KR101151936B1 - 염료감응 태양전지 - Google Patents
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Abstract
염료감응 태양전지가 제공된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 서로 대향하는 제 1 전극 기판과 제 2 전극 기판 및, 이들 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하며, 복수 개의 단위 셀로 구성된 염료감응 태양전지에 있어서, 제 1 전극 기판과 제 2 전극 기판상에는 금속 그리드가 적층되며, 상기 금속 그리드는 상기 염료감응 태양전지 길이 방향과 평행한 평행부; 및 상기 금속 그리드 단부로부터 인접한 염료감응 태양전지 단위 셀 방향으로 소정 길이만큼 연장된 연장부로 이루어진 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 그리드의 집전 효율 뿐만 아니라, 전자의 이동효율이 크게 향상되므로, 우수한 전지특성을 갖는다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 서로 대향하는 제 1 전극 기판과 제 2 전극 기판 및, 이들 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하며, 복수 개의 단위 셀로 구성된 염료감응 태양전지에 있어서, 제 1 전극 기판과 제 2 전극 기판상에는 금속 그리드가 적층되며, 상기 금속 그리드는 상기 염료감응 태양전지 길이 방향과 평행한 평행부; 및 상기 금속 그리드 단부로부터 인접한 염료감응 태양전지 단위 셀 방향으로 소정 길이만큼 연장된 연장부로 이루어진 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 그리드의 집전 효율 뿐만 아니라, 전자의 이동효율이 크게 향상되므로, 우수한 전지특성을 갖는다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 모듈에 사용된 복수 개의 단위 셀이 전체적으로 하나의 색상을 구현하므로, 시각적 효과가 우수하고, 더 나아가, 금속 그리드의 사용 없이도 염료 흡착 면적을 넓힘으로써 전지의 효율 향상을 달성할 수 있는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지가 개발된 이후 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응태양전지는 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조단가가 현저기 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 실리콘 태양전지와 달리 염료감응태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
일반적인 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조는 상, 하부 투명한 기판(일반적으로 유리)과 그 투명기판의 표면에 각각 형성되는 투명 도전성 산화물(TCO)로 이루어진 도전성 투명전극을 기본으로 하여, 제1전극(작용극)에 해당하는 일 측의 도전성 투명전극위에는 그 표면에 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층이 형성되어지고, 제2전극(촉매극)에 해당하는 타 측 도전성 투명전극 위에는 촉매박막전극(주로 Pt)이 형성되어지며, 상기 전이금속산화물, 예를 들면 TiO2, 다공질 전극과 촉매박막전극 사이에는 전해질이 충진된 구조를 가진다. 즉, 염
료감응 태양전지는 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료가 부착된 광전극(TiO2) 재료가 코팅된 작용극 기판과 전자를 공급하는 촉매극 기판 사이에 산화된 염료에 전자를 공급하여 주는 전해질을 기본으로 구성되어진다.
이와 같은 염료감응 태양전지의 실용화를 위해서는 대면적에서도 효율의 감소가 없는 모듈을 실현하는 것이 필요한데, 이를 위하여 은과 같은 금속으로 이루어진 그리드를 통하여 전자를 수송시키는 방식이 있다. 즉, 대면적 서브 모듈의 경우, 셀 면적의 증대로 인하여 상대적으로 저항값이 큰 기판 내에서의 전자 이동거리가 늘어나 전자의 장거리 이동에 따른 효율 감소가 발생하는데, 그리드 방식은 이러한 효율저하를 줄이기 위하여 셀 내부에 집전 그리드를 배치하여 전자의 기판 내에서의 이동거리를 줄여 저항을 줄이고, 효율 감소를 막는 것으로, 이들 집전 그리드 전극 도입을 통하여 작용극 기판과 촉매극 기판을 각각 최적화하여 발전효율 극대화 시킬 수 있으며, 이러한 집전 그리드 전극 도입은 그 공정이 단순하여 대면적화 적용에 용이하다.
도 1 및 2는 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지의 정면도 및 단면도이다.
