KR101062733B1 - 염료감응형 태양전지용 봉지재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 일정공간이 형성되게 투명 전극과 상대 전극이 대향되는 테두리부를 내열성과 내화학성 및 기계적 특성이 우수한 복합필름층 구조의 봉지재를 사용하여 밀봉시키는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재에 관한 것으로, 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층 사이에 상기 상하부 핫멜트 필름보다 용융점이 높고, 내화학성, 기계적 물성 등이 우수한 중간 필름층을 적층시킨 복합필름층 구조의 봉지재를 사용하여 염료감응형 태양전지를 밀봉시킴으로써, 전해질측의 두께 산포를 개선하여 전기 효율을 최적화하고 간단한 공정에 의해 염료감응형 태양전지를 밀봉시킬 수 있고, 또한 밀봉성이 우수하여 전해질의 누수와 산화를 방지하고, 염료의 손상을 예방할 수 있도록 함으로써, 염료감응형 태양전지의 내구성을 연장시킨 것이 장점이다.
염료감응형, 태양전지, 복합필름층, 봉지재, 핫멜트 필름, 투명 전극, 상대 전극, 전해질, 염료

Description

염료감응형 태양전지용 봉지재{Encapsulant For Dye Sensitized Solar Cell}
본 발명은 염료감응형 태양전지용 봉지재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 일정 크기의 공간이 형성되게 투명 전극과 상대 전극이 대향되는 테두리부를 내열성과 내화학성 및 기계적 특성이 우수한 복합필름층 구조의 봉지재를 사용하여 밀봉시킴으로써, 밀봉성이 우수하여 상기 공간 내에 충진된 전해질의 누수와 산화를 방지하고, 염료의 손상을 예방할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재에 관한 것이다.
최근 원유가격 급등과 온실가스 배출 관련으로 인해 에너지 수입의존도가 높은 나라들은 미래의 에너지와 환경문제를 극복할 수 있는 신재생에너지 개발 및 상용화가 절실한 상황이기 때문에, 미래 신재생에너지 중 무한한 태양빛을 에너지원으로 하는 환경 친화적인 태양전지의 중요성이 부각되고 있다.
이와 같은 태양전지는 태양광발전의 핵심기술로 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작된 광전지로써, 금속과 반도체의 접촉면 또는 반도체의 pn접합에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것이다.
일반적으로 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지(Crystalline-Si)와 박막 태양전지(Thin film)로 나누어지며, 현재 전 세계 태양전지의 90% 이상을 차지하는 결정질 실리콘 태양전지를 실리콘 덩어리를 얇은 기판으로 절단해 쓰게 되는데 실리콘 덩어리의 제조 방법에 따라 단결정과 다결정으로 구분된다. 그리고 결정질 실리콘 전지가 실리콘 원판을 사용하는 것과, 달리 박막 태양전지는 얇은 유리나 플라스틱 기판에 막을 입히는 방식으로 막의 종류에 따라 비정질 실리콘 전지, 구리-인듐-셀레늄 전지, 카드뮴-텔루륨 전지, 염료 감응형 태양전지 등으로 분류되어진다.
현재까지 다양한 종류의 태양전지가 개발되어 있으며, 이 중 상용화되어 가장 널리 사용되는 것이 실리콘계 태양전지이지만 실리콘계 태양전지는 태형의 고가 제조 장비, 실리콘 원료 가격 및 설치 장소의 한계로 인해 실질적인 대체에너지원으로 경제성이 미진한 실정이다.
염료 감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 이용하여 태양광에 반응하는 염료를 이용하여 전기를 생산하는 차세대전지이며 실리콘웨이퍼를 이용한 태양전지에 비하여 효율은 다소 떨어지나 제조원가가 약1/3 ~ 1/5 수준으로 유연(flexible) 기판에 투명 태양전지로 응용 가능하여 건물의 유리등 외관 색상을 다양하게 디자인 전기를 생산할 수 있다는 장점으로 주목받는 친환경 전지이다.
