KR101032916B1 - 염료감응 태양전지 직렬구조 셀 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 염료감응 태양전지 직렬구조 셀(또는 서브모듈(sub-module))에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위셀 간의 결선 배열이 어긋나거나 단락될 우려가 없으며, 수광부의 손실이 적어 내구성과 광전환 효율이 향상된 구조의 염료감응 태양전지 직렬구조 셀에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 투명전극판, 대향전극판, 그리드, 격벽재 및 전해질을 포함하여 구성되는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀에 있어서, 상기 그리드는 상호 대향된 투명전극판과 대향전극판을 관통하는 홀(hole);과 상기 홀을 충진하는 도전성 물질;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지 직렬구조 셀(또는 서브모듈(sub-module))에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단위셀 간의 결선 배열이 어긋나거나 단락될 우려가 없으며, 수광부의 손실이 적어 내구성과 광전환 효율이 향상된 구조의 염료감응 태양전지 직렬구조 셀에 관한 것이다.
1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 태양전지(Dye-sensitized solar cell, DSSC)가 개발된 이후 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물과, 산화환원반응을 하는 전해질을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
염료감응 태양전지는 태양에너지를 이용하여 전기에너지를 생성하기 때문에 친환경적이고 에너지원이 무한한 장점이 있다. 또한 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조단가가 낮기 때문에 기존의 실리콘계 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있다.
염료감응 태양전지는 하나의 기판에 하나의 염료감응 태양전지를 구비시켜 사용하거나, 하나의 기판 위에 다수개의 단위셀을 서로 연결시킨 직렬구조 셀(또는 sub-module) 또는 병렬구조 셀(또는 sub-module)의 염료감응 태양전지 형태로 사용하게 된다.
도 1은 종래기술에 의한 염료감응 태양전지 직렬구조 셀의 단면도이다. 염료감응 태양전지는 투명 전도성기판(10b) 위에 감광성 염료분자가 흡착되어 있는 다공성 나노입자 산화물이 코팅된 투명전극(13b)과, 투명 전도성기판(10a) 위에 백금과 같은 금속 또는 탄소가 코팅된 대향전극(13a)을 기본으로 한다. 투명 전도성기판은 기판(11a, 11b) 상에 투명 전도성물질(12a, 12b)을 코팅하여 사용하거나 또는 어느 한쪽 기판을 금속 기판으로 사용한다. 이때, 투명전극(13b)이 형성된 전도성기판(10b)을 투명전극판, 대향전극(13a)이 형성된 전도성기판(10a)을 대향전극판이라 한다. 도 1을 참조하면, 염료감응 태양전지의 직렬구조 셀은 대향전극판과 투명전극판에 투명전극(13b)과 대향전극(13a)의 패턴이 각각 형성되어 있으며, 각각의 투명전극(13b)과 대향전극(13a)이 대향되도록 하여 단위셀을 형성한다. 각각의 단위셀은 격벽재(30)에 의해 전기적으로 절연되며 투명전극(13b)과 대향전극(13a) 사이에는 전해질(20)이 충진된다. 일측 투명전극(13b)과 타측 대향전극(13a)은 각각의 전도성기판(10a, 10b)에 형성된 금속띠로 이루어진 그리드(40a, 40b)의 접촉에 의해 전기적으로 연결된다. 대향전극판과 투명전극판은 어긋난 방향의 일말단이 각각 길게 연장되도록 대향되며 연장된 각 말단에 외부전극을 구비한다.
종래기술에 의한 상기 직렬구조 셀에서는 대향되는 양 기판 상에 구비된 각각의 금속띠로 이루어진 그리드(40a, 40b)가 서로 맞닿아서 전기적으로 연결되도록 태양전지를 제조하여야 한다. 만약 이 과정에서 양 그리드의 말단이 정확하게 일치하지 않으면 접촉 저항이 증가하며, 심한 경우 양 그리드가 연결되지 못하면 직렬연결이 단락되어 태양전지 직렬구조 셀의 기능을 못하게 된다. 또한 유연성이 있는 소재로 이루어진 태양전지의 경우, 태양전지의 구부러짐에 의해 접촉저항이 증가하거나 단락이 이루어질 수 있다는 문제가 있다.