도 1, 2를 참조하면, 대면적 제트-시리즈(Z-series) 형태의 직렬 모듈로 제작되어, 사용된 염료감응 태양전지가 개시된다. 상기 염료감응 태양전지 모듈은 두 개의 판상 투명전극으로서 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4)이 서로 접합된 샌드위치 구조를 갖고, 하나의 투명전극인 제 1 기판(2)의 이면에 이산화티타늄 등으로 구성된 도전성 제 1 전극(6)을 구비하고, 다른 하나의 투명전극인 제 2 기판(4)에 백금 등으로 구성된 상대전극인 제 2 전극(8)을 구비하고, 상기 제 1 전극(6) 및 제 2 전극(8)이 각각 구비된 제 1 기판(2) 및 제 2 기판(4) 사이의 공간에 전해질(18)이 충진된 형태를 하나의 단위 셀(cell)로 하여 다수의 셀을 금속 그리드(10)로 서로 연결 설치하여 구성한다. 이때, 상기 그리드(10)는 통상적으로 전해질(18)에 취약하므로 상기 그리드(10)의 외부를 밀봉부재(14)로 감싸 전해질(18)과 접촉되는 것을 방지하고, 전체 염료감응 태양전지 모듈을 구성하는 염료감응 태양전지 중 외측에 위치하는 염료감응 태양전지의 벽면을 밀봉부재(14)로 마감시켜 전해질(18)이 외부로 누액되는 것을 방지한다. 또한, 상기 각각의 염료감응 태양전지의 사이에 구비되는 그리드(10)와 이웃하게 기판(2, 4) 표면에 코팅된 도전성 필름(22)에 에칭부(16)를 구비시켜 염료감응 태양전지 내부에서 발생하는 전자가 다른 염료감응 태양전지로 병렬로 흐르지 않도록 한다. 한편, 상기 금속 그리드(10)는 염료감응 태양전지인 셀의 경계면으로서, 상기 셀의 일 측 벽면으로부터 이에 대향되는 타 측 벽면까지 연장되도록 연결 설치되어 셀, 즉 염료감응 태양전지에 충진된 전해질(18)이 다른 염료감응 태양전지로 이동되지 못하도록 구성된다. 그러므로 상기 염료감응 태양전지 각각에 전해질(18)을 주입하기 위해서는 해당 염료감응 태양전지마다 전해질 주입구(12)가 별도로 두 개 구비된다.하지만, 종래 기술의 경우 집전용 그리드를 모듈에 평행한 방향으로 길게 구성하므로, 여전히 일 방향으로의 전자 이동을 유도하기에는 무리가 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 그리드의 집전 효율을 높이고, 전자 이동 효율을 향상시킴으로써, 성능이 향상된 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 서로 대향하는 제 1 전극 기판과 제 2 전극 기판 및, 이들 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하며, 복수 개의 단위 셀로 구성된 염료감응 태양전지에 있어서, 제 1 전극 기판과 제 2 전극 기판상에는 금속 그리드가 적층되며, 상기 금속 그리드는 상기 염료감응 태양전지 길이 방향과 평행한 평행부; 및 상기 금속 그리드로부터 인접한 염료감응 태양전지 단위 셀 방향으로 소정 길이만큼 연장된 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 연장부는 상기 평행부의 단부로부터 연장되며, 본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 연장부는 상기 금속 그리드 양 단부로부터 상기 평행부에 수직하여 연장된다.
또한, 상기 금속 그리드는 상기 제 1 전극 기판상에 적층되는 제 1 금속 그리드 및 상기 제 2 전극 기판상에 적층되는 제 2 금속 그리드를 포함하며, 상기 제 1 금속 그리드 및 제 2 금속 그리드는 'ㄷ'자 형태이며, 상기 제 1 금속 그리드 및 제 2 금속 그리드는 각각의 평행부가 서로 접촉하나, 상기 각각의 연장부는 서로 접촉하지 않는다. 또한, 상기 제 1 금속 그리드 및 제 2 금속 그리드의 평행부 두께는 상기 연장부 두께보다 두꺼우며, 상기 금속 그리드는 금속을 포함한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 그리드의 집전 효율 뿐만 아니라, 전자의 이동효율이 크게 향상되므로, 우수한 전지특성을 갖는다.
