KR101117691B1 - 염료감응 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지의 광음극(photoanode)에서 생성된 전자들의 집전(collection) 능력을 향상시키기 위한 것으로, 이를 위하여 서로 대향된 제 1 기판과 제 2 기판과, 상기 제 1 기판과 제 2 기판과의 사이에 구비되고, 산화환원반응에서 일 전극으로 이용되는 제 1 전극부와, 상기 제 1 기판과 제 2 기판과의 사이에 배치되고, 산화환원반응에서 타 전극으로 이용되는 제 2 전극부와, 상기 제 1 전극부와 상기 제 2 전극부와의 사이에 개재되어 전자 전도대로 이용되는 다공질막과, 상기 다공질막에 흡착되도록 형성되고, 전자를 공급할 수 있는 광흡수부와, 상기 제 1 전극부와 제 2 전극부의 사이에 전해질을 밀봉하도록 구비된 내부공간과, 상기 내부공간을 형성하도록 상기 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 구비되는 밀봉부와, 상기 제2 전극부의 단부가 상기 밀봉부의 외부로 돌출되어 형성된 제2 전극 확장부와, 상기 제 1 전극부와 상기 제 2 전극부와의 사이에 적어도 일 단부에 구비되는 도전부를 포함하고, 상기 도전부는 상기 제1 전극부의 단부가 상기 밀봉부의 외부로 돌출되어 형성되고, 상기 밀봉부의 외부로 돌출된 상기 도전부의 단부는 상기 밀봉부의 모든 외부에 걸쳐 형성되며, 상기 제2 전극 확장부는 상기 도전부를 향하도록 상기 도전부의 상부에 형성되는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 분리 사시도이다.
도 2는 도 1의 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 정면도이다.
도 5는 도 4의 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 전기적 특성 추이를 측정한 결과를 나타내는 개략도이다.
<표 1>은 도 7의 전기적 특성에 대한 정량값을 표시하는 테이블이다.
*도면의 부호에 대한 설명*
100: 제 1 기판 40: 제 1 전극부
24: 광흡수부 22: 다공질막
30: 밀봉부 50: 내부공간
10: 제 2 전극부 12: 도전재
14: 금속층 300: 연결부
A: 도전부 B: 제 2 전극확장부
C: 외부회로
본 발명은 태양 전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 태양전지의 광음극(photoanode)에서 생성된 전자들의 집전(collection) 능력을 향상시켜 광효율을 향상킬 수 있도록 다 방향의 도전 테이프를 구비하는 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 나노입자 산화물 전극을 이용한 광전기화학적 태양전지로서, 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조 단가가 저렴하다는 이점이 있으나, 에너지 변환 효율(energy conversion efficiency)이 높은 태양 전지를 제조하는 것이 어렵다.
에너지 변환 효율은 태양전지의 전류, 전압 및 충진 계수(fill factor)의 곱에 의하여 결정되기 때문에 에너지 변환 효율을 증대시키기 위해서는 전류, 전압 및 충진 계수 값을 향상시켜야 한다.
