryabin, 1999.
제6,652,904호, 단일 셀 및 멀티셀 축열식 광전기화학 장치를 생산하는 방법, J.A. Hopkins, D. Vittorio 및 G. Phani, 1999.
상기 특허에 개시된 종류와 같은 광전기화학 장치들은, 두 개의 넓은 면적 기판 사이의 적층 구조로 만들어질 수 있다. 한 전형적인 장치는 두 개의 유리 기판으로 구성되는데, 각각은 상기 기판의 내측 표면상의 전기전도성 코팅을 이용한다.
상기 제1 및 제2 기판 중 적어도 하나는 실질적으로 가시광선에 대해 투과성이고, 부착된 투명 전기전도성(transparent electrically conducting, TEC) 코팅도 그러하다. PEC 전지는, 전형적으로 하나의 전도성 코팅에 부착된 색소감작(dye-sensitised), 나노공성(nanoporous) 반도체 산화물 (예를 들어, 티타니아로 알려진 티타늄 디옥사이드) 층을 포함하는 작용 전극(working electrode) 및 전형적으로 다른 하나의 전도성 코팅에 부착된 산화환원 전기촉매층을 포함하는 상대 전극(counter electrode)을 포함한다. 산화환원 매개물질을 함유하는 전해질은 광양극(photoanode) 및 음극 사이에 위치하며, 상기 전해질은 주변으로부터 밀폐되어 있다.
많은 광전기화학 장치가 증가된 모듈의 크기에 의해 유리해질 수 있다. 그러나 TEC 코팅은, 보통 금속 산화물(들)을 포함하는데, 통상의 금속 도체에 비해 높은 저항을 가져서, 결과적으로 넓은 면적의 광전기화학 전지에서 높은 저항 손실을 일으키고, 그것이 상기 장치의, 특히 높은 조도 조건에서의 효율에 영향을 끼친다.
기판의 전기 저항은 금속판, 호일 또는 금속 메쉬(mesh)를 사용함으로써 감소할 수 있다. 통상적으로 사용되는 대부분의 금속들은 그러나, 광전기화학 전지의 전해질과 화학적으로 반응성이다. PEC 전지의 금속 성분의 부식은 오랜 기간 동안 PEC 장치의 성공적인 상업화에 대한 주된 제약으로 여겨졌다.
한 장치에서, 광전기화학 전지들은 단일 모듈 내에서 내부적으로 일련으로 연결된다. 금속 도체가 이러한 상호연결에 사용된다. 또한, 금속 도체의 선택은 백금이나 유사 금속, 티타늄 및 텅스텐에 한정되는데, 왜냐하면 요오드를 함유하는 광전기화학 전지의 전형적인 전해질과의 화학 반응 때문이다.
따라서 본 발명의 목적은 광전기화학 전지에서 쓰이는 저비용 금속 도체를 위한 보호 코팅을 제공하여 유효 성능에 손실을 주지 않으면서 여전히 비용-효율적인 효과적인 항 부식과 연관된 문제를 해결하는 것이다.
앞서 말한, 그리고 관련된 목표를 달성하기 위해서. 본 발명은 전기적으로 전도성이지만 화학적으로는 불활성인 물질 (예를 들어, 다이아몬드 및 전기전도성 질화물 및 카바이드) 층을 광전기화학 전지 내부에서 전류를 통하게 하면서, 한편으로는 광전기화학 전지의 금속 성분을 보호하도록 이용하는 것을 제공한다. 이러한 물질들의 박층이 고전도성 금속 성분과의 전기적인 연결에 적당한 전도성을 주며, 동시에 이러한 물질들이 PEC에 사용되는 전해질에 대해 화학적으로 불활성이라는 것이 발견되었다. 보호층의 전기 전도성은 조성이나 두께를 변화시킴으로써 바꿀 수 있어, 상기 층은 여러 다른 적용 조건 (예를 들어 빛의 상태)에 최적화할 수 있다.
상기 보호층은 그것을 형성하기 위한 공지의 기술 (예를 들어 아크 침전(arc deposition), 졸-겔, 스퍼터링(sputtering), CVD 등)을 이용하여 침착시킬 수 있다. 상기 층은 유용한 전력 출력이 가능하도록 충분히 전기전도성이어야 하고, 한편 광전기화학 전지의 성분에 대해 화학적으로 불활성이어야 한다.