최근에는 낮은 생산 단가를 위해 실리콘을 전혀 사용하지 않고도 특정 염료를 사용해 태양으로부터 전기를 생산할 수 있는 염료 감응형 태양전지에 대한 세계 기업들의 관심이 높아지고 본격 양산 시대가 열릴 것으로 예상되는 가운데 전지의 안정성과 효율 향상을 위해 다양한 연구들이 진행되고 있다.
최근 개발되고 있는 태양전지용 봉지재에 대해 특허출원된 내용들을 살펴보면, 국내 등록특허공보 제0589322호에 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 판상 투명전극(제1전극(10) 및 제2전극(20))이 서로 면 접합된 샌드위치 구조이고, 한 투명전극(제1전극(10))의 이면에는 나노입자로 이루어진 다공질막(30)이 도포되어 있으며, 다공질막의 나노입자 표면에는 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광 감응 염료(35)가 흡착되어져 있는 염료감응 태양전지의 기본 구조가 제안되어 있으며, 이 두 투명전극 사이의 공간은 산화환원용 전해질(40)로 채워져 있고, 이러한 전해질(40)이 누수되거나 산화되는 것을 방지하기 위해 상기 두 전극을 접착시키는 접착제(50)로는 열가소성 고분자 필름을 사용할 수 있는데 일 예로는 상품명 설린(surlyn)이 있다. 이러한 열가소성 고분자 필름을 두 전극 사이에 위치시킨 후 가열 압착하여 밀폐시킨다
또한 국내 공개특허공보 특2003-0065957호에 도 2에 도시된 바와 같이, 전도성 유리 기판(12), 반도체 전극(10)과, 대향 전극(20)과, 이들 사이에 개재되어 있는 겔형 고분자 전해질(30)을 포함하고, 상기 두 전극을 접착시키는 고분자층(40)의 봉지재의 구조로 이루어진 염료감응 태양전지가 제안되어 있다.
또한 일본 공개특허공보 특개2004-095248호에 도 3에 도시되어진 바와 같이, 전해질(5)에 대한 내성이 우수하며 밀봉 성능이 높아 효율을 일정하게 유지되는 색소 증감형 태양전지를 제공하기 위해, 1개 이상의 히드로 실릴화 반응이 가능한 알케닐기를 포함하는 이소부틸렌계 중합체와 오르가노 수소 폴리실록산, 히드로 실릴화 촉매, 실란 커플즈제로 구성된 봉지제(7)가 제안되어 있다.
또한 일본공개특허 제2007-294387호에 도 4에 도시되어진 바와 같이, 전해질(15)에 대한 내성이 증가되고 누설 및 휘발을 억제 시켜 효율을 일정하게 유지하는 염료 감응형 태양전지를 제공하기 위해 2개 이상의 알케닐기를 가지고 분자의 주고리에 펠플루오르 폴리에테르 구조를 가지는 직쇄상 플루오르 폴리 에테르 화합물을 포함하고 분자 중에 2개 이상의 히드로 실릴기를 가지는 유기 규소 화합물과, 히드로 실릴화 반응 촉매를 포함하는 봉지제(7)가 제안되어 있다.
상기와 같와 같은 특허들에 제안되어 있는 기존의 염료 감응형 태양전지는 전해질에 대한 안정성이 우수한 복합필름층 구조의 봉지재를 이용하여 전해질이 외 부로 새어나오지 못하게 밀봉하는 특허에 대한 출원들이 대부분이며, 사용 시 열의 발생과 외부의 전극에서 가해지는 하중이나 충격, 전해질에 의한 산화 등에 의해 전극과 봉지재가 접착된 부분의 면에 미세한 틈새가 발생하거나 또는 봉지재의 균열 등 밀봉의 기술적 한계에 의해 전해질이 휘발되거나 또는 누수가 발생하게 되며, 약한 기계적 물성 등에 따라 장기 안정성의 약화와 강한 산화력에 의한 염료의 손상 등에 대한 문제점들이 제기되고 있는 실정이다.
