KR101021174B1 - dye sensitized solar cell - Google Patents
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Abstract
염료감응 태양전지가 제공된다. Dye-sensitized solar cells are provided.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 제 1 전극이 연결설치된 제 1 기판; 상기 제 1 기판에 대향되는 타측에 연결설치되고 그 일측면에 상기 제 1 전극에 대향되도록 제 2 전극이 연결설치된 제 2 기판 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에충진된 전해질을 포함하는 구조의 단위 셀을 복수 개 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 복수의 단위 셀은 각각 분리된 병렬 구조인 것을 특징으로 하며, 단위 셀 각각이 독립적으로 전류를 생성시켜, 외부 회로로 보내므로, 단위 셀 하나의 기능에 이상이 생기는 경우라고 하더라도, 나머지 단위 셀의 전류 생성이 지속적으로 유지되어 외부 회로로 인가될 수 있다. 따라서, 태양전지의 구동 안정성이 확보되며, 특히 외부 충격으로 단위 셀 일부의 전해액이 외부로 누출되는 경우라 하더라도, 나머지 단위 셀에 의한 전류생성은 지속적으로 유지될 수 있으므로, 가혹한 외부 환경에서 염료감응 태양전지를 사용하는 경우 매우 우수한 신뢰성을 나타낼 수 있다. 더 나아가 금속 그리드의 사용을 최소화시키므로 태양 전지의 제조비용을 절감할 수 있고, 또한 금속 그리드와 전해액의 접촉에 따른 부식 등의 문제 또한 상당 수준으로 감소시킬 수 있다.The dye-sensitized solar cell according to the present invention comprises: a first substrate having a first electrode connected thereto; A structure including a second substrate connected to the other side facing the first substrate and having a second electrode connected to one side thereof so as to face the first electrode, and an electrolyte filled between the first substrate and the second substrate; In a dye-sensitized solar cell including a plurality of unit cells, each of the plurality of unit cells has a separate parallel structure, and each of the unit cells independently generates a current and sends it to an external circuit. Even if one function fails, current generation of the remaining unit cells may be continuously maintained and applied to an external circuit. Therefore, the driving stability of the solar cell is secured, and in particular, even when the electrolyte of a part of the unit cell is leaked to the outside due to an external impact, the current generation by the remaining unit cells can be maintained continuously, so that the dye is sensitive in a harsh external environment. When using a solar cell can exhibit very good reliability. Furthermore, minimizing the use of the metal grid can reduce the manufacturing cost of the solar cell, and also can significantly reduce problems such as corrosion due to contact between the metal grid and the electrolyte.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 일부 단위셀의 기능 이상임에도 불구하고 지속적으로 전류를 생산할 수 있으므로, 공정 안정성이 우수하고, 제조 단가가 저렴하며, 또한 보다 긴 사용수명을 갖는 염료감응 태양전지에 관한 것이다. The present invention relates to a dye-sensitized solar cell, and more particularly, it is possible to continuously produce a current in spite of the abnormality of some unit cells, thereby providing excellent process stability, low manufacturing cost, and longer service life. It relates to a dye-sensitized solar cell having.
1971년 스위스 연방 기술원(EPFL) 화학과의 마이클 그랏젤 교수가 개발한 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell)는 값싼 유기 염료와 나노 기술을 이용하여 저렴하면서도 고도의 에너지 효율을 갖도록 개발된 태양 전지로서,기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조단가가 저렴하고, 전극이 투명하여 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환 효율이 낮아 실제 적용에는 아직까지 한계가 있다. Dye-sensitized solar cells, developed in 1971 by Professor Michael Graszel of the Swiss Federal Institute of Technology (EPFL) Chemistry, were developed using low-cost organic dyes and nanotechnology to make them affordable and highly energy efficient. As an advantage, the manufacturing cost is cheaper than conventional silicon solar cells, and the electrode is transparent, so that it can be applied to a glass wall or a glass greenhouse of an outer wall of a building, but the photoelectric conversion efficiency is low.
