KR101127609B1

KR101127609B1 - 실링재, 이를 구비한 염료 감응형 태양전지, 및 염료 감응형 태양전지 제조 방법

Info

Publication number: KR101127609B1
Application number: KR1020100025871A
Authority: KR
Inventors: 양남철; 김현철
Original assignee: 삼성에스디아이 주식회사
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2012-03-22
Also published as: US20110232738A1; KR20110106681A; EP2368862A1

Abstract

본 발명은 봉착하고자 하는 기판들 사이에 배치되도록 구성된 실링재로서, 열을 흡수하여 접착되는 핫멜트 접착제; 및 에너지를 흡수하여 발열하는 발열 입자를 구비하는 실링재 이를 구비하는 염료 감응형 태양전지 및 그 제조 방법이 제공된다.

Description

실링재, 이를 구비한 염료 감응형 태양전지, 및 염료 감응형 태양전지 제조 방법 {Sealant, Dye-Sensitized Solar Cell Comprising the Same, and Method of Manufacturing the Dye-Sensitized Solar Cell}

본 발명은 염료 감응형 태양전지를 위한 실링재에 관한 것으로서, 더 상세하게는 염료 감응형 태양전지의 실링 특성을 향상시키는 실링재, 이를 구비한 염료 감응형 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

현재 주로 사용되고 있는 석유, 석탄 및 천연가스를 대체하기 위한 신재생 에너지의 하나로서, 태양 에너지가 주목 받고 있다. 태양 에너지를 이용한 태양전지는 재료의 종류에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지로 크게 분류된다. 현재 상용화되고 판매되고 있는 태양전지는 단결정 및 다결정 실리콘 태양전지, 비정질 실리콘 태양전지 등이 있다. 현재 단결정 실리콘 태양전지의 에너지 효율은 18%, 다결정 실리콘 태양전지의 에너지 효율은 15%, 비정질 실리콘 태양전지의 에너지 효율은 10%로 알려져 있다. 이러한 실리콘 태양전지는 반도체 소재를 적용하여 광전변환원리를 이용한다.

한편, 광합성의 원리를 이용한 광전기화학적 변환 메커니즘을 이용하는 태양전지로서 염료 감응형 태양전지가 있다. 염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell: DSSC)는 현재 11% 이상의 에너지 변환효율을 보인다. 그러나 염료 감응형 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지보다 이론적 한계 변환효율이 오히려 높아 추가적인 효율 증진이 기대되고 제조단가를 1/5 수준으로 낮출 수 있으며 폭넓은 응용성으로 인하여 많은 발전이 기대되고 있다.

염료 감응형 태양전지에 태양광이 흡수되면 염료 분자에서 전자 천이가 발생되고 이 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 주입된 전자는 산화물 전극의 입자간 계면을 통하여 전도성 막으로 이동하고, 염료 분자에 생성된 홀은 양 기판 사이의 실링재에 의하여 실링된 전해질에 의하여 환원됨으로써 전류가 생성된다.

본 발명에 따른 실링재, 이를 구비한 염료 감응형 태양전지, 및 그 제조 방법은 염료의 손상을 줄이며 활성면적을 증가시키기 위한 실링재 및 이를 구비한 염료 감응형 태양전지, 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제들을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 봉착하고자 하는 기판들 사이에 배치되도록 구성된 실링재로서, 열을 흡수하여 접착되는 핫멜트 접착제; 및 에너지를 흡수하여 발열하는 발열 입자를 구비하는 실링재를 개시한다.

여기서, 상기 발열 입자는 입사되는 광의 적어도 일부를 열로 변환하는 제1 물질일 수 있다.

여기서, 상기 제1 물질은 카본 블랙(carbon black), 나노 카본(nano carbon), 금속 산화물(metal oxides) 또는 금속 황화물(metal sulfides)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 발열 입자는 자기장의 변화에 의해 발열하는 제2 물질일 수 있다. 여기서, 상기 제2 물질은 초상자성 물질일 수 있다. 상기 제2 물질은 실리카(SiO₂) 또는 알루미나(Al₂O₃)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제2 물질은 산화철을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 핫멜트 접착제는 에틸렌(ethylene) 초산비닐계, 에틸렌-아크릴산(ethylene-acrylic acid)유도체, 폴리올레핀(polyolefine) 유도체, 폴리아크릴 폴리머, 스티렌-아크릴 폴리머 또는 폴리비닐 부티랄로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 핫멜트 접착제는 카르복실 산, 카르복시산의 금속염, 무수말레인산 또는 말레인산으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 서로 대향하도록 배치된 제1 기판과 제2 기판; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 마주보는 내면에 각각 배치되는 제1 전극부와 제2 전극부; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 채워진 전해액; 및 상기 전해액을 밀봉시키기 위하여 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 실링재;를 포함하며, 상기 제1 전극부는 염료 분자가 흡착된 반도체 산화물층을 구비하며, 상기 실링재는, 열을 흡수하여 접착되는 핫멜트 접착제; 및 에너지를 흡수하여 발열하는 발열 입자;를 구비하는 염료 감응형 태양전지를 개시한다.

