KR101091264B1 - 염료 감응형 태양전지 모듈 - Google Patents

염료 감응형 태양전지 모듈 Download PDF

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KR101091264B1 KR1020100088793A KR20100088793A KR101091264B1 KR 101091264 B1 KR101091264 B1 KR 101091264B1 KR 1020100088793 A KR1020100088793 A KR 1020100088793A KR 20100088793 A KR20100088793 A KR 20100088793A KR 101091264 B1 KR101091264 B1 KR 101091264B1
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solar cell
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sensitized solar
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김종민
박춘성
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주식회사 디엠에스
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Abstract

본 발명은 염료 감응형 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 다수개의 염료 감응형 태양전지가 직렬로 연결되는 염료 감응형 태양전지 모듈에 있어서, 상기 태양전지는 일측 모서리에 광전극이 노출된 제1전극부를 구비하고, 타측 모서리에는 상기 광전극과 서로 대칭되게 상대전극이 노출된 제2전극부를 형성하여 제1,2전극부의 면적을 최소화함으로써, 기판 사이의 스페이스에 염료 및 전해질을 주입할 때 기판의 얼라인(align)과 실링(sealing) 작업이 용이하도록 하는 것은 물론 발전 면적이 최대화 되도록 하여 단위면적당 발전량이 현저히 향상될 수 있게 하고, 또한 손상 또는 파손된 태양전지만을 선택적으로 교체 또는 보수할 수 있는 염료 감응형 태양전지 모듈에 관한 것이다.

Description

염료 감응형 태양전지 모듈{Dye-Sensitized Solar Cell module}
본 발명은 염료 감응형 태양전지 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 태양전지의 제1,2전극부를 양측 모서리에 서로 대칭되게 형성하여 제1,2전극부의 면적을 최소화함으로써, 염료 및 전해질 주입시 기판의 얼라인(align)과 실링(sealing) 작업이 용이하도록 하고, 또한 태양전지의 발전 면적이 최대화 되도록 하는 염료 감응형 태양전지 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 염료 감응형 태양전지는(DSSC:Dye-Sensitized Solar Cell)은 한 쌍의 투명 기판의 샌드위치 구조를 갖는 것으로, 두 개의 투명 기판 표면에 투명전극(TCO)을 각각 코팅하고, 그 위에 접착되어 있는 다공성 TiO2 입자에 염료 고분자를 화학적으로 흡착시킨 후, 상기 투명 기판 사이에 전해질을 주입하여 밀봉한 것으로서, 태양광 흡수에 의해 염료 고분자가 여기되어 전자를 생성하고 이렇게 생성된 전자가 TiO2 입자와 투명 전극으로 순차적으로 전도되도록 하여 발전될 수 있게 한 광전지 중의 하나이다.
이러한 염료 감응형 태양전지는 제조단가가 현저히 절감될 뿐 아니라, 투명성 확보가 용이하고, 또한 다양한 색상 표현은 물론 에너지 효율이 높아 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있는 것이다.
한편 염료 감응형 태양전지 모듈은 상기와 같이 제작된 다수의 염료 감응형 태양전지를 직렬 연결하여 전기를 대량 발전할 수 있게 한 것이다.
이하 종래의 염료 감응형 태양전지와 모듈을 도 1과 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 염료 감응형 태양전지의 평면도와 개략적인 측면도를 나타낸 것이고, 도 2는 종래의 염료 감응형 태양전지 모듈의 측면도를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 염료 감응형 태양전지는 상,하부에 위치하는 한 쌍의 투명 기판(100,110) 사이에 전해질과 염료를 주입하여 전해질층(130)과 염료흡착부(염료 + TiO2)(140)가 형성된 샌드위치 구조를 형성하는 것으로서, 양측부에는 광전극(105)과 상대전극(115)이 외부에 노출되는 일정 폭의 외부 전극부(150,160)가 각각 형성되고, 상기 광전극(105)과 상대전극(115)의 전극부(150,160)에는 일정 높이의 돌출전극(120)이 형성되는 것이다.
따라서 염료 감응형 태양전지는 화살표와 같이 빛이 투사되면 염료 고분자로부터 전자가 방출되어 광전극(105)과 상대전극(115)을 순환함으로써 전기를 생산하게 되는 것이다.