종래의 염료감응 태양전지는 염료분자가 흡착된 나노 결정 산화물 필름이 코팅된 투명성의 전도성 전극과, 금속성 물질이 코팅된 전극 및 산화-환원의 기능을 수행하는 전해질로 구성된다. 상기 구성 중 염료분자가 흡착되는 나노 결정 산화물 로서 TiO2를 주로 사용하는데, 상기 TiO2 박막은 나노 크기의 다공성 물질로 염료 분자가 흡착될 수 있는 결합 부위를 제공하고, 또한 염료 분자로부터 생성된 여기 전자를 전극으로 운송하는 역할을 수행하게 된다. Conventional dye-sensitized solar cells are composed of a transparent conductive electrode coated with a nanocrystalline oxide film on which dye molecules are adsorbed, an electrode coated with a metallic material, and an electrolyte for redox function. In the above structure, TiO 2 is mainly used as a nano crystal oxide to which dye molecules are adsorbed, and the TiO 2 thin film provides a binding site to which dye molecules can be adsorbed as a nano-sized porous material, and also excitations generated from dye molecules. It serves to transport the electrons to the electrode.
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지 구조를 나타내는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a solar cell structure according to the prior art.
도 1을 참조하면, 종래의 염료감응 태양전지 모듈은 제 1 전극(6)이 연결설치된 제 1 기판(2); 상기 제 1 기판(2)에 대향되는 타측에 연결설치되고 그 일측면에 상기 제 1 전극(2)에 대향되도록 제 2 전극(8)이 연결설치된 제 2 기판(4) 및 상기 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4) 사이에 충진된 전해질을 포함하는 태양전지 셀을 적어도 하나 이상 포함한다. 특히, 종래 기술에서는 염료감응 태양전지 모듈은 전술한 단위 염료감응 태양전지 셀을 적어도 하나 이상 구비하되, 상기 각각의 염료감응 태양전지 셀은 금속 그리드(10)를 통해 서로 직렬 연결된다. Referring to FIG. 1, the conventional dye-sensitized solar cell module includes a
도 2는 종래의 염료감응 태양전지의 전도성 전극 및 제 1 산화물 박막의 구성을 나타내는 평면도이다. 2 is a plan view showing the configuration of a conductive electrode and a first oxide thin film of a conventional dye-sensitized solar cell.
도 2를 참조하면, 각각 종래 염료감응 태양전지 모듈을 구성하는 각 단위 태양전지(즉, 단위 셀)는 그리드(10)를 통하여 X축 방향으로 상호 직렬연결되는 것을 알 수 있으며, 직렬로 이동하는 전류는 하나의 단자를 통하여 외부 회로와 연결된다. Referring to FIG. 2, it can be seen that each unit solar cell (that is, unit cell) constituting the conventional dye-sensitized solar cell module is connected to each other in series in the X-axis direction through the
하지만, 이와 같은 직렬 연결된 구조의 태양전지는 하나의 단위 셀이 정상적으로 작동하지 않아, 타 단위 셀로부터 발생하는 전자를 또 다른 단위 셀로 전달하 지 못하는 경우 모듈 전체를 사용할 수 없다는 문제가 있다. 또한 산성인 액체 전해질은 장기산 그리드 측면에 형성된 밀봉 격벽(14)으로 인하여, 은과 같은 전도성 금속으로 이루어진 그리드를 부식시키게 되며, 이로 인하여 모듈 전체의 오작동, 또는 효율 저하 등으로 이어진다. 더 나아가, 은과 같은 귀금속을 사용하는 그리드는 결국 태양전지의 제조단가를 상승시키므로 차세대 에너지 공급 수단인 태양전지의 활용성을 크게 떨어뜨리게 된다.However, such a solar cell having a series-connected structure has a problem in that the entire module cannot be used when one unit cell does not operate normally and fails to transfer electrons generated from another unit cell to another unit cell. In addition, the acidic liquid electrolyte causes corrosion of the grid made of a conductive metal such as silver due to the
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 일부 단위셀의 기능 이상임에도 불구하고 지속적으로 전류를 생산할 수 있으므로, 공정 안정성이 우수하고, 제조 단가가 저렴하며, 또한 보다 긴 사용수명을 갖는 염료감응 태양전지를 제공하는 데 있다.Therefore, the problem to be solved by the present invention is that the current can be continuously produced in spite of more than the function of some unit cells, so the dye-sensitized solar cell having excellent process stability, low manufacturing cost, and longer service life To provide.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 제 1 전극이 연결설치된 제 1 기판; 상기 제 1 기판에 대향되는 타측에 연결설치되고 그 일측면에 상기 제 1 전극에 대향되도록 제 2 전극이 연결설치된 제 2 기판 및 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 충진된 전해질을 포함하는 구조의 단위 셀을 복수 개 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 복수의 단위 셀은 각각 분리된 병렬 구조인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다. 상기 단위 셀의 분리는 상기 단위 셀 간에 구비된 격벽에 의하여 이루어진다.The present invention to solve the above problems is a first substrate connected to the first electrode; A structure including a second substrate connected to the other side facing the first substrate and having a second electrode connected to the first electrode on one side thereof, and an electrolyte filled between the first substrate and the second substrate; A dye-sensitized solar cell comprising a plurality of unit cells, wherein the plurality of unit cells provide separate dye-sensitized solar cells, respectively. Separation of the unit cells is made by partition walls provided between the unit cells.
