KR100994790B1 - 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지 - Google Patents
식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 투명전극기판과 대향전극기판, 양 기판 사이 공간에 전해질층이 충진되어 있는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 투명전극기판의 전해질층에 접하는 면에 형성된 금속산화박막의 표면에 400~500㎚(청색) 또는 600~700㎚(적색) 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료가 흡착되어 있는 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 의한 염료감응형 태양전지를 재질로 온실을 제작하는 경우 태양전지가 전체적인 태양에너지의 강도를 줄이면서도 광합성에 유리한 파장대의 빛을 온실 내부로 전달한다. 따라서 본 발명에 의한 태양전지가 적용된 온실이라면, 한 여름의 강한 태양광에 의한 피해를 막기 위해 차광막을 칠 필요가 없으며, 겨울의 약한 태양광도 광합성에 유리한 빛이 전달되므로 온실의 운영/관리비가 대폭 절약되면서도 작물이 잘 자라게 되는 부수적 효과를 얻게 된다.
태양광, 태양에너지, 태양전지, 염료감응형, 염료, 광합성, 온실, 파장
Description
본 발명은 태양광 중에서 식물체 광합성에 도움이 되지 않는 파장대의 빛을 흡수하여 전기를 생산하고, 광합성에 도움이 되는 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료가 적용되어 온실 외장자재로 이용할 경우 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 부수적으로 작물의 생산성을 증대시킬 수 있는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
화석연료의 고갈 및 가격급등, 지구 기후의 급격한 변화는 지속가능한 에너지 획득기술을 요구하고 있다. 그 중에서도 태양 에너지는 무한청정·안전성으로 인하여 가장 주목을 받고 있다.
종래에 실리콘형 태양전지가 폭넓게 연구되어 산업적으로 활용되고 있으나, 단가가 비싸 경제성이 낮은 점이 문제로 되고 있다. 근래에는 실리콘 태양전지에 버금가는 에너지 변환효율을 가지면서 생산원가가 저렴한 차세대 태양전지로 염료 감응형 태양전지(DSSC: Dye-Sensitized Solar Cells)가 활발하게 연구되고 있다. 염료감응형 태양전지는 기존의 p-n 접합에 의한 실리콘 태양전지와는 달리 태양광을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물(이하, "금속산화박막"이라 함)을 주된 구성으로 하여 이루어진 광전기화학적 태양전지이다. 염료감응형 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 생산비가 매우 낮고 투명~반투명하게 형성될 수 있으며 유리기판 뿐만 아니라 유연성있는 플라스틱기판을 이용해서도 제작될 수 있다는 장점이 있다.
염료감응형 태양전지에 UV를 포함하는 태양광이 조사되면 반사, 흡수, 통과의 과정을 거치게 된다. 1차적으로 유리 표면에서 반사가 일어나는데, 이때 파장이 짧은 UV 등은 반사되어 거의 유리 표면을 통과하지 못하고 가시광선 영역의 빛만이 염료분자에 도달한다. 이어서 2차적으로 염료분자 표면에서 가시광선이 일부 반사, 일부 흡수되고 나머지는 통과된다. 흡수된 빛은 염료분자 내의 전자를 여기시킴으로 유리된 전자(electron)를 만들고, 이 전자는 산화금속의 반도체 층을 통과하여 외부로 이동되어 일을 하고 다시 전해질을 통해서 염료에 전달되는 과정을 반복하면서 궁극적으로 전기를 생산하게 된다. 이 과정에서 염료의 종류에 따라 선택적으로 특정 파장대의 빛을 흡수하고 나머지 영역의 빛을 반사 및 통과시킨다. 결국, 염료감형 태양전지 제작시 어떤 특성의 염료를 사용하느냐에 따라 반사, 흡수 및 통과한 빛의 색(파장대)을 임의로 정할 수 있게 된다.
한편, 작물의 촉성(促成) 또는 억제(抑制)를 재배하기 위하여, 연중 계속해서 농산물을 생산하기 위해서 또한 노지(露地)에서는 재배가 되지 않는 특수 농작물을 재배하기 위해서 온도·습도·광선을 조절할 수 있는 유리온실 또는 비닐온실이 널리 이용되고 있다. 온실 내부는 태양열에 의해 외부에 비해 고온이 유지되며, 태양광의 대부분이 유리 또는 비닐을 투과하여 식물체에 전달되므로 작물의 생장에 매우 유리한 환경이 조성되는 것이다.
알려진 바에 의하면, 태양광 중 청색광(파장 400~500nm)과 적색광(파장 610~700nm)이 다른 파장대의 빛보다도 식물의 광합성 효율을 크게 증진시킴으로써 작물 생육장을 촉진한다.