여기서, 상기 발열 입자는 입사되는 광의 적어도 일부를 열로 변환하는 제1 물질일 수 있다. 상기 제1 물질은 카본 블랙(carbon black), 나노 카본(nano carbon), 금속 산화물(metal oxides) 또는 금속 황화물(metal sulfides)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 제1 물질은 프탈로시아니, 니켈 디시오렌, 그래파이트, 피라조론, 디아니시딘, 구리, 알루미늄, 비스무스, 주석, 인듐, 아연, 티타늄, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 이리듐, 니켈, 팔라디온, 백금, 은, 금, 지르코늄, 철, 납, 텔루르, 금속 붕소화물, 탄화물, 질화물 또는 카보니트라이드로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 제1 물질은 적외선을 흡수하는 물질일 수 있다.

여기서, 상기 발열 입자는 자기장의 변화에 의해 발열하는 제2 물질일 수 있다. 상기 제2 물질은 초상자성 물질일 수 있다. 상기 제2 물질은 실리카(SiO₂) 또는 알루미나(Al₂O₃)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 제2 물질은 산화철을 포함할 수 있다.

상기 핫멜트 접착제는 카르복실 산, 카르복시산의 금속염, 무수말레인산 또는 말레인산으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 핫멜트 접착제는 망간(Mn), 철(Fe), 바라듐(V), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 코발트(Co) 또는 구리(Cu)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면 제1 기판에 제1 전극부를 형성하는 단계;상기 제1 기판에 대향하여 봉착되도록 구성된 제2 기판에 제2 전극부를 형성하는 단계; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 전해액을 밀봉하도록 실링재를 배치하며 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 정렬하여 합착하는 단계; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 전해액을 주입하는 단계;를 포함하며, 상기 실링재는 열을 흡수하여 접착되는 핫멜트 접착제; 및 에너지를 흡수하여 발열하는 발열 입자;를 포함하는 염료 감응형 태양전지 제조 방법을 개시한다.

여기서, 상기 발열 입자는 입사된 광의 적어도 일부를 열로 변환하는 제1 물질이며, 상기 합착하는 단계는 상기 실링재에 광을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 발열 입자는 자기장에 의해 발열하는 제2 물질이며, 상기 합착하는 단계는 상기 실링재에 자기장을 인가하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 실링재에 따르면 실링재 내부에서 발열하여 열의 확산이 적어 실링재 주위에 배치된 염료 등의 손상을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 염료 감응형 태양전지의 동작 원리를 설명하는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실링재 및 이를 구비하는 염료 감응형 태양전지의 개략적인 단면도이다.
도 3은 염료 감응형 태양전지의 제조 방법을 보여주는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실링재 및 이를 구비하는 염료 감응형 태양전지에서 실링재를 용융하는 방법을 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 실링재 및 이를 구비하는 염료 감응형 태양전지에서 실링재를 용융하는 방법을 보여주는 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면에 도시된 실시 예들을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 염료 감응형 태양전지의 동작 원리를 설명하는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 태양광이 입사되면 반도체 산화물층(113)의 표면에 흡착된 염료 분자(114)가 HOMO(highest occupied molecular orbital) 에너지 레벨에서 LUMO(lowest unoccupied molecular orbital) 에너지 레벨로 천이되면서 전자(e-)가 발생된다. 즉, 염료 분자(114)의 전자-정공쌍(electron-hole pair)이 분리되면서 전자와 정공이 발생하고, 전자를 방출하여 염료 분자(114)는 산화된다. 발생된 전자는 화학적 확산 구배(diffusion gradient)에 의하여 반도체 산화물층(113)의 전도대로 주입되고 산화물층의 입자간 계면을 통해 전도성 막(111)으로 이동한다. 한편 염료 분자(114)의 HOMO에 생성된 정공은 전해질 내 요오드화 이온(I-)으로부터 전자를 제공받아 환원되고, 요오드화 이온은 전자를 제공하여 산화된다. 전해질(115) 내 산화된 요오드화 이온은 외부 회로를 지나 대향 전극(101)을 통해 전달된 전자를 제공받아 환원된다. 이와 같이 태양광의 흡수되면 전자의 순환적 흐름이 발생하고 그럼으로써 염료 감응형 태양전지 내에서 전류가 흐르게 된다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 실링재 및 이를 구비하는 염료 감응형 태양전지의 개략적인 단면도이다.