따라서, 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위한 본 발명은 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층 사이에 상기 상하부 핫멜트 필름보다 용융점이 높고, 내화학성, 기계적 물성 등이 우수한 중간 필름층을 적층시킨 복합필름층 구조의 봉지재를 사용하여 투명 전극과 상대 전극이 대향되는 테두리부에 열을 가하여 밀봉시킴으로써, 염료감응형 태양전지를 간단한 공정에 의해 밀봉시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재를 제공함을 과제로 한다.
그리고 본 발명은 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층 사이에 상기 상하부 핫멜트 필름보다 용융점이 높고, 내화학성 및 기계적 물성 등이 우수한 중간필름층을 적층시킨 복합필름층 구조의 봉지재를 사용함에 따라 전극과 봉지재의 접합시 열에 의해 상하부 핫멜트 필름층이 접착 작용을 하고, 내열성, 내화학성 및 기계적 물성이 우수한 중간층에 의해 밀봉성이 우수하여 전해질의 누수와 산화를 방지하고, 염료의 손상을 예방할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재를 제공함을 다른 과제로 한다.
상기의 과제를 달성하기 위한 청구항 1에 기재된 발명인, 「태양광이 입사되는 투명 전극과, 이 투명 전극에 대향되게 배치되는 상대 전극 사이에 충진된 전해 질이 손실되지 않도록 상부 및 하부의 유리 기판의 테두리부를 밀봉시키는 염료감응형 태양전지용 봉지재에 있어서, 상기 투명 전극의 내면에는 나노입자가 도포된 다공성 나노입자층이 형성되고, 상기 봉지재는 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층 및 상하부 필름층 사이에 중간 필름층이 적층된 복합필름층 구조인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.」를 과제 해결 수단으로 한다.
그리고 청구항 2에 기재된 발명인, 「제 1항에 있어서, 상기 나노입자는 외부의 표면에 염료가 흡착된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.」를 다른 과제 해결 수단으로 한다.
또한 청구항 3에 기재된 발명인, 「제 2항에 있어서, 상기 이산화티탄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.」를 또 다른 과제 해결 수단으로 한다.
또한 청구항 4에 기재된 발명인, 「제 1항에 있어서, 상기 중간 필름층은 용융점의 온도 범위가 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층의 용융점 온도 범위보다 높고, 내열성, 내화학성 및 기계적 특성이 우수한 소재인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.」를 또 다른 과제 해결 수단으로 한다.
또한 청구항 5에 기재된 발명인, 「제 1항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층은 용융점의 온도 범위가 동일한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.」를 또 다른 과제 해결 수단으로 한다.
또한 청구항 6에 기재된 발명인, 「제 5항에 있어서, 상기 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층은 사용 소재가 비닐계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리아미드계 수지 또는 폴리아크릴계 수지 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.」를 또 다른 과제 해결 수단으로 한다.
또한 청구항 7에 기재된 발명인, 「제 4항에 있어서, 상기 중간 필름층은 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer) 소재로서, 열가소성 폴리우레탄계(TPU) 수지, 열가소성 폴리에스테르계(TPEE) 수지, 열가소성 폴리올레핀계(TPO) 수지 또는 열가소성 폴리아미드계(TPAE) 수지 중에서 1종을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.」를 또 다른 과제 해결 수단으로 한다.
