KR101108182B1 - 염료감응 태양전지 - Google Patents

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Abstract

개시된 염료감응 태양전지는 전자를 생성하는 감광성 염료가 흡착된 반도체층; 전자가 이동될 수 있도록 반도체층의 일측에 배치된 광전극; 전자가 이동될 수 있도록 반도체층의 타측에 배치되며 광전극과 전기적으로 연결된 보조전극; 보조전극의 외측에 배치되며, 보조전극에 형성된 다수의 구멍을 통과하여 반도체층과 접촉하고, 감광성 염료와의 환원반응을 위한 전해액; 전해액의 외측에 배치되며, 광전극으로 이동된 전자가 외부회로를 경유하여 이동하는 상대전극; 및 광전극의 외측과 상대전극의 외측에 각각 배치된 글라스 층을 포함하며, 보조전극을 기준으로 반도체층과 반대측에 배치된 다른 반도체층과 다른 반도체층을 기준으로 보조전극과 반대측에 배치된 다른 보조전극으로 이루어진 구성이 적어도 하나 이상 반복됨으로써, 반도체층과 보조전극이 다단으로 적층되고, 상기 보조전극은 Ti 재질인 구조를 갖는다. 이러한 구조에 의하면 전자의 이동거리를 늘이지 않으면서도 감광성 염료분자의 양을 증가시킬 수 있어서, 전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