염료 감응형 태양전지의 전체적인 구조를 설명하면서 실링재를 설명하기로 한다. 일 실시 예에 따른 염료 감응형 태양전지는 제1 기판(110), 제2 기판(100), 제1 전극부(210), 제2 전극부(200), 전해액(115), 및 실링재(130)를 구비한다.

제1 기판(110)에는 제1 전극부(210)가 형성되며, 제1 전극부(210)는 음극으로 작용하는 광음극 전극(210)일 수 있다. 제2 기판(100)에는 제2 전극부(200)가 형성되며, 제2 전극부(200)는 양극으로 작용하는 대향 전극(200)일 수 있다. 광음극 전극(210)과 대향 전극(200) 사이에는 전해액(115)이 채워져 있다. 제1 기판(110)과 제2 기판(100)의 가장자리에는 전해액(115)이 새어나오지 않도록 실링재(130)가 형성되어 있다.

광음극 전극(210)은 투명한 제1 기판(110)과, 제1 기판(110) 상에 형성된 제1 투명 전도층(111)과, 제1 투명 전도층(111) 위에 형성된 제1 그리드 전극(112)과, 제1 그리드 전극(112)을 덮는 보호막(160)과, 나노 크기 반도체 산화물층(113)과, 나노 크기 반도체 산화물층(113)에 흡착된 염료 분자(114)를 구비할 수 있다.

제1 기판(110)은 투명한 유리로 만들어질 수도 있으며, 이와 달리 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 또는 폴리에테르설폰(PES)과 같이 휘어질 수 있는 플라스틱으로 만들어질 수도 있다.

제1 투명 전도층(111)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 F가 도핑된 이산화주석(FTO, F doped SnO2)과 같은 전도성 박막일 수 있다. 제1 투명 전도층(111)은 1층 또는 여러 층으로 구성될 수도 있다. 전도성 박막은 전자 형성의 효율을 높이기 위하여 형성된다. 제1 투명 전도층(111)은 투과성이 높아 태양빛이 염료 분자(114)까지 도달하는 것을 용이하게 하는 반면, 전기 저항이 높아 효율이 감소된다. 따라서 제1 투명 전도층(111)의 높은 전기 저항을 보상하기 위해 제1 그리드 전극(112)이 더 형성될 수 있다.

제1 그리드 전극(112)은 은(Ag), 알루미늄(Al)과 같은 금속으로 형성될 수 있고, 스트라이프 또는 격자 형상과 같이 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. 제1 그리드 전극(112)의 전기 저항은 제1 투명 전도층(111)에 비하여 낮기 때문에 전류의 원활한 이동이 가능하다. 제1 그리드 전극(112)은 전해질로부터 전극을 보호하기 위한 보호막(160)으로 덮일 수 있다.

나노 크기 반도체 산화물층(113)은 제1 투명 전도층(111)과 보호막(160) 위에 형성된다. 나노 크기 반도체 산화물층(113)은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)층일 수 있다. 나노 크기 반도체 산화물층(113)은 나노 미터 크기의 광 대역 갭(wide band gap) 반도체 미립자가 적당한 간격으로 쌓여져 있는 구조이며, 반도체 미립자의 표면에는 염료 분자(114), 예컨대 Ru 착화합물(complex compound)로 이루어지는 염료 분자(114)가 화학적으로 흡착된다. 나노 크기의 미립자로 염료 분자(114)가 흡착되는 표면적을 극대화시킬수록 많은 전류를 만들어 낼 수 있다.

염료 분자(114)는 예를 들면 Ru 착화합물(complex compound)을 포함할 수 있다. 이와 달리 타이오펜, 프탈로시아닌, 포르피린, 인돌린 또는 퀴놀린 및 그 유도체를 포함하는 유기물이 염료 분자(114)로 사용될 수 있다.

대향 전극(200)은 투명한 제2 기판(100)과, 제2 기판(100) 상에 형성된 제2 투명 전도층(101)과, 제2 투명 전도층(101) 위에 형성된 제2 그리드 전극(102)과, 제2 그리드 전극(102)을 덮는 보호막(160)과, 촉매막(103)을 구비할 수 있다.

제2 기판(100)은 투명한 유리로 만들어질 수도 있으며, 이와 달리 휘어질 수 있는 플라스틱으로 만들 수도 있다.