도 1 및 2는 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지의 정면도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 상기 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 상기 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 정면도이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 설명된 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 대향하여 배치된 제 1 전극 기판(310)과 제 2 전극 기판(320) 및, 이들 기판 사이에 충진되는 전해질(330)을 포함한다. 상기 염료감응 태양전지는 서로 인접한 복수 개의 단위 셀로 구성되며, 상기 단위 셀은 금속 그리드에 의하여 연결되는데, 본 발명은 상기 금속 그리드의 구성을 종래의 1자형이 아닌 구성을 통하여 전지 효율을 향상시키는데, 이하 이를 보다 상세히 설명한다.
도 3을 다시 참조하면, 상기 제 1 전극 기판(310)과 제 2 전극 기판(320)상에는 금속 그리드(340)가 적층되는데, 상기 금속 그리드(340)는 염료감응 태양전지의 길이방향과 평행한 평행부(340a); 및 상기 금속 그리드 단부로부터 인접 단위 셀 방향으로 소정 길이만큼 연장된 연장부(340b)로 이루어진다. 즉, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 모듈과 평행한, 즉, 염료감응 태양전지의 길이 방향과 평행한 1자형의 금속 그리드(도 1 참조) 대신 상기 1자형의 금속 그리드(평행부, 340a)로부터 소정 길이만큼 인접 단위 셀로 금속 그리드를 연장시킨다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 연장부는 평행부의 단부로부터 연장되나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 상기 구조의 금속 그리드를 구비한 염료감응 태양전지의 단위 셀에서 발생한 전자는 금속 그리드 평행부(340a)로 집전되며, 동시에 상기 집전된 전자가 금속 그리드의 연장부(340b)에 의하여 보다 짧은 이동 거리를 갖는다. 상기 연장부(340b)는 인접한 동일 기판상의 금속 그리드와 접촉되지 않는 수준의 길이를 갖는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 상기 제 1 전극 기판(310)과 제 2 전극 기판(320) 상에 각각 제 1 금속 그리드(341) 및 제 2 금속 그리드(342)가 적층되어, 상기 제 1 금속 그리드(341)와 제 2 금속 그리드(342) 각각의 평행부(341a, 342a)가 서로 대향하여, 접촉하는 구조의 금속 그리드(340)를 제공한다. 서로 접촉하는 평행부(340a)와 달리 상기 제 1 금속 그리드(341)와 제 2 금속 그리드(342)의 연장부(341b, 342b)는 서로 반대방향으로 연장되는 구조를 가지며, 이로써 연장부 자체는 서로 접촉하지 않는다. 본 발명은 이러한 연장부 구조를 통하여 양 방향으로 인접한 모듈에서의 전자 이동을 효과적으로 도모한다.
본 발명은 더 나아가 상기 평행부(341a, 342a) 두께를 상기 연장부(341b, 342b)) 보다 두껍게 하는 기술구성을 제공한다. 이 경우 연장부에서의 전극간 접촉에 따른 쇼트문제를 효과적으로 방지할 수 있다. 도 5는 본 발명의 상기 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 대향하는 두 기판 상에 적층된 금속 그리드 평행부(341a, 342a) 두께는 각각 대응되는 연장부(341b, 342b)보다 두꺼운 구성을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 금속 그리드는 “1”자가 아닌 “ㄷ” 자 형태인데, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 정면도이다.
도 6을 참조하면, 금속 그리드는 “ㄷ”자 형태로서, 1자형의 평행부(340a)와 상기 평행부(340a)의 양 단부로부터 동일 방향으로 연장된 두 개의 연장부(340b)를 포함하는 구성이다. 각각의 전극 기판상에 적층되어 서로 대향하는 2 개의 “ㄷ”자형 단위 금속 그리드는 각각의 평행부(340a)가 서로 중첩되어, 접촉하나, 상기 연장부는 서로 다른 방향으로 연장되어, 서로 중첩하여 접촉되지 않는다. 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 이러한 지그재그 형태의 교차 그리드 구성을 통하여 집전 효율 향상과 함께 우수한 전자 전달 효과를 발생시키며, 이는 보다 짧아진 전자 이동 거리로 설명될 수 있다.
