KR101038770B1 - 유효전지 면적이 증대된 염료감응 태양전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전도성 기판의 내면에 감광성 염료분자가 흡착된 나노입자 산화물이 코팅된 반도체전극판(10′), 전도성 기판의 내면에 나노금속, 탄소 등이 코팅된 대향전극판(10″)과, 상기 한 쌍의 전극판(10) 사이의 주변부를 일주하는 밀봉밴드층에 의해 형성된 밀폐공간 내부에 전해질층을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 전극판(10)의 수직 측면에 외부전극이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유효전지면적이 증대된 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 염료감응 태양전지에서 외부전극을 위한 데드존(=손실면적)을 없애거나 대폭 줄일 수 있으므로 유효전지 면적이 증대되고 이를 통해 단위면적당 전지효율을 높일 수 있게 된다.
또한, 외부전극을 위한 돌출부를 없앨 수 있기 때문에 외관불량(종래기술에서 외부전극이 돌출되어 있어 깨지기 쉬움) 감소, 모듈작업시 단위셀 배치 용이, 지그에 삽/탈착 편리 등 작업공정이 효율적으로 이루어지게 되며, 외부전극이 단위셀의 측면 또는 외면에 있으므로 외부에서 간편하게(예를 들면 리본납땜으로) 결선할 수 있다.

Description

유효전지 면적이 증대된 염료감응 태양전지{DSSC with Larger Active Area}

본 발명은 유효전지 면적이 증대된 염료감응 태양전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양전지의 외부전극 구조를 개선함으로써 실제 전력생산 기능을 하는 면적의 크기가 증가된 새로운 구조의 염료감응 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 염료감응 태양전지(DSSC: Dye-Sensitized Solar Cell)가 활발하게 연구되고 있다.

DSSC 단위셀은 전도성 기판 위에 감광성 염료분자가 흡착된 나노입자 산화물이 코팅된 반도체전극판, 전도성 기판위에 나노금속, 탄소 등이 코팅된 대향전극판 ― 반도체전극과 대향전극판의 전도성 기판 중 하나가 또는 둘 모두 투명재질임 ― 그리고 일정하게 이격된 상기 한 쌍의 전극판 사이의 전해질층으로 구성되어 있다. 상기 한 쌍의 전극판 사이에 충진된 전해질의 누출과, 외부로부터의 공기나 수분 등의 유입을 방지하기 위하여 상기 한 쌍의 전극판 사이의 내부공간은 완전히 밀봉되어 있다.

이러한 DSSC의 전력효율을 높이기 위해서 크게 ① DSSC를 구성하는 물질(특히 염료분자나 나노입자 산화물) 특성 ② DSSC 구조(단위셀 내부를 더 작은 공간으로 분할하는 구조 등) 및 ③ 단위셀들을 결선하고 결합하는 방법 등에 대한 연구개발이 이루어지고 있다. 그러나, 단위셀의 유효전지면적[Active Area; 실제 전력생산 기능을 하는 면적=감광성 염료분자가 흡착된 나노입자 산화물 면적] 비율을 증대시키고자 하는 노력은 전혀 이루어지지 않고 있다.

실제 태양전지의 출력을 높이기 위하여 위와 같이 구성되는 단위셀을 직렬 또는 병렬로 결선하여 태양전지 모듈을 구성하게 되는데, 단위셀의 결선을 위하여 단위셀 전극판의 주변부 일부(5~15㎜)가 외부로 노출되어 외부전극을 이루도록 설계되어 있다.(도 1a, 도 1b ; 공개특허 특허 10-2002-0078291, 도 1c ; 공개특허 10-2006-0012786)

그러나 이러한 종래기술에 의하면 태양전지 모듈에서 유효전지면적(도 1a, 1b에서 빗금친 부분, 도 1c에서 돌출된 부분)을 제외한 데드존(=손실면적)의 비율이 약 30~40% 정도이며, 이중 외부전극이 데드존의 약 1/3 정도인 것으로 조사되었다. 즉, 외부전극 면적이 태양전지 모듈 면적의 약 10% 이상을 차지하는 것이다.

