KR101101334B1 - 축전 장치를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 축전 장치를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극과 음극 사이에 티타니아 광전극층이 적용된 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 음극과 티타니아 나노튜브 사이에 축전장치가 더 구비된다. 이를 위하여 본 발명은 음극과; 분리막에 의해 구분된 도전층과, 전극활물질층과, 양극 집전체로 구성되는 축전 장치와; 티타니아 층과 양극이 순차적으로 적층되는 축전장치;를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 태양전지에 축전 장치를 더 부가하여 축전기능을 부여함으로써 태양전지의 출력 성능을 원활하게 유지할 수 있으며, 태양전지와 축전 장치를 일체화시킴으로써, 전환 에너지를 저장하기 위해 축전 장치를 별도로 구비하여야 하는 경우에 야기되는 장치의 대형화와 복잡성을 제거할 수 있다.
축전, 염료감응형, 태양전지, 티타니아, 전극활물질, 출력성능, 모듈화
Description
본 발명은 축전 장치를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극과 음극 사이에 티타니아 광전극층이 적용된 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 음극과 티타니아 나노튜브 사이에 축전장치가 더 구비된다. 이를 위하여 본 발명은 음극과; 분리막에 의해 구분된 도전층과, 전극활물질층과, 양극 집전체로 구성되는 축전 장치와; 티타니아 층과 양극이 순차적으로 적층되는 축전장치;를 구비하는 태양전지 및 그 제조방법을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 태양전지에 축전 장치를 더 부가하여 축전기능을 부여함으로써 태양전지의 출력 성능을 원활하게 유지할 수 있으며, 태양전지와 축전 장치를 일체화시킴으로써, 전환 에너지를 저장하기 위해 축전 장치를 별도로 구비하여야 하는 경우에 야기되는 장치의 대형화와 복잡성을 제거할 수 있다.
최근 심각한 환경 오염 문제와 화석 에너지 고갈로 차세대 청정 에너지 개발에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 중에서 태양전지는 공해가 적고, 자원이 무한적이며 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래 에너지 문제를 해결할 수 있는 에너지 원으로 기대되고 있다. 그러나 현재 실용화 또는 개발이 진행 중인 태양전지들은 공통적으로 가격이 비싸다는 단점을 지니고 있다. 이에 대응하여 최근에 많은 연구가 진행되고 있으며, 나노크기의 반도체 금속산화물 입자제조와 이를 활용한 염료감응 나노 금속산화 박막 태양전지의 개발을 통해 어느 정도 이러한 한계를 극복하고자 하고 있다.
염료감응형 태양전지는 표면에 염료 분자가 화학적으로 흡착된 n형 나노입자 반도체 산화물 전극이 빛을 흡수하면 염료분자는 전자-정공쌍을 생성하고, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입되며, 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노 입자간 계면을 통하여 투명 전도성 막으로 전달되어 전류를 발생시키게 된다. 염료 분자에 생성된 정공은 산화-환원 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원된다.
이러한 염료감응형 태양전지에 가장 많이 사용되는 금속 산화물은 티타니아(TiO2)이며, TiO2는 태양광의 경우 약 5% 이하에 해당하는 자외선만을 사용할 수 있다는 제한이 있으므로, 가시광선에 의하여 TiO2 반도체 금속산화물 태양전지의 전하이동을 돕는 방안으로 dye-sensitizer(염료 감응체)를 TiO2 표면에 흡착시킨다. 이들 염료들은 약 500~600μm 의 가시광선을 흡수하여 여기된 후 자신의 전자를 반도체 물질의 전도대로 주입시켜서 외부회로로 전자의 이동을 가능하게 한다. 이러한 염료감응 태양전지(dye-sensitized solar cell)는 비정질 실리콘 태양전지보다 30% 정도 저렴한 가격으로 전기를 만들 수 있으며, 이론적으로는 33%까지 변환효율을 높일 수 있을 뿐 아니라 환경부하가 적다.
그러나, 태양전지는 에너지원인 태양광의 공급이 장시간 원활치 않는 경우에는 수광량이 부족하여 태양전지의 출력이 크게 저하되며, 태양전지의 에너지 공급량이 갑자기 증가하는 경우, 에너지 공급의 불안정성이 커지고, 특히 태양전지는 에너지 전환 및 소비형 디바이스로서 축전용 기기를 자체적으로 구비하고 있지 아니하여 수광량 부족시나 에너지 공급의 불안정성이 야기되는 상황에서 이를 해결할만한 별다른 대안이 없다는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 태양전지에 축전 장치를 더 부가하여 축전기능을 부여함으로써 태양전지의 출력 성능을 원활하게 유지하도록 하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 태양전지와 축전 장치를 일체화시킴으로써, 전환 에너지를 저장하기 위해 축전 장치를 별도로 구비하여야 하는 경우에 야기되는 장치의 대형화와 복잡성을 제거할 수 있도록 하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 축전 장치를 더 구비함에도 불구하고 태양전지 시스템의 가설에 필요한 유효공간이 줄어들지 않도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 음극과; 분리막이 형성된 도전층과, 전극활물질층과, 양극 집전체로 구성되는 축전 장치와; 티타니아 층과; 양극;이 순차적으로 적층되어 태양전지와 축전 장치가 일체형으로 모듈화된 축전장치를 구비하는 태양전지를 제공한다.