한편 모듈은 도 2에 도시된 바와 같이, 양측면의 외부 전극부(150,160)에 각각 구비된 돌출전극(120)이 서로 접촉되도록 다수의 태양전지를 순차적으로 겹치도록 직렬 연결하여 설치하는 것이다.
그러나 상기와 같은 종래의 염료 감응형 태양전지는 다음과 같은 문제점들이 있었다.
첫째, 광전극과 상대전극이 외부에 노출되는 전극부에는 일정 높이의 돌출전극이 설치됨으로써, 기판의 상부 또는 하부를 통해 염료 및 전해질 주입시 돌출전극에 의해 기판의 얼라인(align) 및 실링(sealing) 작업이 용이하지 않아 생산성이 저하되는 것은 물론 누수 또는 누액이 발생되는 문제점이 있었고, 둘째, 외부 전극부의 면적만큼의 발전 면적(active area)이 줄어들어 발전 효율이 현저히 저하되는 문제점이 있었으며, 셋째, 모듈 제작시 손상이나 파손된 불량 태양전지를 선택적으로 교체 또는 보수하는 것이 용이하지 않은 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 태양전지의 양측 모서리에만 외부 전극부를 형성하여 염료 및 전해질 주입시 기판의 얼라인(align)과 실링(sealing) 작업이 용이하도록 하는 것은 물론 누수 또는 누액이 방지될 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 외부 전극부 면적을 최소화하여 태양전지 및 모듈의 발전 면적이 최대화 되도록 함으로써, 단위면적당 발전량이 현저히 향상될 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 태양전지의 제조 공정을 단순화하여 제조 단가를 절감할 수 있게 할 뿐 아니라, 양산성을 확보하고자 하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 프레임을 이용하여 모듈 제작시 제작이 간편할 뿐 아니라, 손상이나 파손된 불량 태양전지를 선택적으로 교체 또는 보수하는 것이 용이하도록 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 다수개의 염료 감응형 태양전지가 직렬로 연결되는 염료 감응형 태양전지 모듈에 있어서,
상기 태양전지는 광전극의 일부가 외부에 노출되는 제1전극부를 일측 모서리에 구비하고, 타측 모서리에는 상대전극이 외부에 노출된 제2전극부가 상기 제1전극부에 대칭되게 형성하되, 상기 제1전극부와 제2전극부가 인접되도록 다수개를 순차적으로 직렬 연결 설치하고, 상기 제1전극부와 제2전극부가 서로 통전 가능하게 연결된다.
또한 상기 제1전극부와 제2전극부는 도선에 의해 연결되게 할 수 있다.
또 상기 도선은 납땜 또는 스폿(spot) 용접으로 결합될 수 있다.
한편 상기 제1전극부와 제2전극부는 In, Pb, Cu, Ag, Fe, Al, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료로 상기 도선과 용접 결합될 수 있다.
또한 상기 도선은 Cu, Pb, Zn, Ag, Au, In, Al, Ni, Ti, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서 상기 태양전지는 상기 프레임에 이격되게 설치하되, 상기 프레임에는 연결단자를 구비하여 상기 연결단자의 양단이 서로 인접하는 제1전극부와 제2전극부에 각각 연결되게 할 수 있다.
이때 상기 연결단자는 일단이 상기 프레임에 회전 가능하게 설치되고 타단은 회전에 의해 상기 제1전극부와 접점을 형성하도록 할 수 있다.
또한 상기 연결단자는 Ag, Cu, Ni, Cr, Fe, Ti, Sn, In, Pb, Pd, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
또 상기 프레임에는 투과되는 빛이 재사용될 수 있게 상기 태양전지의 하측부에 반사판이 더 설치될 수 있다.