상기의 과제 해결 수단에 의한 본 발명은 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층 사이에 상기 상하부 핫멜트 필름보다 용융점이 높고, 내화학성, 기계적 물성 등이 우수한 중간 필름층을 적층시킨 복합필름층 구조의 봉지재를 사용하여 염료감응형 태양전지를 밀봉시킴으로써, 간단한 공정에 의해 염료감응형 태양전지를 밀봉시킬 수 있고, 또한 밀봉성이 우수하여 전해질의 누수와 산화를 방지하고, 염료의 손상을 예방할 수 있도록 함으로써, 발전효율의 인자인 모듈내 전해질층의 두께를 균일화 할수 있다는 점에서 염료감응형 태양전지의 내구성을 연장시킨 것이 장점이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면인 도 5 내지 도 10에 의거하여 상세히 설명하며, 본 발명은 일반적인 구조를 갖는 염료감응형 태양전지의 투명 전극과 이에 대향되게 배치되는 상대 전극사이에 일정한 크기의 공간이 형성될 수 있도록 양 전극의 테두리부를 밀봉시키기 위한 복합필름층 구조의 봉지재에 특징이 있는 발명으로 본 발명에서 각 도면 및 상세한 설명에서 일반적인 염료감응형 태양전지로부터 이 분야의 종사자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 도시 및 언급은 간략히 하거나 생략하였다.
본 발명의 명세서에 첨부된 도면인 도 5는 본 발명에 적용하는 일반적인 염료감응형 태양전지를 나타낸 사시도이고, 도 6은 상기 도 5의 염료감응형 태양전지를 분리하여 나타낸 분리사시도이며, 도 7은 상기 도 5의 A부분에 해당하는 본 발 명에 따른 염료감응형 태양전지를 밀봉시킨 상태의 봉지재를 나타내는 단면도이고, 도 8은 도 7의 염료감응형 태양전지가 봉지재에 의해 밀봉되기 전에 전극과 봉지재가 분리된 상태를 나타낸 분리사시도이며, 도 9는 본 발명에 염료감응형 태양전지의 상부 및 하부전극 간에 봉지재를 적층시켜 접착시키기 전의 상태를 나타낸 단면도이고, 도 10(a) 및 도 10(b)는 본 발명에 따른 봉지재가 밀봉되기 전의 상태(a)와 밀봉된 후의 상태(b)의 단면 구조를 나타낸 단면도에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 봉지재를 첨부된 도면인 도 5 내지 도8을 중심으로 상세히 설명하면,
본 발명은 도 5 내지 도 7에 도시되어진 바와 같이, 태양광이 입사되는 투명 전극(10)과, 이 투명 전극(10)에 대향되게 배치되는 상대 전극(20) 사이에 충진된 전해질(30)이 손실되지 않도록 상부 및 하부의 유리 기판(11, 21)의 테두리부를 밀봉시키는 염료감응형 태양전지용 봉지재에 있어서,
상기 투명 전극(10)의 내면에는 나노입자가 도포된 다공성 나노입자층(50)이 형성되고,
상기 봉지재(40)는 상부 핫멜트 필름층(41)과 하부 핫멜트 필름층(43) 및 상하부 필름층(42) 사이에 중간 필름층이 적층된 복합필름층 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 적용되는 염료감응형 태양전지는 도 5 내지 도 7에 도시되어진 바와 같은 통상적인 구조를 갖는 염료감응형 태양전지로서, 상기 투명 전극(10)은 외부에 태양광이 투과되는 유리기판(11)이 배치되고, 그 내부에 나노입자가 도포된 다공성 나노입자층(50)이 형성되어지고, 또한 상기 투명 전극(10)과 상대 전극(20)의 사이에 형성된 공간은 다층 구조를 갖는 필름층의 봉지재(40)에 의해 양 전극의 테두리부가 밀봉되어지고, 전해질 주입공(31)을 통해 전해질(30)이 상기 공간 내에 충진된 다음 밀봉캡(32)에 의해 봉해지는 구조이다.
이하, 본 발명에 적용되는 염료감응형 태양전지는 통상적인 구조로서, 태양전지를 구성하는 기술적 구성에 대하여 상세히 설명하면 아래의 내용과 같다.
본 발명에서 상기 투명 전극(10)은 ITO(indium tin oxide) 또는 SnO2가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판(11)의 내면에 위치하는 투명전극으로, 그 내면에 n형 반도체 역할을 하는 반도체 산화물인 나노입자층(50)의 도포에 의해 다공층이 형성되어 지고, 상기 나노입자층(50)의 나노입자 표면에는 염료(60)가 화학적으로 흡착되어 염료층을 형성한다.
