KR101113200B1 - 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 염료 감응형 태양 전지 제조시에 스크린 프린팅법으로 공정을 진행하여 금속 전극의 두께를 제어하여 스텝커버리지 특성을 향상시키고 신뢰성을 높일 수 있도록 한 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 그 구조는 하부기판상에 형성되는 광전극층;상기 광전극층상에 평탄화되도록 형성되고 상기 광전극층의 상면 및 옆면에 스크린 프린팅으로 도포되는 금속 전극층;상부기판상에 형성되는 상대전극 및 백금층;상기 광전극층 및 상대 전극이 일정 간격을 갖고 대향되도록 상,하부 기판이 합착되고, 합착된 상부기판과 하부기판 사이에 충진되는 전해질 용액을 포함하고, 상기 상,하부 기판을 합착시키기 위한 합착제가 상기 금속 전극층상에 위치하는 것이다.
염료 감응형, 태양 전지, 스크린 프린팅법, 금속 전극, 소성 온도, 광전극
Description
본 발명은 염료 감응형 태양 전지에 관한 것으로, 구체적으로 스크린 프린팅법으로 공정을 진행하여 금속 전극의 두께를 제어하여 스텝커버리지 특성을 향상시키고 신뢰성을 높일 수 있도록 한 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
화석연료는 현재까지 풍부한 매장량과 낮은 가격으로 인류의 주 에너지원으로 사용되어져 왔다. 그러나 그 매장량이 한계를 보이고 있고, 화석연료의 연소 시 배출되는 이산화탄소와 아황산가스 등은 환경 오염의 주범이 되고 있는 실정이다.
이러한 문제를 극복하기 위해 친환경 신재생 에너지원의 개발이 중요시 되고 있으며, 태양에너지를 이용한 태양전지는 갈수록 그 중요성이 더해지고 있다.
많은 종류의 태양전지 중 염료감응형 태양전지는 제조 단가가 저렴하고, 제조 공정이 간단하며, 다양한 응용 가능성을 가지고 있어 세계적으로 관심을 받고 있다.
염료감응형 태양전지는 두 개의 투명전도성 기판(TCO, Transparent Conducting Oxide)과 나노 TiO2, 염료, 전해질, Pt 전극으로 구성된다.
투명전도성 기판은 태양빛을 쉽게 통과시키며, 내부에서 발생된 전기에너지를 외부 회로로 이동시키기 위한 전극으로 FTO, ITO 등이 사용되고 있다. 그러나 투명전도성 기판이 차지하는 가격 비중이 전체 재료비의 45% 정도를 차지하고 있어 대체 구조 및 재료에 대한 연구가 시급한 상황이다.
투명전도성 기판이 없는 염료감응형 태양전지가 현재 연구 중이며, 그 중 하나의 구조가 TiO2 광전극 뒤쪽에 금속전극을 형성하는 것이다.
종래 기술에서는 이 금속전극을 형성함에 있어 스퍼터링 방법을 사용하고 있으며, 다공질 형성을 위해 금속 박막 스퍼터링 전 일부 물질을 도포하여 금속 박막 형성 후 제거하는 방법을 사용하고 있다.
그러나 이와 같이 염료감응형 태양전지에서 투명전도성 기판을 제거하기 위해 TiO2 광전극 뒤쪽에 금속전극을 스퍼터링 방법으로 형성하는 경우에는 다음과 같은 문제가 있다.
스퍼터링 방법은 진공에서 이루어지는 공법이어서 진공 챔버, 펌프 등의 고가의 진공 장비 및 유지비가 필요하다.