본 발명은 종래의 보통 유리온실 또는 비닐온실의 소재인 유리 또는 비닐을 투명한 특성을 가지는 유리 또는 플라스틱 기판의 염료감응형 태양전지로 대체하여 온실 고유의 효과를 얻으면서도 부수적으로 온실 운영에 필요한 에너지를 생산할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 적색 또는 청색 염료가 사용된 염료감응형 태양전지를 온실에 적용하여, 태양광 중에서 식물체의 광합성에 유리한 적색광 또는 청색광은 식물체에 전달하고, 식물체의 광합성 효율을 감소시키는 것으로 알려진 녹색광 등은 차 단(흡수하여 전기에너지로 전환)함으로써 농업생산성을 증대시킬 수 있도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 투명전극기판과 대향전극기판, 양 기판 사이 공간에 전해질용액이 충진되어 있는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 투명전극기판의 전해질층에 접하는 면에 형성된 금속산화박막의 표면에 400~500㎚(청색) 또는 600~700㎚(적색) 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료가 흡착되어 있는 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지를 제공한다.
상기 본 발명에서, 태양 가시광선 중의 다른 파장대의 빛을 흡수하고 400~500㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료(이하 '청색염료'라 함)는 페닐, 아미노페닐, 알릴 또는 알콕시기를 기능기로 갖는 바이피리딘계열 화합물의 금속착물 중에서 선택된 어느 하나이며, 태양 가시광선 중의 다른 파장대의 빛을 흡수하고 600~700㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료(이하 '적색염료'라 함)는 아민기, 사이오펜기, 케톤기 또는 페닐기를 1개 이상 기능기로 갖는 바이피리딘계열 화합물의 금속착물 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 염료의 종류와 특성을 제외한 다른 구조와 재료 등은 통상 널리 알려진 일반적인 염료감응형 태양전지를 그대로 적용할 수 있으므로 구체적인 설명을 생략한다.
태양광이 조사되는 경우, 이들 청색염료 및/또는 적색염료에 의해 전형적인 염료감응형 태양전지가 작동함과 동시에, 식물체 광합성에 유리한 청색 및/또는 적색 파장대의 빛이 내부로 전달되므로 온실 내 식물체의 성장과 발육에 월등히 우수한 효과를 얻을 수 있게 된다.
한편, 염료감응형 태양전지에서, 발생한 전자가 대향전극으로 이동하는 루트가 길어지면 저항이 발생하여 전지효율이 낮아지는 형상이 발생한다. 이를 방지하기 위하여 전자의 이동 루트의 범위가 물리적으로 한정되도록 셀을 그리드(Grid) 또는 바둑판 형태로 제작할 수 있다. 이렇듯 셀이 구획된 태양전지를 활용하는 경우 청색염료가 적용된 구획과 적색염료가 적용된 구획이 교차되도록 하거나, 청색염료가 적용된 셀과 적색염료가 적용된 셀이 상호 교차적층되도록 함으로써 청색광과 적색광이 모두 발생될 수 있도록 하는 것도 좋다.
본 발명에서 상기 염료의 종류와 특성을 제외한 다른 구조와 재료 등은 다음과 같을 수 있다.
상기 투명전극기판상에는 소정 두께의 나노입자 산화물층을 포함하고, 상기 나노입자 산화물층에는 청색 또는 적색 염료분자가 화학적으로 흡착되어 있다. 상기 나노입자 산화물층은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO) 또는 산화니오븀(Nb2O5 ) 등으로 이루어질 수 있다. 상기 대향전극판은 전도성 투명 기판과 백금층이 코팅된 투명 기판을 사용할 수 있으며, 상기 전해질은 액상, 준고 체상 또는 고체상을 사용할 수 있다. 액상인 경우 0.8 M의 1,2-디메틸-3-옥틸-이미다졸륨 아이오다이드(1,2-dimethyl-3-octyl-imidazolium iodide)와 40 mM의 I2를 3-메톡시프로피오니트릴(3-Methoxypropionitrile)에 용해시킨 I3-/I-의 전해질 용액일 수 있다. 본 발명에 적용될 수 있는 전극기판의 소재, 투명전극판에 형성되는 나노입자 산화물층의 종류, 대향전극판에 형성되는 금속층 등의 종류, 전해질을 이루는 화학물질의 성분 및 함량 등은 상기 예시한 것에 한정되는 것은 아니며, 당업계에서 적절하게 선택하여 사용할 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 태양전지에서, 상기 투명전극기판의 전해질층에 접하는 면에는 감광성 염료가 표면에 흡착된 금속산화박막이 형성되어 있으며, 상기 대향전극기판의 양면에는 백금 또는 탄소층이 형성되어 있을 수 있다.