특히 상기 단위 셀에서 발생한 전류는 상기 단위 셀의 단부를 통하여 독립적으로 외부 회로로 흐르며, 상기 단위 셀에서 발생한 전류는 상기 단위 셀의 단부와 연결된 금속선을 통하여 외부 회로로 흐를 수 있다. In particular, the current generated in the unit cell flows to the external circuit independently through the end of the unit cell, the current generated in the unit cell can flow to the external circuit through the metal wire connected to the end of the unit cell.
또한 본 발명에 따른 일 실시예에서 상기 제 1 전극은 상기 제 1 전극 상에 적층된 제 1 산화물 박막; 및 상기 제 1 산화물 박막 상에 상호 이격되어 적층되며, 상기 단위 셀의 단부 방향으로 연장된 선형 구조의 제 2 산화물 박막을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 제 1 산화물 박막의 입도는 상기 제 2 산화물 박막의 입도보다 작을 수 있다. 또한 상기 제1 제 1 산화물 박막의 입경은 50nm 이하이며, 상기 제 2 산화물 박막의 입경은 50nm 이상일 수 있다. In addition, in one embodiment according to the present invention, the first electrode comprises: a first oxide thin film stacked on the first electrode; And a second oxide thin film stacked on the first oxide thin film and spaced apart from each other and extending in an end direction of the unit cell, wherein the first oxide thin film has a particle size of the second oxide thin film. It may be smaller than the particle size of the thin film. In addition, the particle size of the first oxide thin film may be 50 nm or less, and the particle size of the second oxide thin film may be 50 nm or more.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 단위 셀 각각이 독립적으로 전류를 생성시켜, 외부 회로로 보내므로, 단위 셀 하나의 기능에 이상이 생기는 경우라고 하더라도, 나머지 단위 셀의 전류 생성이 지속적으로 유지되어 외부 회로로 인가될 수 있다. 따라서, 태양전지의 구동 안정성이 확보되며, 특히 외부 충격으로 단위 셀 일부의 전해액이 외부로 누출되는 경우라 하더라도, 나머지 단위 셀에 의한 전류생성은 지속적으로 유지될 수 있으므로, 가혹한 외부 환경에서 염료감응 태양전지를 사용하는 경우 매우 우수한 신뢰성을 나타낼 수 있다. 더 나아가 금속 그리드의 사용을 최소화시키므로 태양 전지의 제조비용을 절감할 수 있고, 또한 금속 그리드와 전해액의 접촉에 따른 부식 등의 문제 또한 상당 수준으로 감소시킬 수 있다.In the dye-sensitized solar cell according to the present invention, since each unit cell independently generates current and sends it to an external circuit, even if an abnormality occurs in one unit cell function, current generation of the remaining unit cells is continuously maintained. It can be applied to an external circuit. Therefore, the driving stability of the solar cell is secured, and in particular, even when the electrolyte of a part of the unit cell is leaked to the outside due to an external impact, the current generation by the remaining unit cells can be maintained continuously, so that the dye is sensitive in a harsh external environment. When using a solar cell can exhibit very good reliability. Furthermore, minimizing the use of the metal grid can reduce the manufacturing cost of the solar cell, and also can significantly reduce problems such as corrosion due to contact between the metal grid and the electrolyte.