이와 더불어, 단위셀을 절연시키는 상기 격벽재(30)가 그리드(40a, 40b)의 접촉부로 퍼지는 경우 그리드(40a, 40b) 간의 연결이 단락될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 도 1에 도시된 것과 같이 격벽재와 소정 간격을 두고 그리드(40a, 40b)를 형성하게 되므로 수광부의 손실이 증가하게 된다.
상기와 같은 염료감응 태양전지 직렬구조 셀의 문제점을 해결하기 위하여 대한민국 공개특허 10-2010-41487호는 오목부를 구비하는 금속띠로 된 제1그리드의 오목부에 역시 금속띠로 된 제2그리드가 안착함으로써 이루어지는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀을 제공한다. 상기 구조에 의하면, 보다 안정적으로 그리드가 접촉하므로 그리드 간 연결이 단락될 우려는 적으나 격벽재로 인한 수광부의 손실증가 문제는 해결할 수 없을 뿐 아니라 그리드가 차지하는 면적이 종래기술에 비해 더욱 넓어지므로 수광부의 손실이 더욱 가중되게 된다.
영국의 G24i사는 금속 기판을 투명전극판으로 사용한 유연성 염료감응 태양전지(Metal base flexible DSSC)에서 투명전극판인 금속 기판에 요철을 형성하여 대향전극판과 접촉시키는 것에 의해 문제를 해소하고자 하였다. 이러한 연결 방법에 의해 종래의 금속띠로 이루어진 그리드 간 연결보다는 보다 안정적으로 셀 간 전기적 연결이 가능하게 되었으나, 여전히 단락의 우려가 잔존하며 격벽재로 인한 수광부의 손실문제 또한 잔존한다. 또한, 상기 구조는 금속 기판을 대향전극판과 투명전극판 중 적어도 어느 하나로 사용한 유연성 염료감응 태양전지에만 적용이 가능하여, 양 기판 모두가 전도성 플라스틱 기판으로 된 경우에는 적용이 제한된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단위셀을 연결하는 그리드 간 배열이 어긋나거나 단락의 우려가 없이 단위셀 들을 전기적 연결하여 내구성이 향상될 뿐 아니라 수광부의 손실을 최소로 할 수 있는 구조의 염료감응 태양전지 직렬구조 셀을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 투명전극판, 대향전극판, 그리드, 격벽재 및 전해질을 포함하여 구성되는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀에 있어서, 상기 그리드는 상호 대향된 투명전극판과 대향전극판을 관통하는 홀(hole);과 상기 홀을 충진하는 도전성 물질;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 투명전극판과 대향전극판 중 하나 또는 양쪽 모두의 전도성기판에 금속띠가 형성되어 있고, 상기 홀이 금속띠를 관통하여 형성되도록 함으로써 단위셀들을 보다 안정적으로 전기적으로 연결시킬 수 있다.
상기 홀은 드릴, 워터젯, 샌드블라스트, 펀칭 또는 레이저조사 등에 의해 형성될 수 있으며, 그 직경은 0.1~2.0mm인 것이 바람직하다. 상기 홀의 직경이 너무 작으면 도전성물질의 충진이 어렵거나 단위셀 간 접촉저항이 증가할 수 있으며, 직경이 너무 크면 수광부의 손실이 증가한다.
상기 홀은 단위셀의 연결부위 당 하나 이상 형성되며, 복수개가 형성될 때에는 홀의 간격이 1~60mm가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 상기 홀의 간격이 너무 좁은 경우 홀 사이의 기판이 손상될 우려가 있으며, 홀 간격이 커지게 되면 생성된 전자 수집 능력이 떨어져 전지 효율이 낮아지게 되므로 단위셀의 크기를 고려하여 홀 간격이 60mm가 넘지 않도록 하는 것이 바람직하다. 상기 홀 간격은 홀의 직경이나 단위셀의 크기에 따라 적절한 범위에서 선정될 수 있음은 당연하다. 홀의 모양은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형 등 어떤 모양이어도 무방하다.
