KR101079198B1 - 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 핀홀(pin-hole)을 이용하여 정밀하게 레이저 출력을 조절하여 실링 공정을 진행하는 것에 의해 공정 효율성을 높인 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법에 관한 것으로, 그 구성은 염료감응형 태양전지의 기판을 합착하기 위한 레이저를 출력하는 레이저 출력단;레이저 나이프 엣지(knife-edge) 방법으로 구한 발산각을 이용하여 레이저 빔 사이즈를 찾아 레이저 출력단에서 출력되는 레이저 출력을 조정하는 레이저 파워 조절 수단;합착 공정시에 상기 레이저 파워 조절 수단을 통과한 레이저가 염료감응형 태양전지의 기판의 실링 영역에 조사되도록 상기 염료감응형 태양전지의 기판을 이동시키는 X-Y 테이블;을 포함한다.
태양전지, 염료감응형, 가우스 모드, 단일모드 빔, 저출력 레이저

Description

염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법{System and Method for sealing of dye-sensitized solar cell}
본 발명은 염료감응형 태양전지의 제조에 관한 것으로, 구체적으로 핀홀(pin-hole)을 이용하여 정밀하게 레이저 출력을 조절하여 실링 공정을 진행하는 것에 의해 공정 효율성을 높인 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근에는 눈에 띄게 감소하는 화석 연료의 축적량과 증가하는 온실가스 배출량, 그리고 급등하는 국제유가 등으로 인한 문제를 해결하기 위해 세계는 기존 에너지원에 대한 의존도를 줄이기 위한 신, 재생 에너지 개발에 박차를 가하고 있다.
다양한 신, 재생 에너지 이용방법 중에서 태양에너지를 활용한 태양광발전은 무한성, 청정성, 안정성을 겸비하고 국내 활용여건에서도 적합한 발전 형태이다.
식물의 광합성 원리에 기초한 염료감응형 태양전지는 통상적으로 유리 기판위에 투명전도막이 코팅된 투명전극, 닥터블레이드 방식 또는 스크린프린팅 방식으로 도포된 나노입자의 다공질 금속산화물, 포톤 입자를 흡수하는 염료분자층으로 구성된 광전극과, 투명전극 위에 스퍼터링 또는 도금 방식으로 코팅된 백금층으로 구성된 상대전극과, 그리고 두 전극 사이에 산화환원용 전해질이 채워져 있는 구조이다.
이와 같은 염료감응형 태양전지는 광전극이 형성된 유리 기판과, 상대 전극이 형성된 유리 기판을 대향시켜 합착시키는 실링 공정을 진행한다.
종래 기술의 실링 공정에서는 보통 핫 프레스(hot-press) 및 인두기를 사용하여 합착하는 방법이 사용되고 있다.
그러나 이와 같은 핫 프레스 및 인두기를 이용한 실링 공정은 실링 부분을 포함하는 염료감응형 태양전지의 전 표면에 100℃ 이상의 열이 가해지는 문제가 있다.
또한, 핫 프레스를 이용합 압착시에 누르는 힘이 균일 하지 못하여, 염료감응형 태양전지의 유리 기판이 깨지고, 그 비대칭적으로 눌러지는 힘으로 밀봉력을 감소시켜 발생하는 미세한 틈으로 염료감응형 태양전지의 전해질이 외부로 증발하게 된다.
이와는 반대로 비대칭적으로 눌러지는 힘으로 밀봉력을 감소시켜 발생하는 미세한 틈으로 외부로부터 수분이 유입되어 효율이 나빠지는 단점이 있다.
그리고 인두기를 사용하여 실링을 하는 경우에는 염료감응형 태양전지의 자동화 제작할 때 제조시간과 그리고 투입되는 인력 또한 많이 든다.
특히, 염료감응형 태양전지는 투명전극, 금속산화물, 염료 상대전극 및 전해질과 같이 여러 층으로 구성함으로 서로 열팽창 계수와 열전도도가 달라서, 적은 온도차에서 쉽게 깨지고 밀봉효과가 저하될 수 있다.
이는 염료감응형 태양전지 내부의 전해질이 외부로 누출되어 염료감응형 태양전지의 효율이 떨어지는 원인이 된다.
따라서, 염료감응형 태양전지를 제조하기 위한 상,하부 기판의 합착을 위한 실링 공정시에 공정 방법을 개선하여 효율 및 안전성, 내구성을 높일 수 있는 새로운 방법이 필요하다.