종래에 정사각형이나 직사각형 광음극층을 가진 염료감응 태양전지의 경우에 있어서, 1 방향 도전 테이프를 이용하게 되면, 도전 테이프로 부터 거리가 멀리 떨어진 광음극층 부분이 과량 존재하게 되고, 여기서 생성된 전자의 집전속도는 도전 테이프 인접한 광음극층 부분에서 생성된 전자의 집전 속도 보다 느려지게 되어 염료 감응 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 광음극(photoanode)에서 생성된 전자들의 집전 능력의 향상을 통하여 고효율의 염료감응 태양전지를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 광음극(photoanode)에서 생성된 전자들의 집전 능력의 향상을 통하여 고효율의 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 위와 같은 목적 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 서로 대향된 제 1 기판과 제 2 기판과, 상기 제 1 기판과 제 2 기판과의 사이에 구비되고, 산화환원반응에서 일 전극으로 이용되는 제 1 전극부와, 상기 제 1 기판과 제 2 기판과의 사이에 배치되고, 산화환원반응에서 타 전극으로 이용되는 제 2 전극부와, 상기 제 1 전극부와 상기 제 2 전극부와의 사이에 개재되어 전자 전도대로 이용되는 다공질막과, 상기 다공질막에 흡착되도록 형성되고, 전자를 공급할 수 있는 광흡수부와, 상기 제 1 전극부와 제 2 전극부의 사이에 전해질을 밀봉하도록 구비된 내부공간과, 상기 내부공간을 형성하도록 상기 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 구비되는 밀봉부, 상기 제2 전극부의 단부가 상기 밀봉부의 외부로 돌출되어 형성된 제2 전극 확장부; 및 상기 제 1 전극부와 상기 제 2 전극부와의 사이에 적어도 일 단부에 구비되는 도전부를 포함하고, 상기 도전부는 상기 제1 전극부의 단부가 상기 밀봉부의 외부로 돌출되어 형성되고, 상기 밀봉부의 외부로 돌출된 상기 도전부의 단부는 상기 밀봉부의 모든 외부에 걸쳐 형성되며, 상기 제2 전극 확장부는 상기 도전부를 향하도록 상기 도전부의 상부에 형성되는 염료감응 태양전지를 제공한다.
또한, 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 중 적어도 어느 하나는 투광성인 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 특징에 의하면, 상기 도전부에는 외부 회로로 통전이 가능하도록 연결부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지를 제공한다.
또한, 상기 연결부는 표면 저항이 0옴보다 크고 2옴 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
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아울러, 상기 연결부는 알루미늄, 구리, 철 니켈, 카본 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 연결부는 접착 테이프, 접착 페이스트, 금속선 도금, 금속선 증착 중의 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
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상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부도면을 통하여 상세히 설명한다.
그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면에서 막 또는 영역들의 크기 또는 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.
먼저, 염료감응 태양전지의 원리를 간단히 살펴보면, 이는 광합성의 원리를 응용한 것으로, 가시광선이 조사되면 포톤(photon)는 먼저 염료에 흡수되고, 여기 상태로 된 염료가 전자를 전자 전도대(conduction band)로 보낸다.
여기서 전자는 전극으로 이동한 후 외부 회로로 이동한다. 염료는 전자 전도대에 전자를 전이한 후 산화되나 전해질 용액으로부터 전자를 받아 원래의 상태로 환원된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타내는 분리 사시도이고, 도 2는 도 1의 염료 감응 태양전지를 도시한 단면도이다.
도면을 참조하면, 서로 대향된 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)이 있고, 그 사이에 제1전극부(40)와 제 2 전극부(10)가 구비되고, 제1전극부(40)와 제 2 전극부(10)와의 사이에 다공질막(22), 광흡수부(24), 내부공간(50) 그리고, 내부공간(50)에는 전해질이 충진되고, 이를 밀봉하는 밀봉부(30) 및 도전부(A)를 포함하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
제 1 기판(100)은 폴리에테르술폰(PES, polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR, polyacrylate), 폴리에테르 이미드(PEI, polyetherimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(PET, polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate: CAP) 중 적어도 하나를 포함하는 플라스틱재 또는 유리재로 구성된다.
또한, 제 2 기판(200)도 역시 제 1 기판(100)을 구성하는 플라스틱재 또는 유리재로 구성될 수 있다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니며 제 2 전극부(10)가 형성될 수 있는 범위 내에서 어떤 재료도 이용할 수 있다.
한편, 제 1 전극부(40)는 제 1 기판(100)의 제 2 기판(200)을 향한 면에 전체적으로 전도성 물질로 코팅된다.
전도성 물질은 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐진크옥사이드(IZO), 산화인듐(In2O3) 등을 포함할 수 있다.
제 1 기판(100)의 제 2 기판(200)을 향한 면 상에 구비된 제 1 전극부(40)에는 다공질막(22)이 적층된다.
다공질막(22)은 전이금속 산화물로 형성될 수 있다.
예컨대, 다공질막(22)은 Ti, Zr,Sn 등의 전이금속 산화물을 각각 또는 복합적으로 포함할 수 있는데, 전이금속 산화물을 포함하는 페이스트를 닥터브레이드, 스크린 프린팅법 등으로 도포하여 형성한다.