상기 도전성 물질은 페이스트, 접착제 또는 잉크 타입의 것으로서, 인쇄(printing)나 적가(dropping), 토출(dispensing), 분사(jetting), 압인(stamping), 증착(sputtering)에 의해 상기 홀에 충진될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 염료감응 태양전지의 직렬구조 셀에서 단위셀을 전기적으로 연결하는 그리드가 금속띠의 형상으로 투명전극판과 대향전극판에 각각 형성되어 조립과정에서 서로 접촉하는 것이 아니라, 대향된 투명전극판과 대향전극판을 관통한 홀에 도전성 물질이 충진된 금속기둥의 형태이므로 단위셀에서 그리드 간 배열이 어긋날 우려가 없어 내구성이 크게 향상된다.
또한 본 발명에 의하면 그리드가 일체화된 금속기둥의 형태이므로 종래기술에서 금속띠 모양의 그리드를 사용한 경우와 같이 접촉면 사이에 격벽재가 퍼질 우려가 없기 때문에, 이를 방지하기 위하여 격벽재와 그리드 사이에 간격을 형성할 필요가 없으므로 수광부의 손실을 최소로 할 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 염료감응 태양전지 직렬구조 셀의 구조를 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 직렬구조 셀의 구조를 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 직렬구조 셀의 제조과정을 보여주는 조립도.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 직렬구조 셀의 제조과정을 보여주는 조립도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 직렬구조 셀의 구조를 보여주는 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 직렬구조 셀의 제조과정을 보여주는 조립도.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 염료감응 태양전지 직렬구조 셀의 제조과정을 보여주는 조립도.
이하 첨부된 도면과 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이러한 도면과 실시예는 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 염료감응 태양전지 직렬구조 셀의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 염료감응 태양전지 직렬구조 셀은 투명전극판, 대향전극판, 그리드, 격벽재 및 전해질을 포함하여 구성되는 통상의 염료감응 태양전지 직렬구조 셀에 있어서, 상기 그리드(40)는 상호 대향된 투명전극판과 대향전극판을 관통하는 홀(hole);과 상기 홀을 충진하는 도전성 물질;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다. 투명전극판, 대향전극판 및 격벽재의 구체적인 재질이나 구성, 이들의 조립 방법 등은 종래기술에서 다양하게 공지되어 있으며, 당업자라면 이 중 적절한 것을 선택하여 사용하는 것은 용이하므로 본 명세서에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 의한 염료감응 태양전지 직렬구조 셀은 예를 들면 도 3에 도시된 것과 같이, 통상의 투명전극 패턴이 형성된 투명전극판과 대향전극과 격벽재 패턴이 형성된 대향전극판의 그리드 형성 위치에 각각 미리 홀을 형성한 후, 투명전극판과 대향전극판을 합착하여 조립하고 홀을 통하여 도전성 물질을 충진하는 것에 의해 형성할 수 있다. 상기에서는 격벽재 패턴이 투명전극판에 형성된 것을 예를 들었으나, 대향전극판에 형성되거나, 대향전극판과 투명전극판 모두에 형성될 수 있음은 당연하다.
또는 도 4와 같이, 통상의 투명전극 패턴이 형성된 투명전극판과 대향전극과 격벽재 패턴이 형성된 대향전극판을 합착하여 조립한 후 투명전극판과 대향전극판을 관통하도록 홀을 형성하고, 상기 홀에 도전성 물질을 충전하는 것에 의해 형성할 수도 있다. 이때도 마찬가지로, 격벽재 패턴이 투명전극판에 형성된 것을 예를 들었으나, 대향전극판에 형성되거나, 대향전극판과 투명전극판 모두에 형성될 수 있음은 당연하다. 도 4의 조립공정에 의해 본 발명의 염료감응 태양전지 직렬구조 셀을 제조하는 경우에는, 각 단위셀간 격벽재가 도 3과 같이 이중 밴드의 패턴으로 되지않고 도 4와 같이 단일 밴드로 형성되어 있어도 무방하다. 이 때에는 홀을 투명전극판과 격벽재 및 대향전극을 관통하여 형성한다. 또는 도 4의 조립공정에 의하여 제조되는 경우에도 격벽재가 도 3과 같은 이중 밴드의 패턴일 수도 있다.