제2 투명 전도층(101)은 ITO(Indium Tin Oxide) 또는 FTO와 같은 전도성 박막일 수 있다. 제2 투명 전도층(101) 위에는 제2 투명 전도층(101)의 높은 전기 저항을 보상하기 위해 제2 그리드 전극(102)이 더 형성될 수 있다. 제2 그리드 전극(102)의 위에는 제2 그리드 전극(102)을 전해질로부터 전극을 보호하기 위한 보호막(160)이 더 형성될 수 있다.

제2 투명 전도층(101) 및 보호막(160) 위에는 촉매막(103)이 더 형성된다. 촉매막(103)은 예를 들면 백금(Pt), 탄소(C) 박막일 수 있다. 촉매막(103)은 외부 회로를 거쳐 이동되어 온 전자들을 받는 환원 촉매 역할을 한다. 또한 백금 박막을 증착함으로써 광음극 전극(210)을 통과하여 입사된 태양빛을 반사시키고, 그럼으로써 태양 에너지의 변환 효율을 높일 수 있다.

광음극 전극(210)과 대향 전극(200) 사이에는 전해액(115)이 개재된다. 전해액(115)은 예를 들면, 요오드계 산화-환원 액체 전해질(I3-/I-)이다. 전해액(115)은 산화된 염료 분자(114)를 환원시켜 주는 역할을 수행한다.

본 발명의 보호범위는 지금까지 설명한 제1 전극부(210)와 제2 전극부(200)의 실시 예에 한정되지 아니하며, 당업자가 통상의 창작 능력의 발휘 범위 내에서 다양하게 변형할 수 있음을 이해하여야 할 것이다. 예를 들면, 제1 전극부(210)와 제2 전극부(200)에서 그리드 전극들이 구비되지 않을 수도 있고, 이와 달리 투명 전도층(101, 111)이 구비되지 않을 수도 있다. 또한 제1 전극부(210)와 제2 전극부(200)에는 보호막(160)이 구비되지 않을 수도 있다.

실링재(130)는 제1 기판(110)과 제2 기판(100) 사이의 전해액(115)이 새지 않도록 실링한다. 실링재(130)는 제1 기판(110)과 제2 기판(100)의 가장자리 부분을 따라서 형성된다.

이하에서 본 발명의 일 실시예에 따른 실링재(130) 및 실링재(130)를 포함한 염료 감응형 태양전지를 제조하는 방법에 대하여 자세히 설명한다. 도 3은 염료 감응형 태양전지의 제조 방법을 보여주는 순서도이다.

전체적으로 살펴보면, 제1 기판(110)에 광음극 전극(210)을 형성하고(S100~S150) 제2 기판(100)에 대향 전극(200)을 형성한 후(S101~S141), 제1 기판(110)과 제2 기판(100)을 실링하여 합착하고(S160, S170) 전해액(115)을 제1 기판(110)과 제2 기판(100)의 사이에 주입한 뒤에(S180) 주입구를 실링함으로써(S190) 태양전지의 제조가 완료된다. 도 3에는 양 기판을 실링한 후 전해액(115)을 주입하는 것으로만 도시되어 있으나, 본 발명의 보호범위는 이에 한정되지 아니하며, 전해액(115)을 주입한 후 양 기판을 실링하는 실시 예도 가능하다.

제1 기판(110)에 광음극 전극(210)인 제1 전극부(210)를 형성하는 방법을 간단히 설명하면 다음과 같다. 먼저 제1 기판(110)인 투명 유리에 ITO 또는 FTO와 같은 제1 투명 전도층(111)을 형성한다(S110). 그 위에 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)과 같은 재질의 제1 그리드 전극(112)을 일 방향으로 나란하게 형성한다(S120). 제1 그리드 전극(112)의 패턴은 스트라이프 형상 외에도 다양하게 변형될 수 있다. 제1 그리드 전극(112) 위에는 보호를 위하여 보호막(160)이 형성된다(S130). 제1 투명 전도층(111)과 보호막(160) 위에 나노 크기의 반도체 산화물층(113)을 형성한다(S140). 나노 크기 반도체 산화물층(113)은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2) 또는 산화아연(ZnO)층일 수 있다. 나노 크기 반도체 산화물층(113)에 염료 분자(114)를 흡착시킨다(S150). 염료 분자(114)의 흡착은 제1 기판(110)의 나노 크기 반도체 산화물층(113)을 염료에 담가 놓음으로써 수행될 수 있다.