또한, 진공 챔버 크기의 제약으로 인해 대면적의 태양전지 제조에 한계가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 염료 감응형 태양 전지의 구조 및 제조 공정의 문제를 해결하기 위한 것으로, 염료 감응형 태양 전지 제조 공정시에 스크린 프린팅법으로 공정을 진행하여 금속 전극의 두께를 제어하여 스텝커버리지 특성을 향상시키고 신뢰성을 높일 수 있도록 한 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 비용이 저렴한 스크린 프린팅법으로 금속전극을 형성하는 것에 의해 진공 챔버, 펌프 등의 고가의 진공 장비를 사용하지 않아 진공 챔버 크기의 제약없이 대면적의 태양전지 제조에 적합하도록 한 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 하부기판상에 형성되는 광전극층;상기 광전극층상에 평탄화되도록 형성되고 상기 광전극층의 상면 및 옆면에 스크린 프린팅으로 도포되는 금속 전극층;상부기판상에 형성되는 상대전극 및 백금층;상기 광전극층 및 상대 전극이 일정 간격을 갖고 대향되도록 상,하부 기판이 합착되고, 합착된 상부기판과 하부기판 사이에 충진되는 전해질 용액을 포함하고,상기 상,하부 기판을 합착시키기 위한 합착제가 상기 금속 전극층상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 하부 기판 표면부터의 광전극층의 두께(t1)보다 하부 기판 표면부터의 금속 전극층의 두께(t2)가 더 큰 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법은 하부 기판상에 광전극층을 형성하고, 상기 광전극층의 상면 및 옆면 모두에 도포되도록 스크린 프린팅법으로 금속 전극층을 형성하는 단계;상기 광전극층 및 금속 전극층을 동시에 소성하는 단계;상부 기판상에 상대 전극 및 백금층을 형성하는 단계;상기 광전극층 및 상대 전극이 일정 간격을 갖고 대향되도록 하부 기판과 상부 기판을 합착하고 그 사이에 전해질 용액을 채우는 단계;를 포함하고,상기 하부 기판과 상부 기판을 합착하는 단계에서 합착제가 상기 금속 전극층상에 위치되도록 하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 제조 방법은 하부 기판상에 광전극층을 형성하는 단계;상기 광전극층을 소성하고 상기 광전극층의 상면 및 옆면 모두에 도포 되도록 스크린 프린팅법으로 금속 전극층을 형성하는 단계;상기 금속 전극층을 소성하는 단계;상부 기판상에 상대 전극 및 백금층을 형성하는 단계;상기 광전극층 및 상대 전극이 일정 간격을 갖고 대향되도록 하부 기판과 상부 기판을 합착하고 그 사이에 전해질 용액을 채우는 단계;를 포함하고,상기 하부 기판과 상부 기판을 합착하는 단계에서 합착제가 상기 금속 전극층상에 위치되도록 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 광전극층상에 형성되는 금속 전극층을 평탄화되도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 스크린 프린팅법으로 금속 전극층을 형성하는 단계에서,스크린 프린팅을 위한 페이스트의 점도 및 인쇄 속도를 조절하여 상기 금속 전극층의 두께를 조절하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 하부 기판 표면부터의 광전극층의 두께(t1)보다 하부 기판 표면부터의 금속 전극층의 두께(t2)가 더 크거나 작게 형성하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 스크린 프린팅법으로 공정을 진행하여 금속 전극의 두께를 제어하여 스텝커버리지 특성을 향상시키고 신뢰성을 높일 수 있다.
둘째, 진공 챔버, 펌프 등의 고가의 진공 장비를 사용하지 않아 진공 챔버 크기의 제약없이 대면적의 태양전지 제조가 가능하다.
셋째, 금속 전극 형성시에 스크린 프린팅법을 적용하여 제조 공정 시간을 단축할 수 있다.
넷째, 스크린 프린팅법으로 금속 전극 형성시에 페이스트의 점도나 인쇄 속도를 조절하여 금속전극의 두께를 자유로이 조절할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지의 구조 단면도이고,도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료 감응형 태양 전지의 구조 단면도이다.
그리고 도 3과 도 4는 본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지의 공정 순서도이다.
본 발명은 투명전도성 기판을 사용하지 않는 태양 전지의 제조를 위하여 광전극층 뒷쪽에 형성하는 금속 전극층을 형성하는 공정시에, 스크린 프린팅법으로 공정을 진행하여 금속 전극의 두께를 제어하여 스텝커버리지 특성을 향상시키고 신뢰성을 높일 수 있도록 한 것이다.
그 구조는 도 1에서와 같이, 하부기판(11a)상에 형성되는 광전극층(12) 및 금속 전극층(13)과, 상부기판(11b)상에 형성되는 상대전극(14) 및 백금층(15)과, 상기 상부기판(11b)과 하부기판(11a)이 대향되도록 합착되도록 하는 합착제(16) 및 상부기판(11b)과 하부기판(11a) 사이에 충진되는 전해질 용액(17)으로 이루어진다.