따라서 DSSC에서 외부전극 면적감소에 따른 결선불량 문제를 초래하지 않으면서도 외부전극의 면적을 줄일 수 있다면 실리콘형 태양전지에 비해 전지효율이 낮다는 DSSC의 단점을 극복하는데 큰 기여를 할 수 있을 것이다.

공개특허 특허 10-2002-0078291 공개특허 10-2006-0012786 공개특허 10-2006-0012786

본 발명은 염료감응 태양전지에 있어서, 단락이나 접촉저항에 의한 전력손실 등과 같은 결선불량을 초래하지 않으면서도 데드존을 최소화할 수 있는 외부전극 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전도성 기판의 내면에 감광성 염료분자가 흡착된 나노입자 산화물이 코팅된 반도체전극판(10′)과 전도성 기판의 내면에 나노금속, 탄소 등이 코팅된 대향전극판(10″)으로 이루어진 한 쌍의 전극판(10; 10′, 10″): 상기 한 쌍의 전극판(10; 10′, 10″) 사이의 주변부를 일주하는 밀봉밴드층(20)에 의해 형성된 밀폐공간 내부에 전해질층을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 전극판(10)의 수직 측면에 외부전극(11)이 형성되어 있어 유효전지면적이 증대된 염료감응 태양전지(DSSC)를 제공한다. 통상의 DSSC가 그러하듯이 본 발명에 의한 염료감응 태양전지에서 외부전극은 타 단위셀들과의 결선을 위한 것으로서 상기 전극판(10)의 전극과 전기적으로 연결되어 있으며, 태양전지 당 두 개의 외부전극(11)이 형성된다.

본 발명은, 외부전극(11)이 전극판(10)의 측면에 형성된다는 점에서, 외부전극이 전극판 주변부의 내면에 형성되는 종래기술과 차별화된다. 즉, 종래기술에 의하면 외부전극이 형성되기 위해서 전극판의 주변부가 밀봉밴드층으로부터 소정 정도(5~15㎜) 돌출되어야만 하지만, 본 발명에 의하면 외부전극이 측면에 형성되므로 전극판(10)의 주변부가 밀봉밴드층으로부터 돌출될 필요가 없다는 것이다. 다만, 단위셀을 결선하여 제작되는 모듈의 구조나 결합방식에 따라서는 외부전극이 형성된 전극판의 주변부를 상기 밀봉밴드층으로부터 다소(5㎜ 이내)로 돌출되도록 하는 것을 배제하는 것은 아니다.

본 발명에서 기판의 "내면"이란 겹쳐지는 반도체전극판(10′)과 대향전극판(10″)의 마주보는 면을 의미하고, 기판의 "외면"은 기판 내면의 반대측 면을 의미한다. 전극판(10)의 "수직 측면"이란 상기 기판의 넓은 면을 수평면으로 볼 때 외곽말단(주변부)의 측면 즉, 기판의 내면과 외면 사이의 면을 의미한다.

본 발명에서 상기 외부전극(11)은 타 단위셀의 외부전극과의 편리한 결선을 위하여, 전극판(10)의 외면 주변부까지 확장되도록 하는 것이 바람직하다(도 3c). 태양전지 유효면적에 영향을 주지 않는 외면을 활용하므로 종래기술에서의 외부전극용 돌출부가 없더라도 외부전극의 폭을 증대시킬 수 있게 된다.

본 발명에 의하면 종래기술(도 1a~1c 참조)에서처럼 인접한 돌출 외부전극과의 결선을 위해 한 쌍의 전극판을 어긋나게 배치할 필요가 없게 된다. 따라서 본 발명에 상기 한 쌍의 전극판의 평면은 동일형상/동일면적이며, 완전하게 겹쳐진 구조로 하는 것이 바람직하다.