이하, 도면 및 실시예를 이용하여 본 발명을 설명하지만, 하기의 도면 및 실시예에서 예시되는 태양전지의 구성 등은 본 발명의 이해를 돕고자 하는 것으로서, 본 발명의 권리범위가 하기 실시예 등에 의하여 제한되지 않는다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings and examples, but the configuration of the solar cell illustrated in the following drawings and examples is intended to help the understanding of the present invention. It is not limited by.
도 3은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 평면도이다.3 is a plan view of a dye-sensitized solar cell according to the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 금속 그리드에 의하 여 각 단위 셀(300)이 연결되지 않고, 격벽(310)에 의하여 분리된 형태를 갖는다. 즉, 각 단위 셀(300)은 병렬적으로 연결되어 각 단위 셀로부터 발생한 전류를 각각의 단위 셀(300) 단부로부터 외부 회로로 흐르게 된다(화살표 참조). 즉, 본 발명에서 상기 격벽(310)은 단위 셀의 충진된 전해질이 인접한 단위 셀로 흐르는 것을 방지하는 역할을 수행하는데, 여기에서 특히 주목하여야 하는 점은 상기 격벽으로 전해액이 새어나오는 경우 상기 전해액은 인접한 단위 셀의 전해액과 합쳐질 뿐 전체 모듈 기능에는 아무런 영향을 미치지 않는 점이다. 즉, 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지에서, 격벽(310)으로 전해질이 새어나가는 경우 새어나온 상기 전해질은 금속 그리드를 부식시켜, 직렬 구조의 모듈 전체에 영향을 끼쳤으나, 본 발명의 경우 이러한 문제가 결코 발생하지 않는다. Referring to FIG. 3, the dye-sensitized solar cell according to the present invention has a form in which each
도 4는 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.4 is a cross-sectional view of the dye-sensitized solar cell according to the present invention.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 염료 감응 태양전지는 금속 그리드를 포함하지 않으며, 단위 셀을 전기적으로 분리할 수 있는 격벽(15')을 구비한다. 상기 격벽(15')은 단위 셀을 전기적으로 완전히 분리하기 위하여 전도성 전극(22)까지 연장된다. 따라서, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 금속 그리드에 해당되는 영역만큼 단위 셀의 유효면적을 넓힐 수 있으므로, 금속 그리드 양측에 격벽을 구비시킴으로써 발생되는 유효면적 감소를 방지할 수 있다.Referring to FIG. 4, the dye-sensitized solar cell according to the present invention does not include a metal grid and has a
본 발명에 따른 염료감응 태양전지에 따르며, 상기 단위 셀로부터 발생하는 전류는 각 단위 셀의 양단부를 통하여 외부 회로로 인가되는데, 상기 전류의 외부 회로로의 인가는 다양한 구조의 전도성 부재를 통하여 이루어질 수 있다. 특히 본 발명의 일 실시예에서는 상기 전도성 부재로서 하나의 금속선을 사용하여, 병렬 구조의 단위 셀로부터 발생한 전류를 하나의 금속선을 통하여 외부 회로로 인가시키게 된다. 하지만, 사용하는 구동 전류 및 전압에 따라 단위 셀을 외부 소자에 각각 분배할 수 있으며, 이는 병렬 구조의 본 발명이 갖는 또 다른 우수한 효과 중 하나이다.According to the dye-sensitized solar cell according to the present invention, the current generated from the unit cell is applied to the external circuit through both ends of each unit cell, the application of the current to the external circuit can be made through a conductive member of various structures. have. In particular, in one embodiment of the present invention, using one metal wire as the conductive member, the current generated from the unit cell of the parallel structure is applied to the external circuit through the one metal wire. However, the unit cells may be distributed to the external devices according to the driving current and the voltage used, which is one of the other excellent effects of the present invention in parallel structure.