제2 기판(100)에 대향 전극(200)인 제2 전극부(200)를 형성하는 방법을 간단히 설명하면 다음과 같다. 먼저 제2 기판(100)인 투명 유리에 ITO 또는 FTO와 같은 제2 투명 전도층(101)을 형성한다(S111). 그 위에 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)과 같은 재질의 제2 그리드 전극(102)을 일 방향으로 나란하게 형성한다(S121). 제2 그리드 전극(102)의 패턴은 스트라이프 형상 외에도 다양하게 변형될 수 있다. 제2 그리드 전극(102) 위에는 보호를 위하여 보호막(160)이 형성된다(S131). 제2 그리드 전극(102)과 보호막(160) 위에 촉매막(103)을 형성한다(S141). 촉매막(103)은 예를 들면 백금(Pt), 탄소(C) 박막일 수 있다.

제1 기판(110)과 제2 기판(100)의 가장자리에 전해액(115)이 새어나오지 않도록 실링재(130)로 실링할 수 있다(S160). 이때, 고온에서 실링재(130)를 녹이기 위하여 국소 또는 전면 가열을 할 수 있다. 그러나, 실링재(130)를 용융시키는 열은 유리 등의 제1, 2 기판(100, 110)을 통해 실링재(130) 주위에 있는 염료 분자(114)에 열전달된다. 이러한 열에 의해 염료 분자(114)는 손상될 수 있다. 이러한 염료 분자(114)의 손상을 피하기 위하여 염료 분자(114)와 실링재(130)와의 간격을 띄어 배치하게 되는데 이 때문에 염료 감응형 태양전지의 활성면이 줄어들게 된다. 또한, 높은 온도로 가열하는 경우, 제1 기판(110) 또는 제2 기판(100)이 깨지는 등의 파손이 발생할 수 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따르면 실링(S160) 및 양기판의 합착(S170)시 발열 입자(132, 133)를 구비한 실링재(130, 130')에 에너지를 부가하여 실링재(130, 130')를 용융시켜 실링재(130, 130')자체에서만 열이 발생하여 열의 확산에 의한 염료 분자(114)의 열손상을 최소화할 수 있다.

이하 실링재에 대해 설명한다. 염료 감응형 태양전지는 제1 기판(110)과 제2 기판(100)의 사이에 광음극 전극(210)과 대향 전극(200) 및 전해액(115)을 포함한다. 이를 위해서는 제1 기판(110)과 제2 기판(100)은 소정의 두께로 이격 될 수 있다. 염료 감응형 태양전지에서 실링재(130)는 제1 기판(110)과 제2 기판(100) 사이의 간격을 유지하는 역할을 수행할 수 있다.

본원 발명의 일 실시예에 의한 실링재(130, 130')에 따르면 실링재(130, 130')는 핫멜트 접착제(131)와 발열 입자(132, 133)를 구비할 수 있다. 이때, 실링재(130, 130')는 발열 입자(132, 133)를 구비하므로 염료 분자(114)의 손상을 방지하며 실링재(130, 130')를 용융시킬 수 있다. 예를 들어, 발열 입자(132, 133)는 보다 적은 외부 광원 또는 자기장에 의해 발열되어 실링재(130, 130')에 유입되는 열량을 줄이면서 실링재(130, 130')의 용융을 가능케 할 수 있다. 실링재(130, 130')에 유입되는 열량이 적어짐으로 실링재(130, 130') 가열시 실링재(130, 130') 주위의 염료 분자(114) 파괴를 줄이는 효과가 있다.

이하 실링재(130,130')를 구성하는 핫멜트 접착제(131)에 대해 먼저 설명한 후, 발열 입자(132, 133)에 대해 설명한다.

핫멜트 접착제(131)에 대해 설명한다. 실링재(130)는 핫멜트 접착제(131)를 구비할 수 있다. 핫멜트 접착제(131)는 가열을 통해 용융되며 접착이 일어나는 접착제의 일종이다. 이때, 핫멜트 접착제(131)는 예를 들어, 레이저를 조사하여 가열할 수도 있다. 물론 핫멜트 접착제(131)를 가열하는 방법은 이에 제한되지 않으며 다양한 방법으로 가열될 수 있다.

이때, 핫멜트 접착제(131)는 상온에서는 점착성이 없지만 용융시킬 경우 점착성을 가지는 에틸렌(ethylene) 초산비닐계 또는 에틸렌-아크릴산(ethylene-acrylic acid)유도체 등의 접착 부재를 포함할 수도 있다. 또한, 핫멜트 접착제(131)는 예를 들어 폴리올레핀(polyolefine) 유도체를 접착 부재로 포함할 수 있다. 또한, 핫멜트 접착제(131)는 폴리아크릴 폴리머, 스티렌-아크릴 폴리머 또는 폴리비닐 부티랄을 접착부재로 포함할 수도 있다. 여기서 상기 각각의 접착부재는 카르복실 산(carboxylic acid), 카르복시산의 금속염(carboxylated metal ion), 무수말레인산(maleic anhydride), 말레인산(maleic acid)으로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 접착부재는 본 발명에 따른 예에 불과하며 이에 제한되지 않고 다양한 접착부재가 가능함은 물론이다. 또한, 상기 접착부재에 더 포함되는 관능기는 상기 예에 제한되지 않으며 다양한 종류의 관능기가 더 포함될 수 있음은 물론이다.