여기서, 광전극층(12) 및 금속 전극층(13)의 두께가 서로 다르고, 하부기판(11a) 표면으로부터의 금속 전극층(13)의 두께(t2)는 광전극층(12)의 두께(t1)보다 얇다.(t1 > t2)
그리고 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료 감응형 태양전지는 도 2에서와 같이, 하부기판(21a)상에 형성되는 광전극층(22) 및 평탄화된 금속 전극층(23)과, 상부기판(21b)상에 형성되는 상대전극(24) 및 백금층(25)과, 상기 상부기판(21b)과 하부기판(21a)이 대향되도록 합착되도록 하는 합착제(26) 및 상부기판(21b)과 하부기판(21a) 사이에 충진되는 전해질 용액(27)으로 이루어진다.
여기서, 광전극층(22) 및 금속 전극층(23)의 두께가 서로 다르고, 하부기판(21a) 표면으로부터의 금속 전극층(23)의 두께(t2)는 광전극층(22)의 두께(t1)보다 두껍다.(t1 < t2)
이와 같이 본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지에서 금속 전극층(13)(23)의 두께 조절은 스크린 프린팅법으로 형성하는 것에 의해 가능한 것으로 페이스트 점도 및 인쇄 속도를 조절하는 것에 의해 조절할수 있다.
여기서, 상기 광전극층(12)(22)은 TiO2를 사용하여 형성하고, 금속 전극층(13)(23)은 Ti, Al, Ag, Cu 등의 전도성 금속 물질을 선택적으로 사용한다.
그리고 금속 전극층(13)(23)은 저항이 100[ohm/sq] 이하의 저저항인 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명에 따른 염료 감응형 태양전지의 제조 공정은 다음과 같다. 도 2의 구조를 기준으로 설명한다.
도 3에서의 공정은 광전극층 및 금속 전극층의 소정 공정을 동시에 하는 것으로, 먼저, 하부 기판(21a)상에 광전극층(22)을 형성하고(S301), 광전극층(22)상 에 스크린 프린팅법으로 금속 전극층(23)을 형성한다.(S302)
상기 광전극층(22)을 형성하는 공정을 스크린프린팅법을 사용하여 진행하는 것도 가능하다.
여기서, 스크린 프린팅법으로 금속 전극층(23)을 형성하는 공정에서, Ti, Al, Ag, Cu 등의 전도성 금속 물질을 선택하여 페이스트를 만들고 이를 상기 광전극층(22)상에 프린팅하여 금속 전극층(23)을 형성한다.
상기 페이스트의 점도 및 인쇄 속도를 조절하는 것에 의해 조절할수 있다.
이어, 공정 단순화를 위하여 광전극층(22) 및 금속 전극층(23)을 동시에 소성한다.(S303)
그리고 상부 기판(21b)상에 상대 전극(24) 및 백금층(25)을 형성한다.(S304)
이어, 하부 기판(21a)과 상부 기판(21b)을 광전극층(22) 및 상대 전극(24)이 일정 간격을 갖고 대향되도록 하여 합착제(26)를 사용하여 합착한다.(S305)
그리고 광전극층(22) 및 상대 전극(24)이 일정 간격을 갖고 대향되도록 하여 합착된 하부 기판(21a)과 상부 기판(21b) 사이에 전해질 용액(27)을 충진하여 염료 감응 태양전지를 만든다.(S306)
이와 같은 도 3에서와 같은 염료 감응형 태양 전지 제조 공정은 공정 시간을 단축하고 단순화하기 위하여 광전극층 및 금속 전극층을 동시에 소성하는 것이다.
이하에서 도 4에서와 같이 광전극층 및 금속 전극층의 소성 공정을 분리하는 제조 공정을 설명한다.
도 4는 광전극층(22) 및 금속 전극층(23)의 소정 공정을 분리 진행하는 것으 로, 먼저, 하부 기판(21a)상에 광전극층(22)을 형성하고(S401), 광전극층(22)의 소성 공정을 진행한다.(S402)
그리고 광전극층(22)상에 스크린 프린팅법으로 금속 전극층(23)을 형성한다.(S403)
상기 광전극층(22)을 형성하는 공정을 스크린프린팅법을 사용하여 진행하는 것도 가능하다.
여기서, 스크린 프린팅법으로 금속 전극층(23)을 형성하는 공정에서, Ti, Al, Ag, Cu 등의 전도성 금속 물질을 선택하여 페이스트를 만들고 이를 상기 광전극층(22)상에 프린팅하여 금속 전극층(23)을 형성한다.
상기 페이스트의 점도 및 인쇄 속도를 조절하는 것에 의해 조절할수 있다.