본 발명에 따른 태양전지는 제 1 전극이 구비된 제 1 기판 및 제 2 전극이 구비되며, 상기 제 1 기판에 대향하는 제 2 기판을 구비한다. 상기 제 1 기판 및 제 2 기판은 빛, 특정적으로 태양광이 투과하는 동시에 염료감응 태양전지의 외관을 제공하는 것으로서, 이러한 목적으로 사용되는 당업계의 통상적인 기판이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만, 바람직하게는 폴리에테르술폰(PES, polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR, polyacrylate), 폴리에테르 이미드(PEI, polyetherimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, polyethlen napthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(PET, polyethylene terepthalate), 폴리페닐렌 설파이드(PPS, polyphenylene sulfide), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(CAP, cellulose acetate propinonate) 중 적어도 하나를 포함하는 플라스틱재 또는 유리재를 사용하는 것이 좋다.The solar cell according to the present invention includes a first substrate with a first electrode and a second electrode, and has a second substrate facing the first substrate. The first and second substrates transmit light, specifically sunlight, and at the same time provide the appearance of a dye-sensitized solar cell. Any substrate may be used as long as it is a conventional substrate used in the art. Preferably, polyether sulfone (PES, polyethersulphone), polyacrylate (PAR, polyacrylate), polyether imide (PEI, polyetherimide), polyethylene naphthalate (PEN, polyethlen napthalate), polyethylene terephthalate (PET, polyethylene terepthalate) ), Polyphenylene sulfide (PPS), polyallylate, polyimide, polycarbonate (PC), cellulose triacetate (TAC), cellulose acetate propionate (CAP) It is preferable to use a plastic material or a glass material containing at least one.
이때, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판의 일 측 표면에는 염료감응 태양전지에 제공된 가시광선을 염료가 흡수하며 여기된 전자가 이동하는 경로로서 전도성 물 질, 예를 들면 ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 등을 포함하는 전도성 필름(22)이 더 코팅된다. At this time, the surface of one side of the first substrate and the second substrate absorbs the visible light provided to the dye-sensitized solar cell, the conductive material, for example, ITO, FTO, ZnO- ( Ga 2 O 3 or Al 2 O 3 ), SnO 2 -Sb 2 O 3, or the like, including a
본 발명에 따른 제 1 전극은 상기 제 1 기판(2)의 표면 일측, 특정적으로 전도성 필름(22)의 상부 일측에 구비되어 음극(-) 역할을 하는 것으로서, 통상적으로 나노 다공질막의 형태로 존재하는 TiO2, ZnO, SnO2 등과 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물로 구성되는 것이 좋고, 이 표면에 단분자 층의 염료가 흡착됨으로써 태양광이 입사되면, 염료속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기된다. The first electrode according to the present invention is provided on one side of the surface of the
본 발명에 따른 제 2 전극은 상기 제 2 기판의 표면 일측, 특정적으로 전도성 필름의 상부 일측에 구비되어 전해질 속에 있는 이온의 산화-환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화-환원 반응을 통해 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 상대전극인 양극(+) 역할을 하는 것으로서, 이러한 목적을 위해 당업계에서 통상적으로 사용되는 전극이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 탄소나노튜브, 나노 카본블랙, 그래파이트 분말, 전도성 고분자 및 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 사용하는 것이 좋다. The second electrode according to the present invention is provided on one side of the surface of the second substrate, specifically on the upper side of the conductive film, and acts as a catalyst for the oxidation-reduction reaction of ions in the electrolyte, through the oxidation-reduction reaction on the surface. As a positive electrode (+), which serves as a counter electrode for providing electrons to ions in the electrolyte, any electrode commonly used in the art for this purpose is not particularly limited, but is preferably carbon nanotubes, nano carbon black, graphite It is preferable to use at least one material selected from the group consisting of powders, conductive polymers and platinum.