이하 비교실험를 통하여 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 효율 특성을 비교한다.
실험예
1
본 실험예에서는 본 발명에 따라 연장부를 구비하는 염료감응 태양전지(도 6 참조, 실시예)와 종래의 1자형 그리드를 구비한 염료감응 태양전지(도 1 참조, 비교예)를 동일 크기로 제조한 후, 동일 조건에서 태양전지 특성을 분석하였고, 이는 하기 표 1에 나타내었다.
표 1을 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 비교예에 비하여 개방회로 전압(Voc), 단락전류(Isc), 필 팩터(F.F) 및 효율이 모두 향상된 것을 알 수 있다.
| Voc | Isc | F.F | 효율 | |
| 비교예 | 6.776 | 54.84 | 69.01 | 4.66 |
| 실시예 | 7.220 | 56.65 | 76.43 | 5.68 |
실험예
2
본 실험예에서는 평행부의 두께가 연장부보다 두꺼운 경우(실시예 1)와 평행부와 연장부의 두께가 동일한 경우(실시예 2)를 비교하였다.
| Voc | Isc | F.F | 효율 | |
| 실시예 2 | 8.95 | 223.7 | 49.37 | 4.12 |
| 실시예 1 | 8.97 | 213.3 | 55.50 | 4.43 |
표 2를 참조하면, 평행부 두께를 두껍게 한 실시예 2가 평행부와 연장부의 두께를 동일하게 한 실시예 1에 비하여 특히 필 팩터(F.F)는 12%, 효율은 7.5% 증가하였다.
상기 실험예들로부터 본 발명에 따라 연장부를 포함하는 그리드에 의하여 태양전지 특성, 효율이 모두 향상되며, 더 나아가, 그리드 평행부의 두께 증가에 의하여 서로 멀어지는 연장부 사이의 거리로부터 태양전지의 필 팩터, 효율 향상이 발생하는 것을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
Claims (7)
- 서로 대향하는 제 1 전극 기판과 제 2 전극 기판 및, 이들 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하며, 복수 개의 단위 셀로 구성된 염료감응 태양전지에 있어서, 제 1 전극 기판과 제 2 전극 기판상에는 금속 그리드가 적층되며,
상기 금속 그리드는 상기 염료감응 태양전지 길이 방향과 평행한 평행부; 및
상기 금속 그리드로부터 인접한 염료감응 태양전지 단위 셀 방향으로 연장된 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제 1항에 있어서,
상기 연장부는 상기 평행부의 단부로부터 연장된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제 1항에 있어서,
상기 연장부는 상기 금속 그리드 양 단부로부터 상기 평행부에 수직하여 연장된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제 1항에 있어서,
상기 금속 그리드는 상기 제 1 전극 기판상에 적층되는 제 1 금속 그리드 및 상기 제 2 전극 기판상에 적층되는 제 2 금속 그리드를 포함하며, 상기 제 1 금속 그리드 및 제 2 금속 그리드는 'ㄷ'자 형태인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제 4항에 있어서,
상기 제 1 금속 그리드 및 제 2 금속 그리드는 각각의 평행부가 서로 접촉하나, 상기 각각의 연장부는 서로 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제 5항에 있어서,
상기 제 1 금속 그리드 및 제 2 금속 그리드의 평행부 두께는 상기 연장부 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. - 제 6항에 있어서,
상기 금속 그리드는 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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|---|---|---|---|
| KR1020100068322A KR101151936B1 (ko) | 2010-07-15 | 2010-07-15 | 염료감응 태양전지 |
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| KR100654103B1 (ko) | 2005-11-30 | 2006-12-06 | 한국전기연구원 | 탄소나노튜브 전극을 이용한 염료감응형 태양전지 모듈 |
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- 2010-07-15 KR KR1020100068322A patent/KR101151936B1/ko active IP Right Grant
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