상기 음극은 백금(Pt)으로 코팅된 유리재질이며, 양극은 FTO(Fluorine Tin Oxide)로 코팅된 유리재질인 것이 바람직하다.
상기 상기 도전층은 탄소나노튜브이며, 전극활물질층은 활성탄 재질인 것이 바람직하다.
상기 전극활물질층은 활성탄과 바인더와 도전재가 90 ~ 94 : 2 ~ 6 : 2 ~ 6 의 비율로 혼합된 것이 바람직하다.
상기 양극 집전체는 니켈 메쉬인 것이 바람직하다.
상기 티타니아 층은 염료가 담지된 염료감응형 나노튜브인 것이 바람직하다.
태양전지와 축전장치는 음극을 공통의 전극으로 하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명은 백금이 코팅된 유리 재질의 음극상에 도전층을 형성하는 단계; 상기 도전층상에 분리막을 형성하는 단계; 상기 분리막에 전극활물질층을 결합하는 단계; 상기 전극활물질층상에 양극집전체층을 형성하는 단계; 및 상기 양극집전체층상에 티타니아층을 포함하는 양극을 결합하는 단계; 를 포함하여 구성되는 축전장치를 구비하는 태양전지의 제조방법을 제공한다.
상기 도전층은 스퍼터링 방법에 의하여 형성되며, 전극활물질층은 캐스팅 방법에 의해 다공체로 제조되는 것으로서, 각각 활성탄 재질인 것이 바람직하다.
상기 티타니아층은 염료가 담지된 나노튜브인 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 평상시에 전환 에너지를 충분히 비축할 수 있도록 함으로써 수광량이 적은 경우나 태양전지로부터 출력되는 에너지의 양이 과다한 경우에도 태양전지 구동의 안정성을 확보할 수 있는 작용효과가 기대된다.
또한, 태양전지와 축전 장치를 일체형으로 모듈화 함으로써, 취급이 용이해지고, 태양전지를 포함한 시스템의 규모를 컴팩트하게 유지할 수 있는 작용효과가 기대된다.
또한, 태양전지와 축전장치를 일체화함으로써 별도로 구비할 경우에 비해 전 극의 갯수를 줄일 수 있어 제조단가를 절감할 수 있는 작용효과가 기대된다.
또한, 태양전지가 모듈화되므로, 가설시 유효공간이 크게 줄어들지 않도록 하는 작용효과가 기대된다.
이하, 본 발명을 첨부되는 도면 및 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 의한 축전장치를 구비하는 태양전지는 음극과; 분리막이 형성된 도전층과, 전극활물질층과, 양극 집전체로 구성되는 축전 장치와; 티타니아 층과; 양극;이 순차적으로 적층되어 태양전지와 축전 장치가 일체형으로 모듈화된 것이다.
본 발명에 의한 축전형 태양전지는 그 종류 중에서 염료감응형 연료전지를 적용하였으며, 이를 위하여 염료가 담지된 티타니아(TiO2) 나노튜브를 사용하였다.
염료감응형 태양전지의 티타니아 나노튜브는 수열합성법에 의해 제조되었으며, 보다 상세하게는 티타니아 분말을 수산화나트륨(NaOH) 수용액에 혼합한 후, 90 ~ 210℃의 온도범위에서 24 ~ 72시간 유지하여 수열합성공정을 수행하고, 이후, 이를 염산(HCl)에 의해 세정하고 건조한 후 열처리하여 제조한다. 보다 구체적인 제조방법은 본 발명의 요지를 벗어나므로 생략하기로 한다.
[실시예]
위와 같은 방법으로 제조되는 티타니아 나노튜브를 5 × 5 cm의 크기로 가공하였다. 또한, 도전층은 탄소나노튜브를, 전극활물질층은 활성탄을 사용하여 제조하였고, 음극상에 형성되는 도전층은 스퍼터링 방법에 의해 형성되었으며, 전극활물질층은 캐스팅방법에 의하여 제조된 다공체로서 분리막상에 적층되었다.
다만, 위와 같은 스퍼터링 방법이나 캐스팅 방법은 성형방법의 일 실시예일 뿐, 그 밖에 가능한 다른 방법을 사용할 수 있음은 물론이다.
위 전극활물질층에서 바인더로는 PTFE(polytetrafluoroethylene), 도전재는 CNT(탄소나노튜브)를 사용하였다. 전극의 상기 티타니아 나노튜브와 동일하게 하였으며, 활물질 : 바인더 : 도전재 = 90 ~ 94 : 2 ~ 6 : 2 ~ 6의 비율로 혼합되었는데, 본 실시예에서는 92 : 4 : 4로 하였다. 또한 분리막은 Celgard 사의 것을 사용하였고, 전해액은 TEABF4(tetraethylammonium tetrafluoroborate) 1.0M 용액을 사용하였다.