또한 본 발명에 따른 전해액은 제 1 전극이 구비된 제 1 기판 및 제 2 전극이 구비된 제 2 기판 사이의 공간에 충진되어 산화-환원반응에 의하여 전자를 전달하는 역할을 하는 것으로서, 이러한 목적을 위한 당업계의 통상적인 전해질이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하지만 바람직하게는 테트라프로필암모늄, 아세토나이 트릴 또는 이들의 혼합물을 사용하는 것이 좋다. 특히 이러한 전해액이 금속과 접촉하는 경우 상술한 바와 같이 금속을 부식시키는 반응을 일으키므로, 종래의 태양전지에서는 이를 보호하고자 전자의 연결 통로인 그리드를 보호하여야 했다. 하지만, 외부 충격 등에 의하여 전해액이 일부 침투하여 그리드와 접촉하는 경우, 그리드의 부식이 진행되어 직렬 구조의 태양전지 모듈 자체를 사용하지 못하게 되는 문제가 있었다. 하지만, 본 발명에서는 이러한 전해액이 격벽을 투과하여 누액되는 경우라하더라도 전체 모듈의 성능에는 미미한 영향을 미치게 되는데, 이는 상술한 바와 같다.In addition, the electrolyte according to the present invention is filled in the space between the first substrate with the first electrode and the second substrate with the second electrode and serves to transfer electrons by redox reaction. Any conventional electrolyte for the art may be used, but preferably tetrapropylammonium, acetonitrile or a mixture thereof is preferable. In particular, when the electrolyte is in contact with the metal to cause a reaction to corrode the metal as described above, the conventional solar cell had to protect the grid which is the connection path of the electron to protect it. However, when the electrolyte penetrates partly in contact with the grid due to an external impact or the like, corrosion of the grid proceeds and thus there is a problem in that the solar cell module of the series structure cannot be used. However, in the present invention, even if such an electrolyte is leaked through the partition wall has a slight effect on the performance of the entire module, as described above.
더 나아가, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 효율을 더욱 극대화하기 위해서는 단위 셀 내에서 발생한 전류를 특정 방향, 특히 단부 방향으로 유도하는 것이 매우 중요하다. 본 발명자는 염료감응 태양전지의 나노산화물 층의 구성을 변경하였는데, 이하 이를 보다 상세히 설명한다.Furthermore, in order to maximize the efficiency of the dye-sensitized solar cell module according to the present invention, it is very important to induce a current generated in the unit cell in a specific direction, in particular in the end direction. The present inventors modified the structure of the nanooxide layer of the dye-sensitized solar cell, which will be described in more detail below.
도 5는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단위 셀의 단면을 나타낸다.5 is a cross-sectional view of a unit cell of a dye-sensitized solar cell according to another embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 염료감응 태양전지는 전극 상에 적층되어 염료가 흡착되는 부위를 제공하는 나노 산화물을 갖는다. 본 발명자는 특히 나노 산화물의 구조를 하부의 제 1 제 1 산화물 박막(210)과 상기 제 1 산화물 박막(210) 상에 적층된 제 2 제 1 산화물 박막(220)으로 구분된다. 특히 상기 제 2 제 1 산화물 박막(220)은 빛을 스캐터링하여 광효율을 향상시키고자 하는 요소이므로, 하부의 제 1 제 1 산 화물 박막(210)에 비하여 입자의 직경이 더 크다. 제 1 산화물 박막(210)의 경우 입자의 입경이 커질수록 전극과의 접착력이 떨어지게 되고, 또한 염료가 직접 전극과 접촉하게 됨으로써 태양전지의 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 제 1 산화물 박막(210)의 입자 크기는 제 2 산화물 박막(220)의 입자 크기에 비하여 작은 것이 바람직하며, 본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 산화물 박막의 입자가 갖는 입경은 50nm 이하, 상기 제 2 산화물 박막의 입자가 갖는 입경은 50nm 이상인 것이 바람직하다. 만약, 상기 제 1 산화물 박막의 입자가 50nm를 초과하는 경우 전극과의 접착력이 약해지게 되며, 또한 제 2 산화물 박막의 입자 크기가 50nm 미만인 경우 흡착되는 염료 분자가 충분하지 못하다는 문제가 발생한다. 하지만 본 발명은 상기 수치에 제한되지 않으며, 작은 입도의 제 1 산화물 박막과 상기 제 1 산화물 박막의 입자가 갖는 입도 보다 큰 입도의 제 2 산화물 박막인 경우 모두 본 발명의 범위에 속한다. Referring to FIG. 5, a dye-sensitized solar cell has a nano oxide stacked on an electrode to provide a site where a dye is adsorbed. In particular, the present inventors divide the structure of the nano oxide into a first first oxide thin film 210 and a second first oxide