상기 투명전극기판 또는 대향전극기판의 소재로는 전도성 유리 기판, 전도성 플라스틱 기판, 전도성 금속 기판, 반도체 기판 또는 부도체 기판 등을 사용할 수 있으며, 이들 중 전도성 플라스틱 기판을 사용하는 것이 바람직하다. 이때 상기 전도성 플라스틱 기판은 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 또는 폴리에틸렌나프탈레이트와 같은 고분자판에 전도성 물질을 도포한 기판일 수 있다.
한편, 일반적으로 투명전극판과 대향전극판의 간격이 50~100㎛ 정도로 매우 가깝기 때문에 염료감응형 태양전지의 제조시 또는 사용시에 양 전극판이 접촉하게 되면 전자의 이동이 교란(쇼트)이 일어나 불량이 발생하거나 전지효율이 급감하는 문제가 발생한다. 따라서 상기 투명전극기판과 대향전극기판 사이에는 투명전극기판과 대향전극기판의 직접접촉을 방지하기 위한 비전도성 간극재가 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 간극재는 유리기판을 사용한 경우에도 유용하지만, 특히 상기 투명전극판과 대향전극판이 모두 굽힘성이 있는(flexible) 소재로 된 경우 더욱 효과를 발휘한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 염료감응형 태양전지를 온실용 재료로 적극 활용함으로써 농가 특히 화훼류 재배농가의 생산성을 높이면서 전기를 생산할 수 있게 된다. 이에 의해 아직은 충분치 않은 에너지 변환효율 문제로 상업화에 어려움을 겪고 있는 염료감응형 태양전지의 산업적 활용을 도모할 수 있게 된다.
본 발명에 의한 염료감응형 태양전지를 온실용 재료로 이용함으로써 저렴한 추가비용으로 온실 고유의 기능(식물의 조기생장에 필요한 조건을 조성)을 가지면서도 온실의 외부(지붕과 벽면 전체)를 활용하여 태양에너지를 전기화할 수 있으므로 여름과 겨울의 유리온실 내 온도조절을 위한 열교환기의 운전비용을 절약할 수 있게 된다.
이하 본 발명에 의한 태양전지를 개념화한 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이들 도면과 그의 설명은 예시적인 목적일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
본 발명에서 염료감응형 태양전지의 기본적 미세구조 및 셀의 배열과 그에 따른 태양전지의 직-병렬 연결구조 등은 종래기술에 널리 알려져 있으므로 설명을 생략한다.
전술한 바와 같이 본 발명에 의한 염료감응형 태양전지에 적용되는 감광성 염료로서, ① 태양 가시광선 중 400~500㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료는 페닐, 아미노페닐, 알릴 또는 알콕시기를 기능기로 갖는 바이피리딘계열 화합물의 금속착물 중에서 선택된 어느 하나이며, ② 600~700㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료는 아민기, 사이오펜기, 케톤기 또는 페닐기를 1개 이상 기능기로 갖는 바이피리딘계열 화합물의 금속착물 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다. 기능기에 따른 염료의 반사광 파장대 특성을 하기 표 1에 나타내었다.
도 1은 본 발명에 의한 염료감응형 태양전지를 소재로한 온실에서 청색염료와 적색염료가 적용된 배치도의 일예를 도시한 것이다. 도면에서는 청색염료가 적용된 태양전지(A 또는 B)와 적색염료가 적용된 태양전지(B 또는 A)를 1:1의 비율로 배치하였다. 이에 의해 온실 내부로는 광합성에 유리한 청색광 및 적색광이 모두 투과되어 들어감을 알 수 있다. 재배되는 식물체의 엽록소 성분비에 따라 A와 B의 비율을 적절하게 조절함으로써 식물체의 광합성 효율을 더욱 증대시킬 수 있을 것이다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 적용될 수 있는 염료감응형 태양전지의 외형 구조를 도시한 것이다.
도 2a는 셀이 구획(Grid)된 태양전지로서 청색염료가 적용된 구획과 적색염료가 적용된 구획이 교차되도록 제작된 태양전지이다. 도 2b는 셀이 구획된 태양전지로서 청색염료가 적용된 셀과 적색염료가 적용된 셀이 상호 교차적층되어 있는 적층형 태양전지이다. 이에 의해 온실 내부로는 광합성에 유리한 청색광 및 적색광이 모두 투과되어 들어감을 알 수 있다. 도 2a 내지 도 2b에서와 마찬가지로, 재배되는 식물체의 엽록소 성분비에 따라 A와 B의 비율을 적절하게 조절함으로써 식물체의 광합성 효율을 더욱 증대시킬 수 있을 것이다.