본 발명은 염료감응형 태양전지의 제조시에 핀홀(pin-hole)을 이용하여 정밀하게 레이저 출력을 조절하여 실링 공정을 진행하는 것에 의해 공정 효율성을 높인 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 핫 프레스 및 인두기 사용으로 인한 열확산 문제 및 밀봉 문제를 해결하여 염료감응형 태양전지의 안전성 및 내구성을 개선할 수 있도록 한 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 AC 60Hz 전원으로 구동되는 저출력 CO2 레이저의 단일모드 빔과 핀 홀(pin-hole)을 이용하여, 염료감응형 태양전지의 유리기판을 열적으로 손상없이 봉합시킴으로써 효율 및 안전성, 내구성을 크게 향상시킬 수 있도록 한 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 실링 시스템은 염료감응형 태양전지의 기판을 합착하기 위한 레이저를 출력하는 레이저 출력단;레이저 나이프 엣지(knife-edge) 방법으로 구한 발산각을 이용하여 레이저 빔 사이즈를 찾아 레이저 출력단에서 출력되는 레이저 출력을 조정하는 레이저 파워 조절 수단;합착 공정시에 상기 레이저 파워 조절 수단을 통과한 레이저가 염료감응형 태양전지의 기판의 실링 영역에 조사되도록 상기 염료감응형 태양전지의 기판을 이동시키는 X-Y 테이블;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 레이저 출력단은 AC 60Hz 전원으로 구동되어 CO2 레이저의 단일 모드 빔을 출력하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 레이저 파워 조절 수단은 상기 레이저 출력단에서 출력되는 레이저 빔의 사이즈를 조절하기 위하여 핀홀 형태로 구성되는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 실링 방법은 염료감응형 태양전지의 기판을 합착하기 위하여,나이프 엣지(knife-edge) 방법으로 구한 발산각을 이용하여 실링폭을 선택하는 단계;레이저 빔 출구와 핀홀 형태의 레이저 파워 조절 수단 간의 거리를 조정하고, 상기 핀홀의 지름을 조절하여 단위 면적당 조사되는 에너지 크기를 조절하는 단계;상기 염료감응형 태양전지의 기판을 X-Y 방향으로 이동시켜 상기 핀홀을 통과한 레이저가 실링 영역에 조사되도록 하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 염료감응형 태양전지의 기판이 레이저 빔의 웨이스트(waist) 부분이내의 거리에 위치된 상태에서 실링 공정을 진행하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 염료감응형 태양전지의 제조시에 핀홀(pin-hole)을 이용하여 정밀하게 레이저 출력을 조절하는 것이 가능하다.
둘째, 레이저 응용 기술을 이용하여 실링을 하는 것에 의해 공정의 효율성을 높일 수 있다.
셋째, 실링 공정시의 열확산 문제를 해결하고 충분한 밀봉력을 확보할 수 있어 염료감응형 태양전지의 안정성 및 내구성을 개선할 수 있다.
넷째, 충분한 밀봉력을 확보하는 것에 의해 내부의 전해질이 외부로 누출되는 것을 막아 염료감응형 태양전지의 효율 저하를 막는다.
다섯째, 단위 면적당 조사되는 레이저 파워를 조절하여 다양한 실링지 폭에 대해서도 실링이 가능하다.
따라서, 레이저를 이용하여 실링하는 공정을 공장 자동화에 응용하는 것이 가능하다.
이하, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 염료감응형 태양전지의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 구성도이다.
본 발명은 AC 60Hz 전원으로 구동되는 저출력 CO2 레이저의 단일모드 빔과 핀 홀(pin-hole)을 이용하여, 염료감응형 태양전지의 유리기판을 열적으로 손상없이 실링할 수 있도록 한 것이다.
도 1은 실링이 이루어진 염료감응형 태양전지의 구성을 나타낸 것이다.
도 1에서와 같이 염료감응형 태양전지는 투명전극, 금속산화물, 염료 상대전극 및 전해질과 같이 여러 층으로 구성된다.
따라서, 실링 공정시에 가해지는 열적 손상을 최소화하는 것이 필요하다.
이를 위하여 본 발명에서는 도 2에서와 같이 레이저 출력단(20)과, 레이저 나이프 엣지(knife-edge) 방법으로 구한 발산각을 이용하여 레이저 빔 사이즈를 찾아 레이저 출력단(20)에서 출력되는 레이저 출력을 미세 조정하는 레이저 파워 조절 수단(21)과, 합착 공정시에 염료감응형 태양전지의 기판을 이동시키는 X-Y 테이블(22)을 포함하는 염료감응형 태양전지의 실링 시스템을 제공한다.