또한, 다공질막(22)은 다공성을 유지하게 되는데, 이를 위해 전이금속 산화물을 포함하는 페이스트에 폴리머(Polymer)재를 첨가하여 소성하면 다공성 형성에 유리하다.
폴리머재는 폴리 에틸렌 글리콜, 폴리 에틸렌 옥사이드, 폴리 비닐 알코올 등이 있는데, 소성에서 증발할 수 있는 것인 범위 내에서 제한을 둘 필요가 없다.
아울러, 폴리머재는 다공성 유지 이외에도 분산성, 점도 특성으로 인한 성막성 및 기반과의 부착력이 있는 범위 내에서 사용할 수 있다.
한편, 다공질막(22)의 상면에는 광흡수부(24)가 구비된다.
광흡수부(24)는 염료로 구성될 수 있는데, 루테늄(Ru) 복합체를 포함하여 가시광을 흡수할 수 있는 물질로 이루어진다.
루테늄(Ru)은 백금족에 속하는 원소로서 많은 유기 금속 복합체를 만들 수 있는 원소이다.
이 외에도, 가시광내의 장파장 흡수를 개선하여 효율을 향상시키는 특성 및 전자 방출이 효율적으로 할 수 있는 염료인 한 어떤 것이든 사용할 수 있음은 물론이다.
또한, 광흡수부(24)는 다양한 색을 갖고, 재료가 풍부하며, 가격이 싼 유기 색소로 구비될 수 있다. 예컨대, 큐마린(Cuemarine), 포피린(porphyrin)의 일종인 페오포바이드 에이(pheophorbide a) 등을 단독 또는 Ru 복합체와 혼합 사용할 수 있다.
상술한 구성으로써, 포톤(photon)는 광흡수부(24)에 흡수되고, 여기상태(Excited State)로 된 광흡수부(24)가 전자를 전자 전도대(conduction band)역할을 하는 다공질막(22)으로 전이시키고, 이어서 전자는 제 1 전극부(40) 및 도전부(A)를 순차적으로 거쳐 외부 회로(C)로 이동한다.
도전부(A)는 제 1 전극부(40)의 일 단부에 위치하는 일 부분으로서, 외부회로(C)로 통전이 가능하도록 후술할 밀봉부(30)의 외부로 돌출된 영역을 말한다. 여기서, 외부회로(C)는 공히 염료감응 태양전지가 이용되는 모든 회로를 의미한다.
또한, 도전부(A)는 제 1 전극부(40)의 적어도 일 단부에 형성된다.
도 1 및 2를 참조하면, 도전부(A)는 제 1 전극부(40)의 일 단부에 형성되어 있다. 다시 말하면, 제 1 전극부(40)가 후술할 밀봉부(30)에 의해 구획되는 내부 공간(50)의 외부를 도전부(A)라 한다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 후술할 실시예에서 다 방향으로 도전부(A)가 구비되는 것을 볼 수 있다.
한편, 도전부(A)와 외부회로(C)와의 사이에는 통전 가능한 연결부(300)가 구비된다.
연결부(300)는 전기가 통할 수 있는 범위 내에서 무엇으로든지 구비될 수 있다. 다만, 바람직하게는 알루미늄(Al), 구리(Cu), 철(Fe), 니켈(Ni), 탄소(C) 등에서 선택된 하나를 포함한다.
또한, 연결부(300)의 전기적 낮은 저항을 갖는 재료로 구비되나, 바람직하게는 2 옴 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 연결부(300)의 형성에 대하여 보면, 공히 도전 테이프를 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 도전성 물질의 페이스트(Paste)상을 스크린 인쇄법, 딥 코팅법, 에어 나이프법, 커튼 코팅법, 롤러 코팅법, 와이어 바 코팅법, 그라비아 코팅법 등에서 선택한 방법으로 구비할 수 있다.
이 외에도, 화학기상증착법(CVD)이나 스퍼터(Sputtering) 등과 같은 물리기상증착법(PVD)을 이용하여 도금 또는 증착법을 이용하여 형성할 수 있다.