핫멜트 접착제(131)는 레이저 조사를 통해 가열될 수 있다. 이때, 레이저 실링을 위하여 사용하는 레이저의 파장은 예를 들어 적외선 영역의 파장 일 수 있다. 이때, 레이저 흡수 물질은 망간(Mn), 철(Fe), 바라듐(V), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 코발트(Co) 또는 구리(Cu)일 수 있으며 이러한 레이저 흡수 물질은 핫멜트 접착제(131)에 포함될 수 있다. 그러나 본 발명의 보호범위는 이에 한정되지 아니하며, 레이저 파장에 대해 광흡광도가 높은 물질은 본 발명의 레이저 흡수 물질에 해당된다고 할 것이다.

이하, 발열 입자(132, 133)에 대해 설명한다. 발열 입자(132, 133)는 예를 들어 광열 변환(LTHC light-to-heat conversion) 물질(132)일 수 있다. 또한, 발열 입자(132, 133)는 자기장에 의해 열을 발생시키는 나노 입자(133)일 수 있다.

먼저, 도 4를 참조하여 광열 변환 물질(132)을 구비한 실링재(130)를 설명한다. 광열 변환 물질(132)은 예를 들어 레이저 조사 등을 통해 입사된 광의 적어도 일부를 열로 변화시키는 물질을 의미한다. 광열 변환 물질(132)은 적외선을 포함하여 예를 들어 가시 광선 및/또는 자외선 영역의 광을 흡수하여 열로 변환시킬 수 있다. 광열 변환 물질(132)은 염료, 안료, 금속, 금속 화합물, 금속 필름 및 다른 적절한 광을 열로 변환하는 물질을 포함할 수 있다.

광열 변환 물질(132)은 예를 들어 카본 블랙(carbon black), 나노 카본(nano carbon) 등의 카본계 물질과 금속 산화물(metal oxides) 및 금속 황화물(metal sulfides)을 포함할 수 있다. 따라서, 광열 변환 물질(132)은 예를 들어 카본 블랙 등의 안료 및 유기 폴리머 등의 결합제를 포함할 수 있다. 광열 변환 물질(132)은 예를 들어, 금속 혹은 외관이 검게 보이는 부분적으로 산화된 알루미늄 등에 의해 형성된 금속 또는 금속 산화물을 포함할 수 있다. 광열 변환 물질(132)로 사용하기 위한 염료는 결합제에 용해되거나 또는 최소한 부분적으로 결합제에 분산된 미립자 형태로 존재할 수 있다. 미립자가 분산된 광열 변환 물질(132)의 입자 크기는 예를 들어 적어도 10㎛ 이하, 또는 1㎛ 이하일 수 있다. 광열 변환 물질(132)로 사용되는 염료는 적외선 영역의 스펙트럼에서 흡수되는 염료를 포함할 수 있다. 또한, 광열 변환 물질(132)로 안료를 사용할 수 있다. 이러한 안료의 예로 프탈로시아니, 니켈 디시오렌, 카본 블랙 또는 그래파이트로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 피라조론 황색, 디아니시딘 적색 안료를 사용할 수 있다. 이때, 안료는 무기 안료를 또한 사용할 수 있는데, 예를 들면 알루미늄, 비스무스, 주석, 인듐, 아연, 티타늄, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 이리듐, 니켈, 팔라디온, 백금, 구리, 은, 금, 지르코늄, 철, 납 또는 텔루르 등의 금속 산화물 및 황화물을 포함할 수 있다. 금속 붕소화물, 탄화물, 질화물 또는 카보니트라이드를 또한 사용할 수 있다. 여기서 금속은 예컨대 알루미늄, 비스무스, 주석, 인듐, 텔루르 또는 아연을 포함할 수 있다.