이때 상기 반사판은 Ni, Cr, Fe, Cu, Al, Pt, Pb, Pd, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 첫째, 염료 및 전해질 주입시 기판의 얼라인(align)과 실링(sealing) 작업이 용이하여 누수 또는 누액 현상이 방지될 수 있어 공정 불량 발생의 최소화는 물론 생산성 향상과 제조단가 절감의 효과가 있고, 둘째, 태양전지의 발전 면적(active area)이 최대화되어 단위면적당 발전량 증가를 통해 발전 효율의 향상 효과가 있으며, 셋째, 태양전지의 부분 교체 또는 보수가 용이한 효과가 있다
도 1은 종래의 염료 감응형 태양전지의 평면도와 개략 단면도,
도 2는 종래의 염료 감응형 태양전지 모듈의 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 염료 감응형 태양전지에 구비되는 기판의 분해사시도,
도 4는 본 발명의 염료 감응형 태양전지 모듈의 평면도와 개략 단면도,
도 5는 도 4의 A-A 단면도,
도 6은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 모듈의 일 실시예의 평면도와 개략 단면도,
도 7은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 모듈의 다른 실시예의 평면도,
도 8은 도 7의 단면도,
도 9는 본 발명의 염료 감응형 태양전지 모듈의 또 다른 실시예의 단면도이다.
이하 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 염료 감응형 태양전지에 구비되는 기판의 분해사시도를 나타낸 것이다,
도시된 바와 같이, 본 발명의 염료 감응형 태양전지에 구비되는 한 쌍의 투명 기판(10,20)은 서로 마주보도록 배치되어 밀착 결합되며, 각 기판(10,20)의 표면에는 광전극(15)과 상대전극(25)이 각각 코팅된다.
이때 본 발명의 기판(10,20)은 종래의 기판(100,110)(도1에 도시함)과 달리 광전극(15)과 상대전극(25)이 외부에 노출되어 형성되는 제1전극부(50)와 제2전극부(60)가 각 기판(10,20)의 일측 모서리에 구비된다.
여기서 기판(10,20)은 동일 크기로 제작하되, 일측 모서리는 일정 크기의 모따기 형상으로 구비되도록 하고, 동일 표면에 광전극(15)과 상대전극(25)의 코팅 공정을 각각 실시한 후, 상기 코팅면이 서로 마주보도록 결합시키면 되는 것이다.
따라서 기판(10,20)이 서로 결합되어 샌드위치 구조를 형성할 때 제1전극부(50)와 제2전극부(60)는 서로 반대 측 모서리에 위치하게 되는 것이다.
이하 본 발명의 염료 감응형 태양전지를 도 4와 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 염료 감응형 태양전지의 평면도와 개략 단면도를 나타낸 것이고, 도 5는 도 4의 A-A 단면도를 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5의 광전극(15), 상대전극(25), 전해질층(130), 염료흡착부(140) 등은 설명의 편의를 위하여 확대 도시한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 염료 감응형 태양전지는 광전극(15)과 상대전극(25)이 표면에 코팅된 한 쌍의 투명 기판(10,20)이 서로 마주보도록 배치되고, 두 기판(10,20) 사이의 미세한 스페이스(space)에는 다수의 그리드전극(180)이 배치되며, 염료와 전해질이 순차적으로 주입되어 염료흡착부(140)와 전해질층(130)이 형성되는 것이다.
여기서 염료흡착부(140)는 다공성 TiO2 입자에 염료가 화학 흡착된 부분이다.
한편 광전극(15)의 일측 모서리부가 노출된 제1전극부(50)와 상대전극(25)의 일측 모서리부가 노출된 제2전극부(60)는 태양전지의 양측 모서리에 서로 대칭되게 형성되며, 이때 제1전극부(50)와 제2전극부(60)는 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 반대 방향을 향하도록 배치되는 것이다.
여기서 제1전극부(50)와 제2전극부(60)는 삼각 형상으로 형성되어 있으며, 태양전지의 발전 면적(active area)의 최대대화는 물론 발전 효율을 고려하여 삼각형의 각 변의 길이가 1~50mm로 형성되는 것이 바람직하다.
그러나 제1전극부(50)와 제2전극부(60)는 상기와 같은 삼각 형상으로 한정되는 것은 아니며 다양한 형상으로 구비될 수 있을 것이다.
따라서 본 발명의 염료 감응형 태양전지는 태양광이 도 4에 도시된 화살표와 같이, 기판(10)에 투사되어 염료에 도달하면, 염료 고분자는 여기되어 전자를 방출하게 되고, 이 전자가 광전극(15)의 제1전극부(50), 그리드전극(180), 상대전극(25)의 제2전극부(60) 및 전해질(130)을 경유하여 순환하게 되면서 전기를 생산하게 되는 것이다.