도 3은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 구성도이고, 도 4는 AC 60Hz 전원 사용시, 방전전류 및 레이저 출력에 대한 관계와 레이저 빔의 모드에 관한 그래프이다.
본 발명은 도 3에서와 같은 X-Y 테이블을 이용하여 합착 공정시에 염료감응형 태양전지의 기판을 최적으로 이동 속도로 이동시키며 실링을 진행한다.
본 발명은 레이저 파워 조절 수단(21 즉, 핀홀(pin-hole)을 이용하여 미세하게 CO2 레이저의 출력을 조절하고, 빔의 웨이스트(waist) 부분이내에서 타겟의 거리를 고정하여 실링지의 폭을 고려하여 실링한다.
이는 레이저 파워 조절 수단(21)으로 단위 면적당 조사되는 레이저 파워를 조절하여 염료감응형 태양전지의 다양한 실링지 폭에 대해서도 실링이 가능하다는 것을 의미한다.
이와 같이 본 발명은 투명전극, 금속산화물, 염료 상대전극 및 전해질과 같이 여러 층으로 구성하는 염료감응형 태양전지의 유리 기판을 저 출력 단일모드의 CO2 레이저의 출력을 핀 홀(pin-hole)을 이용하여, 정밀하게 에너지를 조절함으로써, 태양전지의 실링을 최적화할 수 있도록 한 것이다.
도 3은 (2.5cm(a) × 2cm(b) × 4.5cm(D), 유효면적 : 1cm2 )의 태양 전지를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 실링 방법은 크게 발산각을 이용하여 실링폭을 선택하는 단계와, 단위 면적당 조사되는 에너지 크기를 조절하는 단계와, 염료감응형 태양전지의 기판을 X-Y 방향으로 이동시켜 상기 핀홀을 통과한 레이저가 실링 영역에 조사되도록 하는 단계를 포함한다.
이하에서 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 실링 방법을 구체적으로 설명한다.
도 2에서와 같이 실링 시스템을 구성하여 레이저 출력단(20)을 통하여 저출력 AC 60Hz 레이저의 단일모드 빔을 출력하고, 레이저 파워 조절 수단(21)을 이용하여 염료감응형 태양전지의 실링공정을 진행하면, 레이저 빔이 염료감응형 태양전지의 실링표면에 조사되면, 그 빔의 에너지는 핫 멜트 실링 포일(hot melt sealing foil)이 흡수하여, 열에너지로 변화하게 된다.
그리고 그 열에너지는 100℃ 이상의 온도로 선택된 실링표면에만 조사되어 핫 멜트 실링 포일(hot melt sealing foil)을 녹게 되고, 그것에 의해서 두 염료감응형 태양전지의 기판은 실링이 된다.
그리고 레이저는 여러 가지의 빔 모드가 있는데, 이는 레이저빔 단면내에서의 에너지 분포를 나타내는 것을 말한다.
본 발명에 사용된 AC 60Hz 전원으로 구동되는 레이저는 도 4의 그래프로부터 35mA 이내 에서는 단일모드 임을 알 수 있다.
도 1에서와 같이 염료감응형 태양전지는 여러 개의 온도팽창계수 및 열전도도가 다른 층으로 구성되어 실링 공정시에 CO2 레이저 출력을 약간만 다르게 하더라도 그 온도 차이에 의해서 염료감응형 태양전지의 기판은 쉽게 깨지거나, 두 기판 은 실링되지 않는다.
따라서, 실링 공정에서의 CO2 레이저의 출력조절은 매우 중요하다. 방전전류를 조절하는 것에 의해 레이저의 출력을 정밀하게 조절하는 것은 어렵기 때문에 본 발명에서는 레이저 빔의 크기가 단위 면적당 조사되는 레이저 파워와 직결된다는 것을 이용하여 레이저 출력을 조절한다.
본 발명은 도 5에서와 같이 나이프 엣지(knife-edge) 방법으로 구한 발산각을 이용하여 실링폭을 선택 후, 레이저 빔 출구와 핀홀 거리와 핀홀의 지름을 조절하여 단위 면적당 조사되는 에너지를 정밀하게 조절하여 완벽하게 두 염료감응형 태양전지를 실링한다.