또한 상기 제 2 산화물 박막(220)의 입도가 커질수록 제 2 산화물 박막(220)의 투명도는 떨어지게 된다. 따라서, 종래 기술과 같이 제 2 산화물 박막(220)을 평면으로 넓게 적층시키는 경우, 태양전지의 투명도가 전체적으로 저감되며, 이는 실리콘 태양전지에 비하여 염료감응 태양전지가 가지는 여러 장점 중 하나인 투명도를 크게 떨어뜨리게 된다. 하지만, 본 발명은 제 2 산화물 박막(220)을 특정 위치에 국소적으로 배열시키기 때문에, 제 2 산화물 박막(220)이 적층되지 않는 나머지 부위(즉, 조밀한 입자 크기의 제 1 산화물 박막만이 적층된 부위)는 충분한 투명도를 유지할 수 있다. 또한, 불투명한 제 2 산화물 박막(220)을 이용하여 일정한 패턴의 디자인을 태양전지에 형성할 수도 있는 장점을 갖는다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 태양전지의 상기 제 2 산화물 박막은 불투명하고, 제 1 산화물 박막은 투명하므로, 상기 두 산화물 박막은 외부에서 명확한 색 대비를 이룰 수 있다. 따라서, 상기 이격된 제 2 산화물 박막 사이로 상기 제 1 산화물 박막이 노출되는 경우 불투명한 제 2 산화물 박막는 일정한 형상을 외부에 나타낼 수 있으며, 그 결과 하트, 상호명 등과 같은 무늬 또는 글자를 상기 불투명한 제 2 산화물 박막에 의하여 달성할 수 있다. 특히 본 발명에서는 단위 셀의 상기 구성을 병렬 구조의 태양전지 모듈에 적용하는 경우 전류 흐름의 방향을 보다 단위 셀 단부 쪽으로 유도할 수 있으므로 효율이 크게 향상될 수 있다. In addition, as the particle size of the second oxide
도 6은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 단위 셀의 사시도이다. 6 is a perspective view of a unit cell of the dye-sensitized solar cell module according to the present invention.
도 6을 참조하면, 상기 염료감응 태양전지의 나노 산화물의 제 2 산화물은 단부 쪽으로 연장되는 구조의, 일정 너비를 갖는 선형 구조이다. Referring to FIG. 6, the second oxide of the nano oxide of the dye-sensitized solar cell is a linear structure having a constant width, extending toward an end portion.
특히 이러한 구조는 흡착되는 염료를 단위 셀의 단부 방향으로 연장된 형태로 배열시키므로, 특히 생성된 전자가 임의 방향으로 이동하여 충돌, 재조합되어 소멸하는 대신, 단부 방향으로 전자가 이동할 수 있는 환경을 제공하며, 그 결과 단부로부터 외부 회로로 인가되는 전류 및 전압은 크게 증대될 수 있다. In particular, this structure arranges the dye adsorbed in an extended form toward the end of the unit cell, thereby providing an environment in which electrons can move in the end direction instead of colliding, recombining and extinguishing the generated electrons in any direction. As a result, the current and voltage applied from the end to the external circuit can be greatly increased.
실시예Example 1 One
ITO 또는 SnO2:F가 코팅된 유리기판을 알코올을 이용하여 세척한 다음(초음 파 세정기 사용) 상기 유리기판의 잔여물을 제거하기 위하여 세제를 이용, 2차 세척하였다. 이후 TiO2 박막을 약 5~15㎛의 두께로 TiO2 페이스트(20nm 입경)를 코팅한 다음 약 450~500℃로 소성하여 제 1 TiO2 박막을 적층하였다. 다시 상기 제 1 TiO2 박막 상에 TiO2 페이스트(300nm 입경)를 상기 단위 셀의 길이 방향과 수직한 세로 방향으로 상호 이격된 구성(도 5 참조)으로 코팅하여 다시 500℃로 소성하여 N719 염료에 12시간 이상 침지시킴으로써 코팅된 상기 전이 금속 산화물 층을 포함하는 음극을 완성하였다. 대향 전극(양극)은 전도성 유리기판 예를 들면 ITO 또는 SnO2:F가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판 위에 백금층이 코팅되게 하였다. 이후 전도성 기판들을 에칭 공정으로 식각한 후 상기 에칭된 부위에 격벽 필름을 페이스트 형태로 적층시킨 후 양 전극을 결합시킴으로써 염료감응 태양전지를 제조하였다. The glass substrate coated with I TO or SnO 2 : F was washed with alcohol (using an ultrasonic cleaner) and then secondly washed with detergent to remove the residue of the glass substrate. Then, the TiO 2 thin film was coated with a TiO 2 paste (20 nm particle diameter) to a thickness of about 5 to 15 μm, and then fired at about 450 to 500 ° C. to stack the
비교예Comparative example
상호 이격된 구조 대신 제 1 TiO2 박막 상에 제 2 TiO2 박막이 평면으로 균일하게 증착된 것을 제외하고는 상기 실시에 1-1과 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였다. A solar cell was manufactured in the same manner as in Example 1-1, except that the second TiO 2 thin film was uniformly deposited on the first TiO 2 thin film instead of the mutually spaced structure.