Description

염료감응 태양전지{Dye sensitized solar cell}
본 발명의 실시예는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
일반적으로 염료감응 태양전지는 가시광선 영역의 태양에너지를 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성하는 감광성 염료를 이용한다. 감광성 염료는 티타늄 옥사이드(TiO2)와 같은 금속산화물 반도체층에 흡착된 형태로 사용되는데, 태양광이 감광성 염료에 흡수되면 이 감광성 염료의 분자가 기저상태에서 여기상태로 전이되면서 전자-홀 쌍을 만들고, 여기상태의 전자는 반도체층의 전도대로 주입된 후 인접한 전극인 광전극으로 이동하며, 이어서 외부회로를 통해 양극에 해당되는 상대전극으로 이동한다. 그리고, 전자 전이의 결과로 산화된 염료분자는 전해질 내에서 환원되고, 다시 염료분자 환원반응에 의해 산화된 전해질 이온은 상대전극에 도달한 전자와 반응하여 환원된다.
이와 같이 감광성 염료의 태양광 흡수에 의한 전자의 생성과 이동 및 환원과정을 유도하여 전지로서의 기능을 수행하도록 하는 것이 염료감응 태양전지의 기본적인 원리이다.
따라서, 염료감응 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 전자의 생성량이 많을수록 좋으므로, 반도체층을 두껍게 만들어서 거기에 흡착되는 감광성 염료의 양도 많아지게 하는 방안을 고려해볼 수 있다. 그러나, 무작정 반도체층을 두껍게 하면 상기와 같이 광전극까지 이동해야 하는 전자의 이동거리가 길어지기 때문에 오히려 전지의 효율이 저하될 수 있다.
따라서, 전지 효율을 효과적으로 향상시키기 위해서는 감광성 염료의 양을 증가시키면서 전자의 이동거리도 줄일 수 있는 적절한 구조가 요구된다.
본 발명의 실시예는 전자의 이동거리를 늘이지 않으면서도 염료분자의 양을 증가시킬 수 있도록 개선된 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지는 전자를 생성하는 감광성 염료가 흡착된 반도체층; 상기 전자가 이동될 수 있도록 상기 반도체층의 일측에 배치된 광전극; 상기 전자가 이동될 수 있도록 상기 반도체층의 타측에 배치되며 상기 광전극과 전기적으로 연결된 보조전극; 상기 보조전극의 외측에 배치되며, 상기 보조전극에 형성된 다수의 구멍을 통과하여 상기 반도체층과 접촉하고, 상기 감광성 염료와의 환원반응을 위한 전해액; 상기 전해액의 외측에 배치되며, 상기 광전극으로 이동된 전자가 외부회로를 경유하여 이동하는 상대전극; 및 상기 광전극의 외측과 상기 상대전극의 외측에 각각 배치된 글라스 층을 포함하며, 상기 보조전극을 기준으로 상기 반도체층과 반대측에 배치된 다른 반도체층과 상기 다른 반도체층을 기준으로 상기 보조전극과 반대측에 배치된 다른 보조전극으로 이루어진 구성이 적어도 하나 이상 반복됨으로써, 상기 반도체층과 상기 보조전극이 다단으로 적층되고, 상기 보조전극은 Ti 재질인 구조를 갖는다.
삭제
상기 상대전극에 상기 전자와 상기 전해액의 환원반응을 촉진하기 위한 촉매층이 더 구비될 수 있다.
그리고, 상기 반도체층은 TiO2 재질, 상기 광전극은 Fluorine-doted tin oxide 재질일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지는 전자의 이동거리를 늘이지 않으면서도 감광성 염료분자의 양을 증가시킬 수 있어서, 전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 구조를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 본 실시예의 염료감응 태양전지는 감광성 염료가 흡착된 반도체층(10)과, 이 반도체층(10)의 일측과 타측에 각각 접하도록 배치된 광전극(20) 및 보조전극(30), 그리고 외부회로(미도시)를 통해 광전극(20)과 연결되는 상대전극(40) 등을 구비하고 있다.
여기서, 상기 광전극(20)과 보조전극(30)의 단부는 반도체층(10)에서 생성된 전자가 자유롭게 이동할 수 있도록 전기적으로 연결되어 있다. 따라서, 반도체층(10)에서 생성된 전자가 광전극(20)과 보조전극(30) 중 어느 쪽으로 이동해도 광전극(20)과 연결된 외부회로를 통해 상대전극(40) 쪽으로 이동할 수 있게 된다. 즉, 광전극(20)과 보조전극(30)은 반도체층(10)을 둘러싼 하나의 음극으로서의 기능을 수행한다. 이렇게 되면 반도체층(10)의 두께를 예컨대 기존보다 2배로 두껍게 해도 전자가 반도체층(10) 내부를 이동하는 거리는 거의 같게 된다. 즉, 기존에는 반도체층(10)의 한쪽면에만 광전극(20)이 접한 상태로 있었기 때문에, 두께를 증가시킬 경우 광전극(20)과 먼 쪽에서 생성된 전자가 반도체층(10) 내부를 통과해 서 광전극(20)까지 도달하기 위한 거리는 멀어지게 된다. 하지만, 이와 같이 반도체층(10)을 광전극(20)과 보조전극(30)으로 둘러싸게 되면 두께를 2배로 늘여도 반도체층(10)에서 생성된 전자는 그를 둘러싼 광전극(20) 또는 보조전극(30) 중 어느 쪽으로 이동해도 되므로, 전자의 이동거리는 증가하지 않게 된다. 여기서, 상기 반도체층(10)은 TiO2 재질로 만들 수 있으며, 광전극(20)은 FTO(Fluorine doped tin oxide) 재질, 보조전극은 Ti 재질로 각각 만들 수 있다.
또한, 본 실시예의 염료감응 태양전지는 이러한 반도체층(10)과 보조전극(30)이 다단으로 적층된 구조로 이루어져 있다. 물론, 상기한 바와 같이 하나의 반도체층(10)으로도 그 두께가 증가될 수 있어서 감광성 염료의 흡착량을 늘일 수 있지만, 이것을 다단으로 적층함으로써 감광성 염료의 흡착량을 더욱 증가시킨 것이다.
참조부호 50은 전해액을 나타내며, 전자 생성으로 산화된 감광성 염료 분자를 다시 환원시키는 기능을 수행한다. 이 전해액(50)이 반도체층(10)에 접촉해야 상기 환원반응이 진행될 수 있으므로, 상기 보조전극(30)에는 전해액(50)이 통과할 수 있는 구멍(31)이 다수개 형성되어 있다. 그리고 상기 반도체층(10)은 다공질의 산화물 반도체이므로 구멍을 뚫지 않아도 전해액(50)이 통과할 수 있다. 따라서, 다단으로 적층된 반도체층(10)에 모두 전해액(50)이 닿아서 환원반응을 일으킬 수 있다.
참조부호 60은 전해액(50)의 환원반응을 촉진하기 위한 백금 촉매층을 나타 낸다. 즉, 반도체층(10)의 환원반응에 따라 전해액(50)은 산화되는데, 상기 광전극(20)으로부터 상대전극(40)으로 이동된 전자와 반응하여 전해액(50)도 다시 환원되며, 이 환원반응을 촉진시키는 역할을 상기 촉매층(60)이 수행한다.
참조부호 70과 80은 광전극(20)의 외측과 상대전극(40)의 외측에 각각 설치되어 내부 요소들을 보호하는 글라스층을 나타내며, 참조부호 90은 전해액을 실링하는 실링부재를 나타낸다.
이와 같은 구조의 염료감응 태양전지는 다음과 같이 작동된다.
우선, 태양광이 조사되면 반도체층(10)에 흡착된 감광성 염료 분자들이 가시광선 영역의 태양에너지를 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성한다. 여기서 생성된 전자들은 반도체층(10)을 감싸고 있는 광전극(20)이나 보조전극(30)으로 이동하게 된다. 그리고 이어서 광전극(20)과 연결된 외부회로(미도시)를 통해 전자가 상대전극(40)으로 이동하게 되며, 이 외부회로에 부하를 연결하면 태양전지를 이용한 일이 수행된다.
그리고, 전자 생성으로 산화된 감광성 염료 분자들은 전해액(50)과 반응하여 환원되며, 또한 감광성 염료 분자의 환원반응에 의해 산화된 전해액(50)은 상기 상대전극(40)으로 이동한 전자와 반응하여 다시 환원된다.
이러한 전자의 순환 메카니즘을 통해 태양전지가 작동되며, 이때 전자의 생성량은 기존에 비해 상당히 증가하게 된다. 즉, 상기한 바와 같이 보조전극(30)의 추가로 인해 각 반도체층(10)의 두께를 두껍게 할 수 있어서 감광성 염료의 단위 흡착량이 늘어날 뿐만 아니라, 그것을 다시 다단으로 적층했기 때문에 전자를 생성 하는 감광성 염료 분자의 양은 크게 증가한다. 전자의 생성량이 많아지면 외부회로를 통해 이동하는 전자의 양도 많아지게 되며, 이것은 결국 태양전지의 효율이 향상됨을 의미한다. 그리고, 전술한 바와 같이 전자가 반도체층(10) 내부를 통과하여 광전극(20) 또는 보조전극(30)까지 이동하는 거리도 늘어나지 않는다.
한편, 본 실시예에서는 반도체층(10)이 2단으로 적층된 구조를 예시하였는데, 도 2와 같이 3단 이상으로 적층할 수도 있음은 물론이다.
그러므로, 이상에서 설명한 바와 같은 구조의 염료감응 태양전지는 전자의 이동거리를 늘이지 않으면서도 감광성 염료분자의 양을 증가시킬 수 있어서, 전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...반도체층 20...광전극
30...보조전극 40...상대전극
50...전해액 60...촉매층
70,80...글라스층 90...실링부재