이와 같이 레이저의 발산각 즉, 레이저와 타겟의 거리에 따라 빔의 크기를 안다면, 실링 폭에 상관없이 핀홀을 이용하여 정밀하게 단위 면적당 조사되는 레이저 파워를 조절하여 실링이 가능하다.
도 5를 참고하면, 본 발명에서 사용된 CO2 레이저는 빔 출구로부터 26.5cm 떨어진 거리 내에서는 레이저 빔의 지름이 5mm로 일정하며, 그 이후의 거리에서는 3mrad로 발산하게 되며, 또한 레이저 빔의 웨이스트(waist)가 거의 레이저 빔이 나가는 출구에 있다.
본 발명에 따른 실시예에서는 실링지 폭을 실제 실링 공정에서 많이 사용하는 사이즈인 4mm이다.
도 5에서의 발산각을 참고로 레이저와 타겟(염료감응형 태양전지)와 사이의 거리를 26.5 이내에서 실험을 한 것이다. 그 거리에서의 빔 사이즈는 도 5를 참고 하면 5mm이다.
그리고 핀홀을 빔 사이즈와 같은 5mm로 한 경우에는 도 6의 그래프를 참고하면, 26.5cm 거리 이내에서는 기판은 모든 속도에서 깨짐으로 부착력은 0이다. 이는 레이저 빔의 파워가 커서 깨지는 것이다.
따라서 본 발명에서는 최적의 실링 조건을 찾기 위해서 타겟과의 거리 26.5cm이내에서, 핀홀의 지름 및 속도를 변화 시켜가며, 염료감응형 태양전지의 실링 제조방법에 있어서 최적인 조건을 찾는다.
1-2mm에서는 단위 면적당 조사되는 레이저 파워가 작아서 거의 부착력이 없었으며, 5mm에서는 강한 레이저 빔 파워로 염료감응형 태양전지의 기판이 깨지는 현상을 보인다. 또한 실링 속도는 약 1mm/s에서 가장 좋은 부착력을 보였다.
2-5mm/s의 속도에서는 레이저 빔의 노출 시간이 짧아 부착력이 떨어짐을 보인다.
그리고 핀홀을 사용하지 않고 레이저와 타겟의 거리 26.5cm이내에서 레이저 빔의 파워를 레이저 에너지 메타로 측정결과 약 13W이고, 그리고 최적조건인 지름 4mm pin-hole (실링면적이 4mm)를 사용한다면, 레이저 빔의 파워는 약 10.25W이다.
이는 레이저 빔의 파워를 약 2.75W 만큼 감소시켜, 최적의 실링이 가능하다는 것을 의미한다.
도 7 및 도 8은 수학식 1을 이용하여 실제 빔과 pin-hole 차단된 빔을 매틀랩(Matlab) 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션을 한 것으로, 도 8은 실제 레이저 빔(5mm)이고, 도 9는 실링 폭 4mm를 고려한 경우의 열 분포도이다.
Figure 112009064481208-pat00001
본 발명에 사용된 TCO 제품은 솔라로닉스(Solaronix SA) 사의 TCO30-8이다. 본 발명에 사용된 염료감응형 태양전지의 유리 기판 최적실링 파라메타는 표 1과 같으며, 이는 실링 폭이 4mm 경우이다.
Figure 112009064481208-pat00002
도 6은 핀 홀(pin-hole)의 지름 및 속도에 따라 부착력을 테스트한 것으로, 핀 홀(pin-hole) 4mm에서 가장 부착력이 우수하며, 그 부착력은 9.1kgf(89.18N)이다.
2mm, 3mm에서는 실링이 되지 않으며, 5mm에서는 유리가 깨진다. 또한 속도 면에서 보면 1mm/s에서 부착력이 가장 우수한 것을 알 수 있다.
도 9는 염료감응형 태양전지의 유리 기판 실링 방법에 따른 초기효율은 레이저를 이용한 경우는 5.6%이며, 핫 프레스(hot-press)를 이용한 경우는 4.98%이다. 이와 같이 레이저로 실링한 것이 효율이 0.62%가 향상되었다.
그리고 도 10은 안전성 내구성을 시험하기 위한 것으로, 각 방법으로 만든 초기 효율보다, 레이저로 실링 했을 때는 0.4% 감소 그리고 핫 프레스(hot-press)로 실링 했을 때는 1.96% 감소를 보였다.