도 4에서 예를 들어, 실링재(130)에 레이저 등의 광(L)을 조사하게 되면 광열 변환 물질(132)에 의해 입사 광(L)의 적어도 일부를 열로 변환하게 된다. 따라서, 실링재(130) 내부의 광열 변환 물질(132)에 의해 발생한 열량은 핫멜트 접착제(131)에 열을 전달하게 된다. 광열 변환 물질(132)에 의해 열이 발생하므로 외부에서 입사되어야 하는 열량을 줄일 수 있게 된다. 외부에서 입사되는 열량을 줄일 수 있다는 뜻은 적은 양의 외부 열량을 통하여 실링재(130)를 밀봉할 수 있다는 뜻이다. 따라서, 입사되는 외부 열량이 줄어들어 가열에 의한 염료 분자(114)의 파괴를 줄일 수 있다.

도 5를 참조하여 자기장(M)에 의해 열을 발생하는 나노 입자(133)를 구비한 실링재(130')를 설명한다. 이때, 자기장(M)에 의해 열이 발생한다는 것은 예를 들어 자기장(M)의 세기 변화 등의 자기장(M)의 변화에 따라 열이 발생한다는 것을 의미할 수 있다. 그러나 자기장(M)에 의한 발열 방법은 이에 제한되지 않으며 다양한 방법으로 자기장(M)을 통해 나노 입자(133)을 발열 시킬 수 있음은 물론이다.

나노 입자(133)는 자기장(M)에 의해 열을 발생시키는 입자로 나노 입자(133)는 초상자성(super paramagnetic)을 띄는 물질일 수 있다.

이와 같이 자기장(M)에 의해 발열되는 나노입자(133)는 예를 들어 적철석(Fe2O3) 또는 자철석(Fe3O4)을 위주로 하는 산화철 등의 물질이 혼입된 실리카(SiO2) 또는 알루미나(Al2O3)일 수 있다.

예를 들어 초상자성 나노 입자(133)의 크기는 5nm 내지 100nm일 수 있다. 이때, 0.25mT보다 크지 않은 자기장(M)이 적용될 때 초상자성 나노 입자(133)의 자화량은 10 내지 70 Am2/kg일 수 있다. 이때, 나노 입자(133)의 크기 또는 자화량은 일 실시예에 불과하며 나노 입자(133)의 크기 또는 자화량이 이에 제한되지 않고 다양하게 변화될 수 있음은 물론이다.

도 5를 참조하면, 교류 자계 유도체(300)에 의해 자기장(M)이 발생하면 실링재(130') 내부에 위치한 나노 입자(133)가 발열되어 실링재(130')의 핫멜트 접착제(131)가 용융된다. 이때, 핫멜트 접착재(131)를 제1 기판(110)과 제2 기판(100) 사이에 위치시킨 후 제1 기판(110)과 제2 기판(100)에 예를 들어 제1 방향(y)으로 압력을 가하면서 교류 자계 유도체(300)로 실링재(130')를 용융시킬 수 있다. 이와 같이 자기장(M)에 의해 발열하는 나노 입자(133)에 의하면 실링재(130')의 자체 발열에 의해 외부 열원이 필요 없거나 또는 외부 열원으로부터 가열되는 열량을 줄일 수 있다. 따라서, 이와 같은 나노 입자(133)를 구비함으로써 실링재(130')의 가열시 열의 확산에 의한 염료 분자(114)의 열손상을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

도 3을 참조하면, 제1 기판(110)과 제2 기판(100) 사이에 전해액(115)을 밀봉하도록 실링재(130, 130')를 배치하며 제1 기판(110)과 제2 기판(100)을 정렬하여 합착하는 단계(S160, S170)에서, 실링재(130, 130')가 발열 입자(132, 133)를 구비함으로 발열 입자(132, 133)가 없었을 때와 비교하여 보다 적은 광량으로도 효과적으로 핫멜트 접착제(131)를 용융시킬 수있다. 또한, 자기장(M)을 인가하여 발열되는 나노 입자(133)를 통하여 적은 광량 또는 외부 가열이 없이도 핫멜트 접착제(131)를 용융시킬 수 있다. 이때, 적어도 어느 한 기판(110, 100)에 실링재(130, 130')를 배치한 후, 실링재(130 ,130')의 발열 입자(132, 133)에 에너지를 인가할 수도 있다. 또는, 제1 기판(110)과 제2 기판(100) 사이에 실링재(130, 130')를 배치한 후, 합착하며 발열 입자(132, 133)에 에너지를 인가할 수도 있다. 다양한 단계에서 필요에 따라 실링재(130, 130')의 발열 입자(132, 133)에 에너지를 인가할 수 있음은 물론이다.