도 3은 본 발명이 적용된 염료감응형 태양전지가 청색광 및/또는 적색광을 온실 내부로 투과하는 상황을 보여주는 개념도이다. 본 발명에 의하면, 염료감응형 태양전지에 의해 강도가 더욱 증가된 청색광 및/또는 적색광이 온실내로 전달되므로 온실 내의 식물체 생장이 더욱 빨라짐과 동시에 온실관리 등을 위한 전기에너지도 얻을 수 있게 되는 것이다.
한편, 본 발명에 적용 가능한 태양전지에서, 상기 투명전극판(11)과 대향전극판(16) 사이에 투명전극판(11)과 대향전극판(16)의 직접 접촉을 방지하기 위한 비전도성 간극재(21)가 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 도 4에 간극재(21)가 형성된 태양전지의 단면도를 개념적으로 도시하였다.
본 발명에 의한 염료감응형 태양전지를 재질로 온실을 제작하는 경우 태양전지가 전체적인 태양에너지의 강도를 줄이면서도 광합성에 유리한 파장대의 빛을 식물체에 전달한다. 따라서 본 발명에 의한 태양전지가 적용된 온실이라면, 한 여름의 강한 태양광에 의한 피해를 막기 위해 차광막을 칠 필요가 없으며, 겨울의 약한 태양광도 광합성에 유리한 빛으로 전환되므로 온실의 운영/관리비가 대폭 절약되면서도 작물이 잘 자라게 되는 부수적 효과를 얻게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 염료감응형 태양전지를 소재로한 온실에서 청색염료와 적색염료가 적용된 셀 배치도의 일예.
도 2a 내지 2b는 본 발명에 적용될 수 있는 염료감응형 태양전지의 외형 구조도.
도 3은 본 발명이 적용된 염료감응형 태양전지가 청색광 및/또는 적색광을 온실 내부로 투과/반사하는 상황을 보여주는 개념도.
도 4는 간극재가 형성된 태양전지의 단면도.
***** 도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명 *****
10 : 염료감응형태양전지
11 : 투명전극판 12 : 기판
13 : 감광염료가 흡착된 금속산화박막 16 : 대향전극판
20 : 전해질층 21 : 간극재
Claims (6)
- 투명전극기판과 대향전극기판, 양 기판 사이 공간에 전해질층이 충진되어 있는 염료감응형 태양전지에 있어서,상기 투명전극기판의 전해질층에 접하는 면에 형성된 금속산화박막의 표면에는 태양 가시광선 중 400~500㎚ 또는 600~700㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료가 흡착되어 있는 것을 특징으로 하는 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지.
- 제1항에 있어서,상기 400~500㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료는 페닐, 아미노페닐, 알릴 또는 알콕시기를 기능기로 갖는 바이피리딘계열 화합물의 금속착물 중에서 선택된 어느 하나이며.상기 600~700㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료는 아민기, 사이오펜기, 케톤기 또는 페닐기를 1개 이상 기능기로 갖는 바이피리딘계열 화합물의 금속착물 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 태양전지는 그리드(Grid) 형태로 구획되어 있으며, 400~500㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료가 적용된 구획과 600~700㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료가 적용된 구획이 교차되어 있는 것을 특징으로 하는 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 태양전지는 그리드(Grid) 형태로 구획되어 있으며, 태양광을 흡수한 후 400~500㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료가 적용된 셀과 600~700㎚ 파장대의 빛을 투과하는 감광성 염료가 적용된 셀이 상호 교차적층되어 있는 것을 특징으로 하는 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 투명전극기판 또는 대향전극기판의 소재는 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리이미드 또는 폴리에틸렌나프탈레이트 고분자판 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 투명전극기판의 전해질층에 접하는 면 또는 상기 대향전극기판의 양면에는 투명전극기판과 대향전극기판의 직접접촉을 방지하기 위한 비전도성 간극재가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 식물체 광합성 증진겸용 염료감응형 태양전지.
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|---|---|---|---|---|
| KR101022749B1 (ko) | 2010-12-09 | 2011-03-17 | 한국기계연구원 | 광 여과부를 구비하는 선택적 광 투과형 태양전지 |
| KR101429759B1 (ko) | 2013-10-02 | 2014-08-14 | 건국대학교 산학협력단 | 염료감응형 태양전지용 전해 조성물 및 상기 전해 조성물을 포함한 염료감응형 태양전지 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100869802B1 (ko) | 2006-11-17 | 2008-11-21 | 삼성에스디아이 주식회사 | 염료감응 태양전지용 전해질, 이를 포함하는 염료감응태양전지, 및 이의 제조방법 |
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- 2008-07-17 KR KR1020080069563A patent/KR100994790B1/ko not_active IP Right Cessation
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