도 11의 (b)같이 기존의 핫 프레스 이용 시의 실링 두께가 공기층을 포함하여 56㎛이며, 본 발명에서와 같이 레이저를 이용한 도 11의 (a)의 실링두께는 38㎛두께로 실링두께가 더 얇다.
실링 두께는 실링 효과와 밀접한 관련이 있다. 그 이유는 실제 핫 멜트 실링 포일(hot melt sealing foil)이 녹아서 두 기판의 밀착도를 높이는 본드와 같은 역할은 하기 때문이다. 따라서 그 핫 멜트 실링 포일(hot melt sealing foil) 녹은 두께가 클수록 부착 및 밀봉 효과가 크다고 볼 수 있다.
녹기전의 핫 멜트 실링 포일(hot melt sealing foil) 두께는 60㎛로써, 본 발명에서와 같이 레이저를 이용한 경우의 녹은 두께는 22㎛이고, 핫 프레스를 이용한 경우에 녹은 두께는 4㎛이다.
이는 본 발명에서와 같이 레이저를 이용한 경우가 실링의 매우 효과적이고 유용하다는 것을 뜻한다.
도 12의 그래프를 보면, 핫 프레스를 이용한 실링이 많은 공기층을 형성하기 때문에 부착력 및 밀봉력이 저하되어 결과적으로 염료감응형 태양전지의 효율이 더욱 떨어진다.
이와 같은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 및 방법은 저출력 CO2 레이저의 단일모드 빔과 핀 홀(pin-hole)을 이용하여, 염료감응형 태양전지의 유리기판을 열적으로 손상없이 봉합시킴으로써 효율 및 안전성, 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
도 1은 염료감응형 태양전지의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 실링 시스템 구성도
도 3은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 구성도
도 4는 AC 60Hz 전원 사용시, 방전전류 및 레이저 출력에 대한 관계와 레이저 빔의 모드에 관한 그래프
도 5는 레이저 빔을 매틀랩(Matlab) 소프트웨어로 시뮬레이션 결과 구성도
도 6은 핀 홀(pin-hole)의 지름 가변 및 타겟의 속도 가변을 통한 부착력효과를 나타낸 그래프
도 7 및 도 8은 실제 빔과 핀 홀(pin-hole) 4mm일 때의 열 분포도
도 9는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 효율 그래프
도 10은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 효율 감소 특성을 나타낸 그래프
도 11a와 도 11b는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 SEM 사진
도 12는 실링효과 최적일 때의 입력전압 및 방전전류 파형을 나타낸 그래프
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
20. 레이저 출력단 21. 레이저 파워 조절 수단
22. X-Y 테이블

Claims (5)

  1. 염료감응형 태양전지의 기판을 합착하기 위한 레이저를 출력하는 레이저 출력단;
    상기 레이저 출력단에서 출력되는 레이저 빔의 사이즈를 조절하기 위하여 핀홀 형태로 구성되어, 레이저 나이프 엣지(knife-edge) 방법으로 구한 발산각을 이용하여 실링폭을 선택 후, 레이저 빔 출구와 핀홀 거리와 핀홀의 지름을 조절하여 단위 면적당 조사되는 에너지를 조절하여 레이저 출력단에서 출력되는 레이저 출력을 조정하는 레이저 파워 조절 수단;
    합착 공정시에 상기 레이저 파워 조절 수단을 통과한 레이저가 염료감응형 태양전지의 기판의 실링 영역에 조사되도록 상기 염료감응형 태양전지의 기판을 이동시키는 X-Y 테이블;을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 실링 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 레이저 출력단은 AC 60Hz 전원으로 구동되어 CO2 레이저의 단일 모드 빔을 출력하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 실링 시스템.
  3. 삭제
  4. 염료감응형 태양전지의 기판을 합착하기 위하여,
    나이프 엣지(knife-edge) 방법으로 구한 발산각을 이용하여 실링폭을 선택하는 단계;
    레이저 빔 출구와 핀홀 형태의 레이저 파워 조절 수단 간의 거리를 조정하고, 상기 핀홀의 지름을 조절하여 단위 면적당 조사되는 에너지 크기를 조절하는 단계;
    상기 염료감응형 태양전지의 기판을 X-Y 방향으로 이동시켜 상기 핀홀을 통과한 레이저가 실링 영역에 조사되도록 하는 단계;를 포함하고,
    상기 염료감응형 태양전지의 기판이 레이저 빔의 웨이스트(waist) 부분이내의 거리에 위치된 상태에서 실링 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 실링 방법.
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