이러한 층의 전도성을 고려하여, 본 발명은 또한 전기 전도성이 높아야 할 필요가 있을 때(예를 들어, 빛이 적은 상태 또는 전지 크기가 작을 때) 기판 (유리, 중합체 물질)상에 중간의 금속 구성요소 없이 바로 형성된 이런 층들을 제공한다.
본 발명은 질화 티타늄과 같은 몇몇 물질로 핀홀이 없이 강력하게 접착되어 금속 도체를 보호하는 코팅을 형성하면서 동시에, PEC 장치의 성공적인 작동을 위해 충분한 전기전도도를 제공하는 것을 구현함에 기초한다. 비록 비보호 316 스테인레스 스틸 기판이 상온에서 작동시 며칠 내에 부식하고, PEC 장치의 전해질에 비가역적인 손상을 일으키지만, 동일한 기판상에 형성된 TiN 코팅의 조밀 박막층은 75℃에서 수 개월 동안의 성공적인 작동을 보장한다는 것이 우리의 실험들을 통해 증명되었다.
추가적인 분석에서 특정 비금속 물질이 수 마이크론의 두꺼운 필름을 통해 항부식성 및 전기 전도성의 필요요건을 만족시킨다는 것이 증명되었다. 이것들은 다이아몬드 및 반금속성, 금속성(및 다금속성) 질화물, 카바이드(carbides), 산화물, 붕소화물, 인화물, 규소화합물, 안티몬화물, 비소화물, 텔루르화합물(tellurides) 및 그것들의 조합 (예를 들어, 산화질화물(oxynitrides), 비소화황화물(arsenide sulphides))을 포함한다.
또한 본 발명의 목적에 바람직한 물질은 질화티타늄(TiN), 질화지르코늄 및 보론 카바이드(boron carbide) 이다.
또한 바람직한 물질은 니오븀, 몰리브덴, 탄탈(tantalum), 텅스텐 또는 바나듐의 규소화합물을 포함한다.
본 발명은 상기 금속 도체의 보호에 쓰이는 특정 물질의 범위를 제공하는 한편, 또한 상세한 설명에서는 TiN을 실시예로서 이용하고 있다.
본 발명의 한 측면에 따르면, TiN 층은 금속 호일 또는 판 (예를 들어 스테인레스 스틸 호일)상에 침착되어 전지의 전해질로부터 호일을 보호한다.
상기 호일 또는 판은 광전기화학 전지의 작용 또는 상대 전극에 대한 기판으로서 쓰인다. .
본 발명의 다른 관점에 따르면, TiN 층은 전지 내에서 국소적으로 발생한 전류를 외부 단자로 전도하는데 쓰이는 금속 메쉬상에 침착된다. 상기 메쉬는 광전기화학 전지의 작용 전극 및/또는 상대 전극에 각각 또는 모두 쓰일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, TiN 층은 일련의 연결된 모듈에서의 광전기화학 전지들을 상호연결하기 위해 쓰이는 금속 도체상에 침착된다. 이 경우에, 작용 전극 및 상대 전극은 모두 각각 전기적으로 절연된 부분들로 분리되고, 상기 금속 도체는 작용 전극의 적어도 한 부분을 상대 전극의 한 부분에 연결한다.
본 발명의 특징을 넓게 설명하였고, 그것의 실시예를 오직 예 및 도면으로써 이제 기술할 것이다. 이후의 설명에서, 첨부된 도면을 참고할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 형성된 PEC 장치의 확대 단면도이다.
도 2A는 본 발명의 다른 실시예에 따라 형성된 PEC 장치의 확대 단면도이다.
도 2B는 본 발명의 이전 실시예에서 사용된 보호코팅된 스테인레스 스틸 메쉬의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 형성된 PEC 장치의 확대 단면도이다.
도 1을 보면, 작용 전극 기판은 TiN 코팅(2)으로 보호되는 스테인레스 스틸 호일(1)을 포함한다. 작용 전극(3)(색소 감작된 TiO2)은 TiN 코팅(3 마이크론 두께,여과 플라즈마 침착) 상에 형성되었다. 상기 장치의 상대 전극(5)(얇은 분산 Pt 촉매층)은 투명한 전기 전도성 기판(6)(TEC로 코팅된 중합체 필름) 상에 형성되었다. 전해질(4)은 상기 두 전극 사이에 위치한다. 상기 장치는 실리콘을 기초로 한 밀폐제(silicone based sealant)(7)로 봉해진다. 이 장치는 상대 전극 쪽에서 빛을 발한다.