투명전극판과 대향전극판의 전도성기판과 그리드 간의 전기적 접속을 더욱 견고하게 하기 위하여, 도 4에는 투명전극판 및/또는 대향전극판의 전도성기판에 금속띠가 형성되어 있으며, 상기 홀은 금속띠를 관통하여 형성한 예를 도시하였다. 이 때, 상기 홀은 도 5에 도시된 바와 같이 금속띠를 따라 형성되게 되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 그리드는 전도성기판에 코팅된 전도성물질과 통전되는 것에 의해 단위셀을 전기적으로 연결시킨다. 이때, 단위셀 간 격벽재가 단일 밴드로 형성된 경우에는 그리드는 전도성기판과 전도성물질의 코팅층의 단면을 통해서만 접촉하게 된다. 그러나, 전도성기판을 형성하는 전도성물질의 코팅층은 매우 얇기 때문에 접촉 면적이 작으므로 도 4에 도시된 것과 같이 전도성 기판상에 금속띠를 형성하고, 상기 홀이 금속띠를 관통하여 형성되도록 함으로써 전도성기판과 그리드 간의 전기적 접속을 더욱 견고하게 하는 것이 더욱 바람직하다.
단위셀 간 격벽재가 이중 밴드의 패턴으로 형성된 경우에는 도 3에서 확인할 수 있듯이 상기 홀을 통해 전도성물질이 충진되어 그리드를 형성할 때 홀이 형성되지 않은 위치까지 함께 충진된다. 따라서, 그리드는 전도성물질의 코팅층 단면 뿐 아니라 홀이 형성되지 않은 위치의 전도성 기판의 대향면(투명전극판과 대향전극판이 마주보는 방향의 면)과도 접촉되므로 전기적으로 안정적으로 단위셀을 연결할 수 있다. 그러나 격벽재가 이중 밴드로 형성된 경우 역시 상기와 같이 금속띠를 먼저 형성하고 상기 홀이 금속띠를 관통하도록 형성하여도 무방하다.
상기의 구성에 의한 그리드 구조로 인하여 본 발명의 염료감응 태양전지 직렬구조 셀은 종래기술과 달리 투명전극판과 대향전극판에 각각 형성된 금속띠 모양의 그리드가 접촉하는 것이 아니므로 단위셀을 전기적으로 연결하는 그리드 배열이 어긋나 접촉저항이 증가하거나 전기적으로 단락될 우려가 없다. 또한, 그리드의 접촉면에 격벽재가 퍼짐으로 인하여 전기적 연결이 단락될 우려가 없으므로 격벽사이의 간격을 넓게 형성할 필요가 없어 수광부 손실을 줄일 수 있다.
본 발명에서 상기 홀의 직경은 0.1~2.0mm 인 것이 바람직하며, 드릴, 워터젯, 샌드블라스트, 펀칭이나 레이저조사 등에 의해 형성될 수 있다. 상기 홀의 직경이 너무 작으면 도전성물질의 충진이 어렵거나 단위셀 간 접촉저항이 증가할 수 있으며, 직경이 너무 크면 수광부의 손실이 증가한다.
이때, 상기 홀은 단위셀의 연결부위 당 하나 이상 형성되며, 복수개가 형성될 때에는 홀의 간격이 1~60mm가 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 홀 간격에 따른 태양전지의 효율을 비교하기 위하여 하기 표 1에 기재된 재질의 유효 면적(active area)이 8*100mm인 단위셀 2개를 표 2에 기재된 홀 간격에 따라 도 4와 같은 형태로 직렬연결하여 직렬구조 셀을 제작하였다. 각각의 직력구조 셀에 Newport/Oriel Solar Simulator(class 3A, 모델 : 94083A)을 사용하여 100mW/㎠의 태양광 모사광원을 조사하고, 이때 형성되는 광전류밀도(Jsc), 단락전압(Voc), 충밀도(fill factor)로부터 에너지 변환효율(η)을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 기재하였다.