또한, 양극집전체로는 니켈 메쉬를, 음극집전체로는 백금이 코팅된 유리기판을 이용하였다.
이와 같이 제조된 축전장치가 구비되는 태양전지의 모식도를 도 1과 같이 나타내었다.
[평가예 1]
제조된 축전장치가 구비되는 태양전지는 300W급 Xe 램프를 광원으로 하는 솔 라 시뮬레이터와 Air mass 필터를 사용하여 1.5AM으로 맞추고 2차 표준셀로 1 SUN이 되도록 광량을 조절하여 광을 조사한 후, 이에 대한 특성을 평가한 결과, 도 2에 도시된 바와 같이, 광조사 초기에는 광전류가 2.3mA로 급격히 증가하였다가 1.1mA로 급격히 감소한 후에 시간이 지나면서 충전히 진행됨에 따라 충전전류가 완만히 감소함을 알 수 있었다. 또한 광전압은 광조사 초기에 약 0.58V로 급격히 증가한 후 충전이 진행됨에 따라 완만하게 증가하는 경향을 나타내었다.
또한 도 3에 광조사에 따른 태양전지의 출력특성을 나타내었는데, 도시된 바와 같이, 출력특성은 광 조사후 약 10분 후에 20nW를 나타내었으며, 1시간 경과후에는 약 40mW까지 출력이 증가함을 알 수 있었다.
[평가예 2]
도 4에 본 발명의 일 실시예에 의한 축전장치가 구비된 태양전지의 충전특성을 그래프로 나타내었다. 가로축은 기준전극(standard electrode)에 대한 작용전극(working electrode)의 전압, 세로축은 전류(mA)를 의미한다. 이 때, 전압 스캐닝 범위는 0 ~ 2.5V까지 5mVs- 1으로 3회 반복하였다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 의해 제작한 축전장치는 비수계 전해액을 사용한 경우 일반적으로 얻을 수 있는 정상적인 C-V 곡선을 나타내며, 1, 2차 스캐닝 사이에 약간의 차이가 존재하나, 이는 전해액이 활성탄 기공내부로 완전히 함침되지 않은 상태에서 측정된 것으로서 2차 스캐팅 이후로는 완전히 숙성되어 거의 같은 모양의 궤적을 나타낼 것으로 예상된 다. 제조된 축전장치의 전극은 약 20F의 정전용량을 갖는 것으로 측정되었다.
이상과 같이 살펴본 결과 본 발명에 의한 축전장치가 구비되는 태양전지는 20mW 이하의 전력을 필요로하는 USN 디바이스용 전원으로 상용화 가능할 것으로 예상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 축전장치를 구비하는 태양전지의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 축전장치를 구비하는 태양전지의 광조사에 따른 전류/전압특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 축전장치를 구비하는 태양전지의 광조사에 따른 출력특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 축전장치를 구비하는 태양전지의 충전특성을 나타내는 그래프이다.
Claims (10)
- 음극과; 분리막이 형성된 탄소나노튜브 도전층과, 활성탄과 바인더와 도전재가 90 ~ 94 : 2 ~ 6 : 2 ~ 6의 비율로 혼합된 전극활물질층과, 양극 집전체로 구성되는 축전 장치와; 티타니아 층과; 양극;이 순차적으로 적층되어 태양전지와 축전 장치가 일체형으로 모듈화된 것을 특징으로 하는 축전장치를 구비하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 음극은 백금(Pt)으로 코팅된 유리재질이며, 양극은 FTO(Fluorine Tin Oxide)로 코팅된 유리재질인 것을 특징으로 하는 축전장치를 구비하는 태양전지.
- 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,상기 양극 집전체는 니켈 메쉬인 것을 특징으로 하는 축전장치를 구비하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 티타니아 층은 염료가 담지된 염료감응형 나노튜브인 것을 특징으로 하는 축전장치를 구비하는 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,태양전지와 축전장치는 음극을 공통의 전극으로 하는 것을 특징으로 하는 축전장치를 구비하는 태양전지.
- 백금이 코팅된 유리 재질의 음극상에 탄소나노튜브 도전층을 형성하는 단계;상기 탄소나노튜브 도전층상에 분리막을 형성하는 단계;상기 분리막에 활성탄과 바인더와 도전재가 90 ~ 94 : 2 ~ 6 : 2 ~ 6의 비율로 혼합된 전극활물질층을 결합하는 단계;상기 전극활물질층상에 양극집전체층을 형성하는 단계; 및상기 양극집전체층상에 티타니아층을 포함하는 양극을 결합하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 축전장치를 구비하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 도전층은 스퍼터링 방법에 의하여 형성되며, 전극활물질층은 캐스팅 방법에 의해 다공체로 제조되는 것을 특징으로 하는 축전장치를 구비하는 태양전지의 제조방법.
- 제 8 항에 있어서,상기 티타니아층은 염료가 담지된 나노튜브인 것을 특징으로 하는 축전장치를 구비하는 태양전지의 제조방법.
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