상기 나노입자는 이산화티탄(TiO2)인 것이 바람직하고, 상기 염료(60)는 루 테늄계 유기금속 화합물, InP, CdSe 등의 양자점 무기화합물 등을 사용하며, 이들 중 대표적으로 사용되고 있는 염료는 붉은색을 띄는 N3, N719와 검은색을 띄는 테르피리딘(terpyridine) 리간드를 갖는 N749 염료 등이 바람직하다.
그리고 상기 전해질(30)은 아세토니트릴계, MPN계 및 BPN계등의 요오드 이온 화합물 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것이 바람직하며, 봉지재와 항상 접하게 되므로, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 봉지재는 태양열에 의해 가열되는 열에 충분히 견딜 수 있도록 내열성이 우수할 뿐만 아니라 상기 전해질의 화학적 특성에도 충분한 내성을 갖는 내화학성 및 기계적 특성이 우수한 조건을 갖는 소재로 이루어져야 한다.
이와같은 구조를 갖는 본 발명에서 적용되는 염료감응형 태양전지는 상부 및 하부의 유리 기판(11, 21) 내부에 투명 전극(10)과, 이 투명 전극에 대향되게 상대 전극(20)이 각각 배치되어진다. 그리고 투명 전극(10)과 상대 전극(20) 사이에 일정한 크기의 공간이 형성되도록 상부 및 하부의 유리 기판(11, 21)의 테두리부를 복합필름층 구조의 봉지재(40)를 사용하여 밀봉시킬 수 있는 구조이다.
그리고 상기 상대 전극(20)은 전도성 유리 기판(21), 예를 들면 ITO 또는 SnO2가 코팅되어 있는 투명한 전도성 유리 기판(21) 위에 백금층(22)이 코팅되어 있 는 구조로서, 상기 대상 전극(20)의 백금층(22)은 상기 투명 전극(10)의 나노입자의 다공층(50)과 대향하도록 배치되어진다.
그리고, 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 봉지재에 대하여 구체적으로 설명하면 아래의 내용과 같다.
본 발명에서 사용하는 봉지재(40)의 소재는 투명 전극(10)과 상대 전극(20) 사이에 형성된 공간에 충진되는 전해질(30)인 각종 고분자 화합물의 화학적 특성에 견딜 수 있는 소재로서, 내열성, 내화학성 및 기계적 물성 등이 우수한 소재를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기 중간 필름층(42)은 용융점의 온도 범위가 상부 핫멜트 필름층(41)과 하부 핫멜트 필름층(43)의 용융점 온도 범위보다 높고, 내열성, 내화학성 및 기계적 특성이 우수한 소재인 것이 바람직하다.
또한 상기 상부 핫멜트 필름층(41)과 하부 핫멜트 필름층(43)은 용융점의 온도 범위가 동일한 것이 바람직하다.