한편 도 6은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 모듈의 일 실시예의 평면도 및 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 태양전지 두 개가 직렬 연결된 상태를 도시한 것으로서, 도시된 바와 같이, 태양전지는 일측면이 밀착되도록 동일 평면상에 배치되어 직렬 연결되는 것이다.
태양전지는 다수개가 순차적으로 연속 배치되어 직렬 연결될 수 있을 것이다.
이때 도시된 바와 같이, 제1전극부(50)는 인접한 타 태양전지의 제2전극부(60)와 서로 마주보도록 인접하게 되며, 제1전극부(50)와 타 태양전지의 제2전극부(60)는 표면에 접점(55,65)을 각각 형성하여 별도의 도선(70)에 의해 통전 가능하게 연결되는 것이다.
접점(55,65)은 도 8에 도시된 바와 같이, 돌출되도록 형성될 수 있다.
여기서 도선(70)은 납땜 또는 spot 용접으로 결합될 수 있으며, 제1전극부(50)와 제2전극부(60)는 In, Pb, Cu, Ag, Fe, Al, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료 중 어느 하나의 재료로 상기 도선(70)과 용접 결합하는 것이 바람직하다.
또한 도선(70)은 Cu, Pb, Zn, Ag, Au, In, Al, Ni, Ti, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료 중 어느 하나의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
여기서 태양전지 모듈은 도시하지는 않았지만 양단부에 각각 위치한 제1전극부(50)와 제2전극부(60)를 통전시키는 도선(도시하지 않음)을 설치하여 회로를 형성함으로써(도7 참조), 전기를 생산할 수 있게 되는 것이다.
이하 도 7과 도 8을 참조하여 본 발명의 염료 감응형 태양전지 모듈의 다른 실시예를 설명한다.
도 7은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 모듈의 다른 실시예의 평면도를 나타낸 것이고, 도 8은 도 7의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
여기서 도 7은 빛이 투사되는 방향에서의 평면도를 나타낸 것으로서, 프레임(80)이 구비된 반사형 모듈의 일 예를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 염료 감응형 태양전지는 동일 평면상에서 연결 설치된 프레임(80)에 각각 삽입 설치된 것이다.
이때 태양전지가 삽입 설치되는 프레임(80)의 상면에는 반사판(85)이 설치된다.
반사판(85)은 도 8에 도시된 화살표와 같이, 태양전지를 투과한 빛이 재사용될 수 있게 하여 빛의 손실을 최소화시킴으로써, 발전 효율을 향상시키기 위한 것으로서, Ni, Cr, Fe, Cu, Al, Pt, Pb, Pd, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료 중 어느 하나의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
한편 프레임(80)의 일측 모서리에는 연결단자(90)가 설치된다.
연결단자(90)는 일정 두께의 판재 형상으로 구비될 수 있으며, 일단은 프레임(80)의 모서리부 상부면에 회전 가능하게 설치되고, 타단은 회전 반경 내에서 제2전극부(60)에 구비된 접점(65)과 접촉되어 통전될 수 있게 구비되는 것이다.
이때 연결단자(90)의 회전 중심축은 별도의 도선(95)을 통해 인접하는 타 태양전지의 제1전극부(50)에 구비된 접점(55)과 연결되는 것이다.
한편 태양전지 모듈의 양단 최외곽에 위치하는 제1전극부(50)의 접점(55)과 프레임(80)에 구비된 연결단자(90)의 일단은 별도의 도선(190)을 통해 회로를 형성하게 되는 것이다.
따라서 연결단자(90)를 회전시켜 인접한 두 개의 태양전지를 전기적으로 연결시키거나 또는 단절시키는 것이 가능하게 됨으로써, 손상이나 파손된 태양전지만을 선택적으로 교체하거나 보수하는 것이 가능하게 되고, 또한 모듈의 최후단 프레임(80)의 모서리에 구비된 연결단자(90)를 회전시켜 도선(190)과 태양전지의 제2전극부(60)를 연결하거나 끊을 수 있게 되는 것이다.