태양전지에서 외부전극(11)은 반도체전극판(10′)에 전기적으로 연결되는 (+)외부전극(대향전극판과는 절연됨)과, 대향전극판(10″)에 전기적으로 연결되는 (-)외부전극(반도체전극판과는 절연됨)으로 구성된다. 본 발명에 의한 DSSC에서, ① DSSC 단위셀의 위상을 교차시켜 결선하여 모듈을 제작하는 경우에는 상기 (+)외부전극과 (-)외부전극이 각각 반도체전극판(10′)과 대향전극판(10″)의 수직 측면에 형성되도록 하고(도 3a), ② DSSC 단위셀의 위상을 일정하게 결선하여 모듈을 제작하는 경우에는 상기 한 쌍의 외부전극(11) 중 하나를 밀봉밴드층(20)의 외면을 거쳐 다른 전극판(10)의 수직 측면으로까지 확장시켜 형성한다(도 3b, 3c). 즉, 상기 ②의 경우 하나의 전극판(10)의 대칭되는 양측에 각각 (+)외부전극과 (-)외부전극이 형성되도록 하는 것이다.

상기 ①, ② 모두 모듈작업시 인접한 단위셀의 (+)외부전극과 (-)외부전극이 직접 맞닿게 되므로 결선작업이 용이하게 된다.

전도성기판의 전기적 저항을 낮추기 위하여 전도성 기판 위에 금속 그리드(grid)를 형성하거나, 기판위에 금속 그리드를 형성하고 그 위에 전도성 박막을 도포한 것과 같은 직렬구조 또는 병렬구조의 격자형(또는 그리드형) 염료감응 태양전지가 알려져 있다. 본 발명은 이러한 격자형 DSSC에도 적용될 수 있다.

본 발명에서 구체적으로 외부전극을 형성하는 방법은 종래 알려진 다양한 전극 형성방법을 활용할 수 있다. 즉, 전극재료를 소정의 패드에 찍어서 바르는 패드 프린팅(pad printing), 전극재료가 도포된 롤러를 이용하는 롤러 프린팅(roller printing), 스퍼터링과 같은 증착법, 무전해 도금법 등 다양한 방법 중에서 작업여건에 맞는 것을 선택하여 활용할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면 다음과 같은 작동상, 제작공정상의 장점이 있다.

(1) 염료감응 태양전지에서 외부전극을 위한 데드존(=손실면적)을 없애거나 대폭 줄일 수 있으므로 유효전지 면적이 증대되고 이를 통해 단위면적당 전지효율을 높일 수 있게 된다.

(2) 외부전극을 위한 돌출부를 없앨 수 있기 때문에 외관불량(종래기술에서 외부전극이 돌출되어 있어 깨지기 쉬움) 감소, 모듈작업시 단위셀 배치 용이, 지그에 삽/탈착 편리 등 작업공정이 효율적으로 이루어지게 된다.

(3) 종래기술에 의하면 외부전극이 전극판의 내면에 형성되어 있고, 인접한 단위셀과 결선시 양측 외부전극이 접면하면서 두 전극판의 사이(내부)에 위치하게 된다. 따라서 전극판의 내부에 위치한 외부전극을 결선하는 공정이 복잡하다. 그러나 본 발명에 의하면 외부전극이 단위셀의 측면 또는 외면에 있으므로 외부에서 간편하게(예를 들면 리본납땜으로) 결선할 수 있다.