한편, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 다공질막(22)과 광흡수부(24)를 사이에 두고 내부공간(50)이 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)과의 사이에 밀봉부(30)에 의해 구비된다.
내부공간(50)에는 전해질용액이 충진되는데, 전해질용액은 산화-환원반응에 의하여 광흡수부(24)에 전자를 전달하는 역할을 한다. 즉, 염료감응 태양전지에 입사된 포톤(photon)이 광흡수부(24)에 흡수되어 여기상태(Excited State)로 된 광흡수부(24)가 전자를 다공질막(22)으로 전이시키게 된다. 이어서, 광흡수부(24)는 전해질용액로부터 다시 전자를 공급받게 된다.
또한, 내부공간(50)에 충진되는 전해질용액은 테트라프로필암모늄 아이오다이드(tetrapropylammonium iodide), 요오드(I2), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate), 아세토나이트릴(acetonitrile) 등으로 구성된 혼합물을 이용할 수 있다. 이 외에도, 광흡수부(24)에 산화-환원반응에 의해 전자를 공급할 수 있는 범위 내에서 어떤 재료도 이용할 수 있음은 물론이다.
한편, 전해질용액은 밀봉부(30)에 의해 밀봉되는데, 밀봉부(30)는 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)에 부착되어 전해질용액이 외부로 리크(Leakage)되지 않는 역할을 수행한다.
밀봉부(30)는 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)에 대한 계면 친화도 및 부착력과 전해질에 대한 내구력을 갖는 범위 내에서 어떤 것이라고 이용할 수 있다.
바람직하게는, 열가소성 고분자 필름을 사용할 수 있는데 일 예로는 상품명 surlyn이 있다. 이러한 열가소성 고분자 필름을 두 전극 사이에 위치시킨 후 열압착할 수 있다. 이 외에도, 에폭시 수지 또는 자외선(UV) 경화제 등을 사용할 수 있으며, 이 경우 열처리 또는/및 UV 처리 후에 경화시킬 수도 있다. 물론, 열 및 UV 경화 하이브리드(Hybrid) 타입의 접착제도 사용할 수 있다.
한편, 제 1 기판(100)과 대향되어 배치되는 제 2 기판(200)의 제 1 기판 (100)을 향한 면에는 제2전극부(10)가 배치된다.
또한, 제 2 기판(200)은 폴리에테르술폰(PES, polyethersulphone), 폴리아크릴레이트(PAR, polyacrylate), 폴리에테르 이미드(PEI, polyetherimide), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN, polyethyelenen napthalate), 폴리에틸렌 테레프탈레이드(PET, polyethyeleneterepthalate), 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide: PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(PC), 셀룰로오스 트리 아세테이트(TAC), 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate: CAP) 중 적어도 하나를 포함하는 플라스틱재 또는 유리재로 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 제 2 전극부(10)가 형성될 수 있는 범위 내에서 어떤 재료도 이용할 수 있다.
제2전극부(10)는 제 2 기판(200)의 제 1 기판(100)을 향한 면에 형성되는데, 도전재(12)가 코팅되어 있으며, 도전재(12)의 하면에 금속층(14)이 구비된다.
도전재(12)는 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐진크옥사이드(IZO), 산화인듐(In2O3), 산화주석(SnO,SnO2 등) 등에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
금속층(14)은 통전이 가능한 물질로 구성되는데, 바람직하게는 백금(Pt)등과 같은 귀금속 물질로 구비될 수 있다.
백금(Pt)는 반사도가 좋아서, 투과된 가시광이 태양전지의 내부로 반사되어 광흡수의 효율에 유리하다. 또한, 백금(Pt)이외에도 저항값이 낮은 다른 귀금속 물질도 사용할 수 있음은 물론이다.
한편, 제 2 전극부(100)는 밀봉부(30)에 의해 부착되는 영역에서 더 돌출되 어 제 2 전극확장부(B)를 구성한다.
제 2 전극확장부(B)는 외부회로(C)와 통전하도록 하는 양극(Cathode)역할을 한다.
상술한 구성으로써, 제 2 전극부(10)가 구비된 제 2 기판(200)과 제 1 전극부(40),다공질막(22) 및 광흡수부(24)가 순차 적층된 제 1 기판(100)은 밀봉부(30)에 의해 밀봉된다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 나타내는 도면이다.