이때, 실링재(130, 130') 자체에서만 열이 발생하므로 열의 확산에 의한 염료 분자(114)의 열 손상을 최소화 할 수는 효과가 있다. 염료 분자(114)의 열손상이 감소되므로 염료 분자(114)를 배치할 수 있는 공간이 넓어져 활성면적을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 외부 광량을 줄일 수 있으므로 투자비 및 유지 관리비가 감소된다. 또한 기판(110, 100)을 국부적으로 가열하는 열량을 줄이거나 외부 열량을 필요로 하지 않으므로, 기판(110, 100)을 국부적으로 가열함에 따라 발생할 수 있는 응력 발생 및 열변형을 줄일 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

본 발명은 실링재 및 염료 감응형 태양전지를 이용 및 제조하는 산업에 이용될 수 있다.

100: 제2 기판 101: 제2 투명 전도층
102: 제2 그리드 전극 103: 촉매막
110: 제1 기판 111: 제1 투명 전도층
112: 제1 그리드 전극 113: 반도체 산화물층
114: 염료 분자 115: 전해액
130, 130': 실링재 131: 핫멜트 접착제
132: 광전 변환 물질 133: 나노 입자
160: 보호막 200: 광음극 전극
210: 대향 전극 300: 교류 자계 유도체
L: 빛 M: 자기장

Claims

삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
서로 대향하도록 배치된 제1 기판과 제2 기판;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 마주보는 내면에 각각 배치되는 제1 전극부와 제2 전극부;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 채워진 전해액; 및
상기 전해액을 밀봉시키기 위하여 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 실링재;를 포함하며,
상기 제1 전극부는 염료 분자가 흡착된 반도체 산화물층을 구비하며,
상기 실링재는,
열을 흡수하여 접착되는 핫멜트 접착제; 및
에너지를 흡수하여 발열하는 것으로, 입사되는 광의 적어도 일부를 열로 변환하는 제1 물질 또는 자기장의 변화에 의해 발열하는 제2 물질을 포함하는 발열 입자;를 구비하는 염료 감응형 태양전지.
삭제
제10항에 있어서,
상기 제1 물질은 카본 블랙, 나노 카본, 금속 산화물 또는 금속 황화물로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 염료 감응형 태양전지.
제10항에 있어서,
상기 제1 물질은 구리, 알루미늄, 비스무스, 주석, 인듐, 아연, 티타늄, 크롬, 몰리브덴, 텅스텐, 코발트, 이리듐, 니켈, 팔라디온, 백금, 은, 금, 지르코늄, 철, 납, 텔루르의 금속 산화물 및 황화물, 프탈로시아니, 니켈 디시오렌, 그래파이트, 피라조론, 디아니시딘, 금속 붕소화물, 탄화물, 질화물 또는 카보니트라이드로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 염료 감응형 태양전지.
제10항에 있어서,
상기 제1 물질은 적외선을 흡수하는 물질인 염료 감응형 태양전지.
삭제
제10항에 있어서,
상기 제2 물질은 초상자성 물질인 염료 감응형 태양전지.
제10항에 있어서,
상기 제2 물질은 실리카(SiO₂) 또는 알루미나(Al₂O₃)로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 염료 감응형 태양전지.
제17항에 있어서,
상기 제2 물질은 산화철을 포함하는 염료 감응형 태양전지.
제10항에 있어서,
상기 핫멜트 접착제는 에틸렌 초산비닐계, 에틸렌-아크릴산 유도체, 폴리올레핀 유도체, 폴리아크릴 폴리머, 스티렌-아크릴 폴리머 또는 폴리비닐 부티랄로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 염료 감응형 태양전지.
제10항 또는 제19항에 있어서,
상기 핫멜트 접착제는 카르복실 산, 카르복시산의 금속염, 무수말레인산 또는 말레인산으로 이루어진 군에서 선택된 하나를 포함하는 염료 감응형 태양전지.
제10항에 있어서,
상기 핫멜트 접착제는 망간, 철, 바라듐, 크롬, 니켈, 코발트 또는 구리로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 염료 감응형 태양전지.
제1 기판에 제1 전극부를 형성하는 단계;
상기 제1 기판에 대향하여 봉착되도록 구성된 제2 기판에 제2 전극부를 형성하는 단계;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 전해액을 밀봉하도록 실링재를 배치하며 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 정렬하여 합착하는 단계; 및
상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 전해액을 주입하는 단계;를 포함하며,
상기 실링재는 열을 흡수하여 접착되는 핫멜트 접착제; 및 에너지를 흡수하여 발열하는 것으로, 입사된 광의 적어도 일부를 열로 변환하는 제1 물질 또는 자기장에 의해 발열하는 제2 물질을 포함하는 발열 입자;를 포함하고,
상기 합착하는 단계는 상기 실링재에 광을 조사하는 단계 또는 상기 실링재에 자기장을 인가하는 단계를 포함하는 염료 감응형 태양전지 제조 방법.
삭제
삭제