도 1a~1c는 종래기술에 의한 염료감응 태양전지 단위셀의 평면도 및 단면도, 모듈화된 구조의 평면도 및 단면도이다.
도 2는 종래기술에 의한 다양한 염료감응 태양전지 단위셀의 개념적 단면도이다.
도 3a~3c는 본 발명에 의한 다양한 염료감응 태양전지 단위셀의 개념적 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 다양한 염료감응 태양전지에서 인접한 단위셀이 결합하는 과정을 보여주는 개념적 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 염료감응 태양전지의 전면, 후면 및 단면의 개념도이다.
도 6은 본 발명에 의한 실시예 및 비교예에서 제작된 염료감응 태양전지의 단면 사진이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 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 종래기술에 의한 다양한 염료감응 태양전지 단위셀의 개념적 단면도이고, 도 3a~3c는 본 발명에 의한 다양한 염료감응 태양전지 단위셀의 개념적 단면도이다. 도 4는 본 발명에 의한 다양한 염료감응 태양전지에서 인접한 단위셀이 결합하는 과정을 보여주는 개념적 단면도이다.

도시된 바와 같이, 종래기술에 의하면 단위셀 전극판(10)의 주변부 일부(5~15㎜)가 외부로 노출되고 노출된 전극판(10)의 내면에 외부전극이 형성되어 있음(도 2)에 반하여, 본 발명에 의한 염료감응 태양전지에는 외부전극이 단위셀 전극판(10)의 수직 측면에 형성되어 있다(도 3a~3c). 도 3a는 한 쌍의 외부전극(11)이 각각 다른 전극판(10)의 수직 측면에 형성되어 있는 구조이고, 도 3c 및 3c는 하나의 외부전극(11)이 확장되어 동일한 전극판(10)의 수직 측면에 형성되어 있는 구조이다.

도면에서는 외부전극이 형성된 부분이 돌출되어 있는 예가 도시되어 있지 않으나, 작은 돌출부가 형성되고, 돌출된 전극판 내면 일부와 수직 측면 또는 돌출된 전극판 내면 일부와 수직 측면 및 외면 일부에 외부전극을 형성할 수도 있을 것이다.

< 실시예 1>

하기 표 1과 같은 규격으로 도 5에 도시된 바와 같이 그리드에 의해 8개의 영역으로 구획된 그리드형 DSSC를 제작하고 그 단면을 도 6에 도시하였다.

도 6 및 상기 표 1에서 확인할 수 있듯이, 실시예에 의한 DSSC는 종래 기술에 의한 DSSC와 동일한 유효전지 면적을 위하여 보다 적은 면적의 전극판(10)을 필요로 함으로써 유효면적률 증대효과를 보인다.

이는 동일한 단위면적에서 본 발명에 의한 DSSC를 적용하는 경우 종래기술에 비해 전지효율(전기 생산율)이 5%이상 증대된다는 것을 의미한다.

10 : 전극판
10′: 반도체전극판 10″: 대향전극판
11 : 외부전극 20 : 밀봉밴드층

Claims (5)

1. 전도성 기판의 내면에 감광성 염료분자가 흡착된 나노입자 산화물이 코팅된 반도체전극판(10′)과 전도성 기판의 내면에 나노금속, 탄소 등이 코팅된 대향전극판(10″)으로 이루어진 한 쌍의 전극판(10): 상기 한 쌍의 전극판(10) 사이의 주변부를 일주하는 밀봉밴드층(20)에 의해 형성된 밀폐공간 내부에 전해질층을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서,
   전극판(10)의 수직 측면에 외부전극(11)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유효전지면적이 증대된 염료감응 태양전지.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 외부전극(11)은 전극판(10)의 외면까지 확장되어 있는 것을 특징으로 하는 유효전지면적이 증대된 염료감응 태양전지.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 한 쌍의 전극판(10)의 평면은 동일형상/동일면적이며, 완전하게 겹쳐진 구조인 것을 특징으로 하는 유효전지면적이 증대된 염료감응 태양전지.
   
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 외부전극(11)이 형성된 전극판(10)의 주변부는 상기 밀봉밴드층(20)으로부터 5㎜ 이내로 돌출된 것을 특징으로 하는 유효전지면적이 증대된 염료감응 태양전지.
   
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 외부전극(11)은 동일한 전극판(10)의 대칭되는 양측에 형성되는 것을 특징으로 하는 유효전지면적이 증대된 염료감응 태양전지.

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