도면에서 도시되지 아니한 구성요소들은 상술한 실시예에 대한 설명과 동일 또는 유사하여 설명을 생략한다.
도면을 참조하면, 제 1 전극부(40)가 구비된 제 1 기판(100)과 제 2 전극부(10)가 형성된 제 2 기판(200)이 대향하여 배치된다.
제 1 기판(100)의 상면에는 밀봉부(미도시)에 의해 외부로 돌출된 부분에는 도전부(A1, A2, A3, A4)들이 구비된다. 여기서는, 전술한 실시예에서와 같이, 제 1 전극부(미도시)가 밀봉부(미도시)에 의해 부착되는 영역에서 더 돌출된 영역을 도전부라고 한다.
또한, 도전부(A1, A2, A3, A4)에는 외부회로(C)와의 통전을 위해 매개체로서 연결부(300)가 구비된다.
연결부(300)에 대한 상세한 설명은 상술한 실시예와 같아서 생략한다.
다만, 도 5는 도 4 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도인데,이를 참 조해 보면, 제 2 전극확장부(B)가 도전부(A)의 상부에 위치하는 구조이다.
제 2 전극확장부(B)는 외부회로(C)와 통전하도록 하는 양극(Cathode)역할을 하는데, 제 1 기판(100)과 제 2 기판(200)과의 사이 간격(H)에 의해 제한을 받을 수 있다. 이러한 경우, 제 2 전극확장부(B)가 양극의 역할을 하기 위해 도전 테이프의 이용이나, 도전성 물질의 페이스트(Paste)상을 스크린 인쇄법 등으로 연결부(300)을 형성할 수 있으나, 화학기상증착법(CVD)이나 스퍼터(Sputtering) 등과 같은 물리기상증착법(PVD)을 이용하여 도금 또는 증착법을 이용하는 미세한(Fine) 공정으로 수행할 수도 있다.
상술한 구성을 취함으로써, 염료감응 태양전지의 집전 능력의 향상을 통한 고효율화가 가능하다.
다만, 본 실시에에서 3 방향 및 4 방향 연결부(A)를 구비하고, 사각형 형상의 염료감응 태양전지를 도시하지만, 사각형의 형상에 특별히 한정하는 것은 아니며, 특히 4 방향 연결부(A)는 염료감응 태양전지의 모든 단부를 다 포함하는 의미이다.
다음으로, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조 방법을 설명한다.
도 6는 본 발명의 실시예에 의하여 다방향 도전부를 구비한 염료감응 태양전지의 제조 방법을 도시한 흐름도이다.
본 실시예는 별도의 도면을 부가하지 아니하고, 도 2를 참고하여 설명한다. 이하, 도면 부호는 도 2에 대한 것이다.
도 2 및 도 6을 참조하면, 먼저, 다공질막(도 2, 22)으로 형성될 산화물 분 산액을 마련하는 단계를 설명한다(STEP1).
산화물은 전이금속을 포함하는데, 전이금속 산화물은 Ti, Zr,Sn 등의 전이금속의 산화물을 각각 또는 복합적으로 포함할 수 있다.
예컨대, 티타늄 산화물 분산액을 입경 5~15 nm 정도 크기로 분산액을 준비한다. 또한, 다공질막(도 2,22)은 다공성을 유지하게 되는데, 이를 위해 전이금속 산화물을 포함하는 페이스트에 폴리머(Polymer)재를 첨가하여 소성하면 다공성 형성에 유리하다.
폴리머재는 폴리 에틸렌 글리콜, 폴리 에틸렌 옥사이드, 폴리 비닐 알코올 등이 있는데, 소성에서 증발할 수 있는 것인 범위 내에서 제한을 둘 필요가 없다.
아울러, 폴리머재는 다공성 유지 이외에도 분산성, 점도 특성으로 인한 성막성 및 기반과의 부착력이 있는 범위 내에서 사용할 수 있다.
다음으로, 다공질막(도 2,22)을 형성하는 단계를 본다(STEP2).