그리고 상기 중간 필름층(42)은 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer) 소재로서, 열가소성 폴리우레탄계(TPU) 수지, 열가소성 폴리에스테르 계(TPEE) 수지, 열가소성 폴리올레핀계(TPO) 수지 또는 열가소성 폴리아미드계(TPAE) 수지 중에서 1종을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 상부 핫멜트 필름층(41)과 하부 핫멜트 필름층(43)은 사용 소재가 상기 중간 필름층(42)의 용융점의 온도 범위보다 낮은 용융점의 온도범위를 갖는 핫멜트 필름 소재로서, 비닐계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리아미드계 수지 또는 폴리아크릴계 수지 중에서 1종을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 봉지재(40)를 사용하여 염료감응형 태양전지의 테두리부를 밀봉시키는 과정을 살펴보면, 먼저 도 8에 도시된 바와 같이 투명 전극(10)과, 이 투명 전극(10)에 대향되게 배치되는 상대 전극(20)의 외부에 배치된 상부 및 하부의 유리 기판(11, 21)의 테두리부에 도 9에 도시되어진 바와 같이 상부 핫멜트 필름층(41)과 하부 핫멜트 필름층(43) 사이에 상기 상하부 핫멜트 필름층(41, 43)보다 용융점이 높고, 내화학성, 기계적 물성 등이 우수한 중간 필름층(42)을 적층시킨 복합필름층 구조의 봉지재를 사용하여 양 전극(10, 20)의 외부 즉, 유리 기판(11, 21)에서 진공상태에서 열을 가하여 압착시키면, 도 10(a)에 도시되어진 바와 같이 상부 핫멜트 필름층(41), 중간 필름층(42) 및 하부 핫멜트 필름층의 구조가 도 10(b)에 도시되어진 바와 같이 상부 및 하부의 핫멜트 필름층(41, 43)이 각각 용융되면서 상부 핫멜트 필름층(41)은 상부 및 하부의 유리 기판(11, 21)에 각 각 접착되어지고, 하부 핫멜트 필름층(41)은 상대 전극(20)과 중간 필름층(42)에 각각 접착되는 현상이 동시에 일어나면서 피착제인 상부 및 하부의 유리 기판(11, 21)이 각각 중간 필름층(42)에 접착되어지게 된다.
상기의 설명을 실예를 들어 설명하면, 상부 핫멜트 필름층(11)과 하부 핫멜트 필름층(12)의 녹는점 온도가 중간 필름층(15)의 녹는점 온도보다 낮은 것이 바람직하다.(아래 예는 제가 임의로 작성한 것으로 실제 가하는 열의 온도 및 진공압을 기재할 것)
즉, 본 발명에서 상기 핫멜트 필름층(41, 43)은 비닐계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리아미드계 수지 또는 폴리아크릴계 수지가 상하부 핫멜트 필름층(11, 12) 사이에 적층된 중간 필름층(42)인 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer) 소재인 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리아미드수지 또는 폴리아크릴계 수지들 및 상하부 유리기판(11, 21)과의 완전한 접착을 유도하기 위하여 녹는점의 온도가 100~150℃인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 중간 필름층(42)은 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer) 소재로서 녹는점의 온도가 160~170℃인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
따라서, 염료감응형 태양전지의 상하부 유리기판(11, 21) 사이에 상부층 및 하부층의 핫멜트 필름층(41, 43)이 각각 양 전극을 중간 필름층(42)의 구조로 이루어진 복합필름층 구조의 봉지재를 사용하여 적층시킨 다음 상하부 유리기판(11, 21)의 외부에서 -760 mmHg의 진공상태에서 0.15 MPa 압력으로 100~150℃의 온도로 열을 가하면, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 봉지재(40)는 상부층 및 하부층의 핫멜트 필름층(41, 43)이 각각 상하부 유리기판(11, 21)과 중간 필름층(42)과 접착시키는 작용을 하고, 내열성, 내화학성 및 기계적 특성이 우수한 중간 필름층(42)은 상기의 온도에서 용융되지 않고, 상부 및 하부의 유리 기판(11, 21) 사이에 형성된 공간의 간격을 유지시키면서 밀봉시키는 봉지재(40)의 작용을 하게 된다.
본 발명에서 상하 핫멜트 필름층(41, 43)의 두께는 각각 35±2 ㎛이며, 중간 필름층(42)의 두께는 25±2 ㎛인 것이 바람직하며, 상기의 두께는 설계조건에 따라 변경되어질 수 있다.