도 2A를 보면, TiN 코팅(2)에 의해 보호받는 스테인레스 스틸 호일(1)이 PEC 장치의 상대 전극(5)을 지지한다. 작용 전극은 투명한 전기 전도성 기판(6)에 의해 지지되며, 거기에 TiN(2)로 코팅된 스테인레스 스틸 메쉬(8)가 부착된다. 상기 스테인레스 스틸 메쉬가 작용 전극(3)(색소 감작된 TiO2)으로의 전기적 연결을 향상시킨다. 상기 장치는 실리콘을 기초로 한 밀폐제(7)로 봉해진다. 이 장치는 작용 전극 쪽에서 빛을 발한다.
도 2B를 보면, 스테인레스 스틸 메쉬(8)(50μ 구경, 30μ 와이어)가 TiN 코팅(2)에 의해 보호된다.
도 3을 보면, PEC 장치가 두 개의 투명 기판(6) 사이에 형성되어 있다.각 기판은 투명한 전자 도체(9)(TEC, F-도프된 산화주석)로 코팅되어 있다. TEC에 레이저 광선으로 형성된 절연선(10)은 각 전극을 작은 부분들로 나눈다. 작용 전극 기판은 색소 감작된 TiO2 층(3)으로 코팅되어 있고, 상대 전극 기판은 촉매층(5)으로 코팅되어 있다. 3개의 독립적인 전지들이 전극 사이의 공간을 전해질(4)로 충전함으로써 형성된다. 도체가 일련의 전지들을 연결하기 위해 쓰인다. 상기 도체는 TiN 코팅(12)으로 보호되는 스테인레스 스틸 코어(11)를 포함한다.
본 발명을 통해 광전기화학 전지에서 쓰이는 저비용 금속 도체를 위한 보호 코팅을 제공하여 유효 성능에 손실을 주지 않으면서 여전히 비용-효율적으로 효과적인 항 부식과 연관된 문제를 해결할 수 있다.
Claims (10)
- 두 개의 기판을 포함하는 광전기화학(PEC) 장치에 있어서,- 상기 두 개의 기판 중 하나 또는 두 개의 기판은 투명하며, 투명 전자 도체(Transparent Electronic Conductor, TEC)로 코팅되어 있고;- 색소 감작된 다공성 반도체를 포함하는 작용 전극이 상기 두 개의 기판 중 하나의 기판상에 형성되며;- 촉매층을 포함하는 상대 전극은 상기 작용 전극이 형성된 기판과 다른 기판상에 형성되고;- 전해질은 상기 두 기판 사이에 위치하고;- 금속 도체가 상기 작용 전극 또는 상기 상대 전극으로부터의 전류를 전도하기 위해 쓰이며;- 상기 광전기화학 장치로부터 유용한 전력 출력을 가능하게 할 만한 전기 전도도를 가진 불활성 비금속 물질의 보호층이 상기 광전기화학 장치의 전해질로부터 상기 금속 도체를 보호하기 위해서 코팅되는 것을 특징으로 하는 광전기화학 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 도체는 금속판 또는 금속 호일인 것을 특징으로 하는 광전기화학 장치.
- 제2항에 있어서, 상기 금속판 또는 상기 금속 호일은 상기 광전기화학 장치의 작용 전극 또는 상대 전극으로부터의 전류를 전도하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 금속 도체는 금속 메쉬인 것을 특징으로 하는 광전기화학 장치.
- 제4항에 있어서, 상기 금속 메쉬는 상기 광전기화학 장치의 작용 전극 또는 상대 전극을 전기적으로 연결하기 위해서 쓰이는 것을 특징으로 하는 광전기화학 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 작용 전극 및 상기 상대 전극은 모두 전기적으로 절연된 부분들로 각각 분리되고 상기 금속 도체는 상기 작용 전극의 적어도 한 부분을 상기 상대 전극의 한 부분에 연결하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 보호층은 다이아몬드 또는, 반금속 또는 금속의 질화물, 카바이드, 산화물, 붕소화물, 인화물(sulphides), 규소화합물, 안티몬화물, 비소화물, 텔루르화합물(tellurides) 및 그것들의 조합 중의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기화학 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 물질은 질화 티타늄 또는 질화 지르코늄인 것을 특징으로 하는 광전기화학 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 카바이드는 보론 카바이드인 것을 특징으로 하는 광전 기화학 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 규소화합물은 니오븀, 몰리브덴, 탄탈(tantalum), 텅스텐 또는 바나듐의 규소화합물 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 광전기화학 장치.
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