전이금속 산화물 분산액은 스크링 프린트법, 닥터 블레이드법 등을 이용하여 코팅할 수 있다.
전이금속 산화물 분산액을 ITO 등이 도포된 제 1 전극부(도 2,40)의 상면에 코팅한다. 전이금속 산화물 분산액 도포된 제 1 기판(도 2,100)을 건조한다. 예컨대, 약 450 ℃의 온도에서 30분 열처리하여 폴리머재를 제거한다. 열처리를 거쳐 다공질막(도 2,24)이 형성된다. 예컨대, 본 실시예는 광음극층(1.5*5.5 cm2)에 대해 다방향 도전 테이프를 이용한 염료감응 태양전지를 제작한다.
다음으로, 다공질막의 상면에 광흡수부(도 2,24)를 흡착 및 건조하여 광음극 층(도 2,20)을 형성하는 단계를 본다(STEP3).
다공질막(도 2,22)이 형성된 제 1 기판(100)을 광흡수부(도 2,24)를 구성할 상술한 염료나 유기색소 용액에 담그어 둔다. 예컨대, 80도(섭씨)에서 제 1 기판(도 2, 100)을 유지하면서, 에탄올에 용해된 0.3mM Ru(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)2(NCS)2 염료 색소액에 염료흡착처리를 침적시킨다. 에탄올을 이용하여 씻어내고 상온 건조함으로써 광음극층(도 2,20)을 제조한다.
다음으로, 상대전극 형성 및 조립(Assembly) 단계를 본다.(STEP 4)
상대전극은 염료감응 태양전지의 양극으로서, 도 2의 제 2 전극부(도 2, 10)을 의미한다. 상대전극으로는 인듐틴옥사이드(ITO), 인듐진크옥사이드(IZO), 산화인듐(In2O3), 산화주석(SnO,SnO2 등) 등에서 선택된 하나를 포함할 수 있다. 예컨대, 주석산화물이 도전재(도 2,12)로서 제 2 기판(200)상에 형성되고, 스퍼터 방법에 의하여 표면 저항이 0.5옴 미만인 백금(Pt)이 금속층(도 2,14)이 형성된다. 여기서, 스퍼터 방법에 의한 증착이외에도 화학기상증착법(CVD)이나 물리기상증착법(PVD)를 이용할 수 있음은 물론이다.
이어서, (STEP 3)에서 준비된 제 1 기판(도 2, 100)과 상대전극이 형성된 제 2 기판(도 2, 200)을 조립한다. 예컨대, 약 60um 두께의 SURLYN (Du Pont사제의 상품명)과 같은 열가소성 고분자 필름을 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 약 100도에서 9초 정도 열압착한다.
다음으로, 전해질 용액 주입 및 연결부 부착 단계를 설명한다(STEP 5).
열가소성 고분자 필름에 의해 부착된 제 2 기판(도 2,200)에 전해질 용액의 주입을 위해 미세 구멍(도 2, 16)을 형성한다. 예컨대, 약 0.75mm직경의 드릴을 이용하여 미세 구멍을 형성한다.
제 2 기판(도 2, 200)에 형성된 미세 구멍(도 2,16)을 통하여 내부공간(도 2, 50)에 전해질용액이 충진된다. 예컨대, 전해질용액은, 21.928 g 의 테트라프로필암모늄 아이오다이드(tetrapropylammonium iodide)와 1.931g 의 I2를 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate) 80%, 아세토나이트릴(acetonitrile) 20%로 이루어진 용매에 용해시킨 것을 이용한다.
미세 구멍(도 2, 16)을 통하여 전해질을 주입시키고, 상술한 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 막는다. 여기에는 커버 글라스(Cover Glass, 미도시)를 더하여 구비할 수 있다.
마지막으로, 제 1 전극부(도 2, 40)에서 확장된 도전부(A)에 연결부(도 2, 300)를 부착한다. 연결부는 도전 테이프를 이용한다. 물론, 도전 테이프를 이용하는 경우에 접착 테이프이나 접착 페이스트가 채용될 수 있으나, 금속선 도금, 금속선 증착 방법과 같은 미세한(Fine) 공정으로 수행할 수도 있다.