그리고 상기와 같은 방법에 의해 복합필름층 구조의 봉지재(40)를 사용하여 염료감응형 태양전지의 테두리부를 밀봉시킨 다음 상대 전극(20) 및 유리기판(21)에 형성된 전해질 주입공(31)을 통해 공간 내부에 전해질을 충진시킨 다음 전해질 주입공(31)을 밀봉캡(32)을 이용하여 밀봉시키면 도 7에 도시되어진 바와 같은 구 조를 갖는 염료감응형 태양전지가 제조되어진다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지용 봉지재(40)는 종래의 봉지제가 장기간 사용시 외부의 충격이나 또는 압력, 사용 시 열의 발생과 전해질에 의한 산화 등에 의해 전극과 봉지재가 접착된 부분에 미세한 틈새가 발생하거나 또는 봉지재의 균열 등이 발생하는 것과는 달리, 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층(41, 43) 사이에 상기 상하부 핫멜트 필름보다 용융점이 높고, 기계적 물성이 우수한 중간 필름층(42)을 적층시킨 복합필름층 구조의 봉지재(40)를 사용함에 따라 상부 및 하부의 유리 기판(11, 21)과 봉지재의 접합시 열에 의해 상하부 핫멜트 필름층(41, 43)이 접착 작용을 하고, 내열성, 내화학성 및 기계적 물성이 우수한 중간 필름(42)층에 의해 내구성이 우수하여 전해질(30)의 누수와 산화를 방지하고, 염료(60)의 손상을 예방할 수 있도록 하는 것이 특징이다.
이하 본 발명을 아래의 실시예에 의거하여 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 아래의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것은 아니다.
1. 복합필름층 구조의 봉지재를 사용한 염료감응형 태양전지의 제조
(실시예 1)
상부 유리기판(11), N719 염료가 흡착된 이산화티탄(TiO2) 나노입자층을 형성시킨 투명전극(10), 복합필름층 구조의 봉지재(40), 상대전극(20) 및 하부 유리기판(21)을 적층시킨 다음 -760mmHg의 진공상태에서 0.15MPa의 압력으로 145℃로 열을 가하여 염료감응형 태양전지를 제조한 다음 MPN 계 전해질을 충진하고 밀봉 캡으로 밀봉시켰다.
본 실시예 1에서 사용한 다층 핫멜트 필름층(41, 43)의 소재는 폴리에스테르계 필름으로 두께가 각각 35±2 ㎛이고, 중간 필름층(42)의 두께는 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer) 소재는 용융점이 160℃인 TPEE(폴리에스테르계) 필름으로 두께가 25±2 ㎛인 필름을 사용하였다.
(실시예 2)
실시예 1과 동일한 구조를 갖는 염료감응형 태양전지를 제조하되, 본 실시예 2에서 사용한 다층 핫멜트 필름층(41, 43)의 소재는 비닐계 필름으로 두께가 각각 35±2 ㎛이고, 중간 필름층(42)의 두께는 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer) 소재는 용융점이 160℃인 TPEE(폴리에스테르계) 필름으로 두께가 25±2 ㎛인 필름을 사용하였다.
(비교예 1)
실시예 1과 동일한 구조를 갖는 염료감응형 태양전지를 제조하되, 상기 복합필름층 구조의 봉지재(40) 대신 두께가 80㎛인 아이어노머레진 소재의 봉지재를 사용하여 제조하였다.
상기 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1의 시료를 태양광과 같은 효과를 나타낼수 있는 UV램프가 설치된 장치에 2주간 방치하였을 때 실시예 1, 실시예2 및 비교예1의 시료를 육안 관찰 하였을때 실시예 1, 2의 경우 내부 MPN 계 전해질의 누유가 발생하지 않았지만 비교예 1의 경우 내부 MPN 계 전해질의 누액이 발생되는 것을 볼수 있었다.
이는 태양광에 노출된 염료감응형 태양전지의 내부 온도가 50℃이상으로 올라가며 이에 따른 각각의 구조물 유리기판, 전해질 및 봉지재의 열팽창계수의 차이에 의하여 실시예1, 2의 경우 접착력에 변화가 없으나, 비교예1의 경우 낮은 내열온도에 의하여 유리기판과의 접착력이 약해져 전해질의 누액의 원인이 되는 것을 볼수 있다.