여기서 연결단자(90)는 Ag, Cu, Ni, Cr, Fe, Ti, Sn, In, Pb, Pd, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료 중 어느 하나의 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
한 편 도 9는 투과형 모듈의 일 실시예를 도시한 것으로서, 프레임(80')의 구성 외에는 상기 실시예와 동일하므로 변경된 구성에 대해서만 설명한다.
도시된 바와 같이, 프레임(80')은 각 태양전지의 외주면에 설치되어 하나의 사각틀을 형성하도록 구비됨으로써, 보다 얇은 두께의 투명한 태양전지 모듈을 형성할 수 있다.
따라서 빛이 화살표와 같이 기판(10) 표면에 투사되면 태양전지를 투과하게 되고, 이에 따라 태양전지는 전기를 생산하게 되는 것이다.
한편 연결단자(90) 및 도선(95) 연결은 도 7,8의 실시예와 동일한 구조로 구성되는 것이다.
따라서 본 발명은 태양전지의 모서리에만 제1,2전극부(50,60)를 형성함으로써, 염료 및 전해질 주입시 기판(10,20)의 얼라인(align)과 실링(sealing) 작업이 용이하게 되는 것은 물론 제1,2전극부(50,60) 면적이 최소화되어 태양전지의 발전 면적이 최대화됨으로써, 단위면적당 발전량이 현저히 향상되는 것이다.
또한 프레(80,80')임을 이용하여 모듈 제작시 연결단자(90)를 이용하여 필요에 따라 전기 회로를 끊거나 연결시킬 수 있어 손상이나 파손된 불량 태양전지를 선택적으로 교체 또는 보수하는 것이 가능하게 되는 것이다.
이상, 상기의 실시 예는 단지 설명의 편의를 위해 예시로서 설명한 것에 불과하므로 특허청구범위를 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술 범주 내에서 다양한 변형이 가능할 것이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10,20,100,110 : 기판 15,105 : 광전극
25,115 : 상대전극 50 : 제1전극부
55,65 : 접점 60 : 제2전극부
70,,95,190 : 도선 80,80' : 프레임
90 : 연결단자 120 : 돌출전극
130 : 전해질층 140 : 염료흡착부
150,160 : 전극부 180 : 그리드전극

Claims (10)

  1. 다수개의 염료 감응형 태양전지가 직렬로 연결되는 염료 감응형 태양전지 모듈에 있어서,
    상기 태양전지는,
    광전극의 일부가 외부에 노출되는 제1전극부를 일측 모서리에 구비하고, 타측 모서리에는 상대전극의 일부가 외부에 노출된 제2전극부를 상기 제1전극부에 대칭되게 형성하되,
    상기 제1전극부와 제2전극부가 인접되도록 다수개를 순차적으로 직렬 연결 설치하고, 상기 제1전극부와 제2전극부가 서로 통전 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전극부와 제2전극부는 도선에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도선은 납땜 또는 스폿(spot) 용접으로 결합되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1전극부와 제2전극부는 In, Pb, Cu, Ag, Fe, Al, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료로 상기 도선과 용접 결합되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 도선은 Cu, Pb, Zn, Ag, Au, In, Al, Ni, Ti, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지는 프레임에 이격되게 설치하되, 상기 프레임에는 연결단자를 구비하여 상기 연결단자의 양단이 서로 인접하는 제1전극부와 제2전극부에 각각 연결되게 한 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연결단자는 일단이 상기 프레임에 회전 가능하게 설치되고 타단은 회전에 의해 상기 제1전극부와 접점을 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 연결단자는 Ag, Cu, Ni, Cr, Fe, Ti, Sn, In, Pb, Pd, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 모듈.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임에는 투과되는 빛이 재사용될 수 있게 상기 태양전지의 하측부에 반사판이 더 설치되는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반사판은 Ni, Cr, Fe, Cu, Al, Pt, Pb, Pd, 또는 이들 중 어느 하나 이상을 포함하는 합금 재료로 이루어지는 것을 특징으로 염료 감응형 태양전지 모듈.
KR1020100088793A 2010-09-10 2010-09-10 염료 감응형 태양전지 모듈 KR101091264B1 (ko)

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