실험예Experimental Example
상기 실시예 1-1, 1-2 및 비교예 1의 태양전지에 대하여 전압 및 전류를 측 정하여 하기 표 1에 나타내었다. Voltage and current of the solar cells of Examples 1-1, 1-2 and Comparative Example 1 were measured and shown in Table 1 below.
상기 결과를 참조하면, 제 2 TiO2 박막이 상호 이격된 복수의 선형 구조인 경우(실시예 1-1, 1-2), 제 2 TiO2 박막이 평면 구조를 이루고 있는 비교예의 태양전지에 비하여 개선된 전류 및 전압 특성을 나타내는 것을 알 수 있다. 특히 전극의길이 방향과 평행한 구조인 가로 방향(실시예 1-2)인 경우 전압 및 전류 개선효과가 더욱 향상되는 것을 알 수 있는데, 이것은 보다 긴 선형 구조를 갖는 실시예 1-2의 태양전지가 제 2 TiO2 박막의 길이가 길어짐에 따라 흡착되는 염료의 양을 증가시킬 뿐만 아니라, 더 나아가 생성된 전류의 흐름을 일정 방향으로 보다 원활히 유도할 수 있기 때문으로 판단된다.Referring to the above result, when the second TiO 2 thin film has a plurality of linear structures spaced apart from each other (Examples 1-1 and 1-2), compared to the solar cell of the comparative example in which the second TiO 2 thin film has a planar structure It can be seen that the improved current and voltage characteristics are exhibited. In particular, in the horizontal direction (Example 1-2), which is a structure parallel to the length direction of the electrode, it can be seen that the voltage and current improvement effect is further improved, which is a solar cell of Example 1-2 having a longer linear structure. As the length of the second TiO 2 thin film is increased, the amount of dye adsorbed is not only increased, but also because the flow of generated current can be induced more smoothly in a predetermined direction.
특히 이러한 결과는 단위 셀의 병렬 구성을 갖는 태양전지 모듈에서 단위 셀로부터 발생하는 전류를 효과적으로 단부 방향으로 유도하여, 상기 전류를 독립적으로 외부회로에 공급할 수 있으므로, 본 발명의 효용을 극대화시킬 수 있다.In particular, this result is to effectively induce the current generated from the unit cell in the end direction in the solar cell module having a parallel configuration of the unit cell, can be supplied to the external circuit independently, it is possible to maximize the utility of the present invention .
도 1은 종래 기술에 따른 태양전지 구조를 나타내는 단면도이다. 1 is a cross-sectional view showing a solar cell structure according to the prior art.
도 2는 종래의 염료감응 태양전지의 전도성 전극 및 제 1 산화물 박막의 구성을 나타내는 평면도이다. 2 is a plan view showing the configuration of a conductive electrode and a first oxide thin film of a conventional dye-sensitized solar cell.
도 3은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 평면도이다.3 is a plan view of a dye-sensitized solar cell according to the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다. 4 is a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단위 셀에 대한 단면도이다. 5 is a cross-sectional view of a unit cell of a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 단위 셀에 대한 사시도이다. 6 is a perspective view of a unit cell of a dye-sensitized solar cell according to the present invention.
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