표 2에서 확인할 수 있듯이 홀 간격이 증가하면 전지효율은 점차적으로 감소하여 홀 간격이 60mm 이상인 경우에는 급격하게 감소하였다. 이는 홀 간격의 증가에 따라 생성된 전자가 그리드 쪽으로 이동하면서 손실되어 생성된 전자 수집 능력이 떨어지기 때문이다. 따라서 홀 간격은 가능하면 좁은 것이 바람직하나 홀 간격이 너무 좁은 경우에는 홀 사이의 기판이 손상될 우려가 있고 홀 간격이 좁아짐에 따른 전지 효율의 증가 효과 역시 완만해지므로 1mm 이상인 것이 좋다. 홀 간격은 홀의 직경이나 단위셀의 크기에 따라 적절한 범위에서 선정될 수 있음은 당연하다.
단위셀의 연결부위에 형성되는 홀의 개수의 상한은 홀의 직경, 홀의 간격, 단위셀의 크기에 따라 결정되는 것으로 특정 수로 상한을 정하는 것은 무의미하다. 홀의 모양은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 삼각형, 다각형 등 어떤 모양이어도 무방하며 제한이 있는 것은 아니다.
상기 홀 내에 충진되는 도전성물질은 페이스트, 접착제 또는 잉크 타입일 수 있으며, 인쇄나 적가, 토출, 분사, 압인, 증착에 의해 상기 홀 내에 충진할 수 있다. 인쇄 방법으로는 스크린 프린팅(screen printing), 잉크-젯팅(ink-jetting)이나 패드프린팅(pad printing)을 이용할 수 있다.
전도성기판 : 10a,10b
기판 : 11a, 11b
전도성물질 또는 금속포일 : 12a, 12b
대향전극 : 13a
투명전극 : 13b
전해질 : 20
격벽재 : 30
그리드 : 40, 40a, 40b
기판 : 11a, 11b
전도성물질 또는 금속포일 : 12a, 12b
대향전극 : 13a
투명전극 : 13b
전해질 : 20
격벽재 : 30
그리드 : 40, 40a, 40b
Claims (8)
- 삭제
- 투명전극판, 대향전극판, 그리드, 격벽재 및 전해질을 포함하여 구성되는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀에 있어서,
상기 투명전극판과 대향전극판 중 하나 또는 양쪽 모두의 단위셀 직렬연결 부위의 전도성기판에 금속띠가 형성되어 있으며,
상기 그리드는 금속띠가 형성된 영역내에서 상호 대향된 투명전극판과 대향전극판 및 상기 금속띠를 관통하는 홀(hole);과
상기 홀을 충진하는 도전성 물질;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀.
- 제 2 항에 있어서,
상기 홀의 직경은 0.1~2.0mm인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀.
- 제 2 항에 있어서,
상기 홀의 간격은 1~60mm인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀.
- 제 2 항에 있어서,
상기 홀은 드릴, 워터젯, 샌드블라스트, 펀칭 또는 레이저조사에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀.
- 제 2 항에 있어서,
상기 도전성 물질은 페이스트, 접착제 또는 잉크 타입인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀.
- 제 2 항에 있어서,
상기 도전성 물질의 충진은 인쇄(printing)나 적가(dropping), 토출(dispensing), 분사(jetting), 압인(stamping), 증착(sputtering)에 의해 이루어 지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀.
- 제 2 항에 있어서,
상기 격벽재는,
단위 셀간 그리드를 사이에 두고 양측면에 이중밴드로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 직렬구조 셀.
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|---|---|---|---|---|
| KR101274535B1 (ko) * | 2011-11-25 | 2013-06-13 | (주)다이솔티모 | 태양전지용 후면 전극기판 제조장치 |
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