또한 실시예 1, 2 시료의 경우에는 복합필름층 구조의 봉지재에서 상하부 핫멜트 필름층 접착제의 역할을 하고, 중간 필름층인 열가소성 필름이 전해질이 충진되는 공간을 확보하는 상하부 유리기판의 간격을 지지하는 역할을 하는데 반해 비교예 1 시료의 경우에는 봉지재로서 아이어노머레진과 같은 단일 종류의 고분자 화 합물을 접착 및 간격 유지를 위한 작용을 하도록 사용함에 따라 염료감응형 태양전지의 효율이 떨어진다는 것을 추측할 수 있다.
상술한 바와 같은, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 염료감응형 태양전지용 봉지재를 상기한 설명 및 도면에 따라 도시하였지만, 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다는 것을 이 분야의 통상적인 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 염료감응형 태양전지를 밀봉시킨 상태의 봉지재를 나타내는 단면도,
도 2는 종래의 다른 염료감응형 태양전지를 밀봉시킨 상태의 봉지재를 나타내는 단면도,
도 3은 종래의 또 다른 염료감응형 태양전지를 밀봉시킨 상태의 봉지재를 나타내는 단면도,
도 4는 종래의 또 다른 염료감응형 태양전지를 밀봉시킨 상태의 봉지재를 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명에 적용하는 일반적인 염료감응형 태양전지를 나타낸 사시도,
도 6은 상기 도 5의 염료감응형 태양전지를 분리하여 나타낸 분리사시도,
도 7은 상기 도 5의 A부분에 해당하는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지를 밀봉시킨 상태의 봉지재를 나타내는 단면도,
도 8은 도 7의 염료감응형 태양전지가 봉지재에 의해 밀봉되기 전에 전극과 봉지재가 분리된 상태를 나타낸 분리사시도,
도 9는 본 발명에 염료감응형 태양전지의 상부 및 하부전극 간에 봉지재를 적층시켜 접착시키기 전의 상태를 나타낸 단면도,
도 10(a) 및 도 10(b)는 본 발명에 따른 봉지재가 밀봉되기 전의 상태(a)와 밀봉된 후의 상태(b)의 단면 구조를 나타낸 단면도에 관한 것이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 투명 전극 11 : 유리기판
20 : 상대 전극 21 : 유리기판
22 : 백금층 30 : 전해질
31 ; 전해질 주입공 32 : 밀봉캡
40 : 봉지재 41 : 상부 핫멜트 필름층
42 : 중간 필름층 43 : 하부 핫멜트 필름층
50 : 나노입자층 60 : 염료

Claims (7)

  1. 태양광이 입사되는 투명 전극과, 이 투명 전극에 대향되게 배치되는 상대 전극 사이에 충진된 전해질이 손실되지 않도록 상부 및 하부의 유리 기판의 테두리부를 밀봉시키는 염료감응형 태양전지용 봉지재에 있어서,
    상기 투명 전극의 내면에는 나노입자가 도포된 다공성 나노입자층이 형성되고,
    상기 봉지재는 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층 및 상하부 필름층 사이에 중간 필름층이 적층된 복합필름층 구조인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 나노입자는 외부의 표면에 염료가 흡착된 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 나노입자는 이산화티탄(TiO2)인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 중간 필름층은 용융점의 온도 범위가 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층의 용융점 온도 범위보다 높은 소재인 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.
  5. 제 1항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층은 용융점의 온도 범위가 동일한 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 상부 핫멜트 필름층과 하부 핫멜트 필름층은 사용 소재가 비닐계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 폴리에틸렌계 수지, 폴리아미드계 수지 또는 폴리아크릴계 수지 중에서 1종 또는 그 이상을 선택하여 사용하는 것을 특징 으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 중간 필름층은 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer) 소재로서, 열가소성 폴리우레탄계(TPU) 수지, 열가소성 폴리에스테르계(TPEE) 수지, 열가소성 폴리올레핀계(TPO) 수지 또는 열가소성 폴리아미드계(TPAE) 수지 중에서 1종을 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지용 봉지재.
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