이어, 금속 전극층(23)의 소성 공정을 진행한다.(S404)
그리고 상부 기판(21b)상에 상대 전극(24) 및 백금층(25)을 형성한다.(S405)
이어, 하부 기판(21a)과 상부 기판(21b)을 광전극층(22) 및 상대 전극(24)이 일정 간격을 갖고 대향되도록 하여 합착제(26)를 사용하여 합착한다.(S406)
그리고 광전극층(22) 및 상대 전극(24)이 일정 간격을 갖고 대향되도록 하여 합착된 하부 기판(21a)과 상부 기판(21b) 사이에 전해질 용액(27)을 충진하여 염료 감응 태양전지를 만든다.(407)
이와 같은 도 4에서와 같은 염료 감응형 태양 전지 제조 공정은 광전극층의 소성 공정 조건 및 금속 전극층의 소성 조건을 다르게 하여 소자의 특성을 높일 수 있도록 하기 위하여 소성 공정을 분리 진행하는 것이다.
본 발명에서 광전극층 및 금속 전극층의 제조 공정에서 사용하고 있는 스크린 프린팅법은 장비 가격 및 유지비가 저렴하여 현재 디스플레이 산업 등 여러 분야에 적용되고 있는 공정 방법이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 염료감응형 태양전지를 제조하는 방법에 있어 투명전도성 기판을 사용하지 않는 것으로, 광전극층 상에 스크린 프린팅법을 이용하여 금속 전극층을 형성하는 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지의 구조 단면도
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료 감응형 태양 전지의 구조 단면도
도 3과 도 4는 본 발명에 따른 염료 감응형 태양 전지의 공정 순서도
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
11a. 하부 기판 11b. 상부 기판
12. 광전극 13. 금속 전극
14. 상대 전극 15. 백금층
16. 합착제 17. 전해질 용액
Claims (7)
- 하부기판상에 형성되는 광전극층;상기 광전극층상에 평탄화되도록 형성되고 상기 광전극층의 상면 및 옆면에 스크린 프린팅으로 도포되는 금속 전극층;상부기판상에 형성되는 상대전극 및 백금층;상기 광전극층 및 상대 전극이 일정 간격을 갖고 대향되도록 상,하부 기판이 합착되고, 합착된 상부기판과 하부기판 사이에 충진되는 전해질 용액을 포함하고,상기 상,하부 기판을 합착시키기 위한 합착제가 상기 금속 전극층상에 위치하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 제 1 항에 있어서, 상기 하부 기판 표면부터의 광전극층의 두께(t1)보다 하부 기판 표면부터의 금속 전극층의 두께(t2)가 더 큰 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
- 하부 기판상에 광전극층을 형성하고, 상기 광전극층의 상면 및 옆면 모두에 도포되도록 스크린 프린팅법으로 금속 전극층을 형성하는 단계;상기 광전극층 및 금속 전극층을 동시에 소성하는 단계;상부 기판상에 상대 전극 및 백금층을 형성하는 단계;상기 광전극층 및 상대 전극이 일정 간격을 갖고 대향되도록 하부 기판과 상부 기판을 합착하고 그 사이에 전해질 용액을 채우는 단계;를 포함하고,상기 하부 기판과 상부 기판을 합착하는 단계에서 합착제가 상기 금속 전극층상에 위치되도록 하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
- 하부 기판상에 광전극층을 형성하는 단계;상기 광전극층을 소성하고 상기 광전극층의 상면 및 옆면 모두에 도포 되도록 스크린 프린팅법으로 금속 전극층을 형성하는 단계;상기 금속 전극층을 소성하는 단계;상부 기판상에 상대 전극 및 백금층을 형성하는 단계;상기 광전극층 및 상대 전극이 일정 간격을 갖고 대향되도록 하부 기판과 상부 기판을 합착하고 그 사이에 전해질 용액을 채우는 단계;를 포함하고,상기 하부 기판과 상부 기판을 합착하는 단계에서 합착제가 상기 금속 전극층상에 위치되도록 하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 광전극층상에 형성되는 금속 전극층을 평탄화되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 스크린 프린팅법으로 금속 전극층을 형성하는 단계에서,스크린 프린팅을 위한 페이스트의 점도 및 인쇄 속도를 조절하여 상기 금속 전극층의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 하부 기판 표면부터의 광전극층의 두께(t1)보다 하부 기판 표면부터의 금속 전극층의 두께(t2)가 더 크거나 작게 형성 하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
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