Claims (6)

  1. 전자를 생성하는 감광성 염료가 흡착된 반도체층;
    상기 전자가 이동될 수 있도록 상기 반도체층의 일측에 배치된 광전극;
    상기 전자가 이동될 수 있도록 상기 반도체층의 타측에 배치되며 상기 광전극과 전기적으로 연결된 보조전극;
    상기 보조전극의 외측에 배치되며, 상기 보조전극에 형성된 다수의 구멍을 통과하여 상기 반도체층과 접촉하고, 상기 감광성 염료와의 환원반응을 위한 전해액;
    상기 전해액의 외측에 배치되며, 상기 광전극으로 이동된 전자가 외부회로를 경유하여 이동하는 상대전극; 및
    상기 광전극의 외측과 상기 상대전극의 외측에 각각 배치된 글라스 층을 포함하며,
    상기 보조전극을 기준으로 상기 반도체층과 반대측에 배치된 다른 반도체층과 상기 다른 반도체층을 기준으로 상기 보조전극과 반대측에 배치된 다른 보조전극으로 이루어진 구성이 적어도 하나 이상 반복됨으로써, 상기 반도체층과 상기 보조전극이 다단으로 적층되고,
    상기 보조전극은 Ti 재질인 염료감응 태양전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상대전극에 상기 전자와 상기 전해액의 환원반응을 촉진하기 위한 촉매층이 더 구비된 염료감응 태양전지.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층은 TiO2 재질, 상기 광전극은 Fluorine-doted tin oxide 재질인 염료감응 태양전지.
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