<실험예>
1.5*5.5 cm2의 크기를 가진 광음극층에 대해 도전 테이프를 이용한 염료감응 태양전지를 제작한다.
염료 감응 태양전지에 대해 100mW/cm2 제논램프 광원 및 AM 1.5 필터를 이용하여 전류-전압 특성을 분석하였다.
도 6에서 나타난 염료감응 태양전지의 제조방법에 따라 3 방향 또는 4 방향 도전 테이프를 이용한 경우에 1 방향, 2 방향 도전 테이프를 이용한 경우보다 단락전류, 충밀도 및 효율을 향상시킬 수 있었다.
이에 대한 전기적 특성 추이를 측정한 결과를 도 7에서 개략적으로 보이고 있고, 하기 <표 1>은 이에 대한 정량값을 보여주고 있다.
따라서, 3 방향 또는 4 방향 도전 테이프를 이용함으로써 광음극층으로부터 생성된 전자 집전 능력을 보다 크게 향상시킬수 있고, 이를 통하여 고성능 염료 감응 태양전지를 제작할 수 있음을 알 수 있다.
<표 1>
| 시 편 | 단락전류/mAcM-2 | 개방전압/V | 충밀도 | 효율 |
| 1 방향 도전 테이프 | 6.403 | 0.67 | 0.252 | 1.083 |
| 2 방향 도전 테이프 | 8.979 | 0.69 | 0.277 | 1.712 |
| 3 방향 도전 테이프 | 9.567 | 0.69 | 0.312 | 2.058 |
| 4 방향 도전 테이프 | 10.05 | 0.69 | 0.350 | 2.43 |
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 다방향 도전 테입을 구비하는 염료감응 태양전지를 제작함으로써, 광음극(photoanode)에서 생성된 전자들의 집전(collection) 능력을 증대시킬 뿐만 아니라, 이를 통하여 직사각 광음극 층의 가로 길이를 보다 효과적으로 증가시킬 수 있고, 또한 고효율 태양전지의 제작에 따르는 제조 원가 절감의 효과를 얻을 수 있다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
Claims (14)
- 서로 대향된 제 1 기판과 제 2 기판;상기 제 1 기판과 제 2 기판과의 사이에 구비되고, 산화환원반응에서 일 전극으로 이용되는 제 1 전극부;상기 제 1 기판과 제 2 기판과의 사이에 배치되고, 산화환원반응에서 타 전극으로 이용되는 제 2 전극부;상기 제 1 전극부와 상기 제 2 전극부와의 사이에 개재되어 전자 전도대로 이용되는 다공질막;상기 다공질막에 흡착되도록 형성되고, 전자를 공급할 수 있는 광흡수부;상기 제 1 전극부와 제 2 전극부의 사이에 전해질을 밀봉하도록 구비된 내부공간;상기 내부공간을 형성하도록 상기 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 구비되는 밀봉부;상기 제2 전극부의 단부가 상기 밀봉부의 외부로 돌출되어 형성된 제2 전극 확장부; 및상기 제 1 전극부와 상기 제 2 전극부와의 사이에 적어도 일 단부에 구비되는 도전부를 포함하고,상기 도전부는 상기 제1 전극부의 단부가 상기 밀봉부의 외부로 돌출되어 형성되고,상기 밀봉부의 외부로 돌출된 상기 도전부의 단부는 상기 밀봉부의 모든 외부에 걸쳐 형성되며,상기 제2 전극 확장부는 상기 도전부를 향하도록 상기 도전부의 상부에 형성되는 염료감응 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 중 적어도 어느 하나는 투광성인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제 1 항에 있어서,상기 도전부에는 외부 회로로 통전이 가능하도록 연결부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지.
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- 제 3 항에 있어서,상기 연결부는 표면 저항이 0옴보다 크고 2옴 이하인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,상기 연결부는 알루미늄, 구리, 철 니켈, 카본 중 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 염료 감응 태양전지.
- 제 3 항에 있어서,상기 연결부는 접착 테이프, 접착 페이스트, 금속선 도금, 금속선 증착 중의 하나의 방법으로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료 감응 태양전지.
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