KR101152028B1 - 염료감응 태양전지 - Google Patents

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Abstract

염료감응 태양전지가 제공된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 염료가 흡착된 반도체 전극, 이에 대향하는 상대 전극 및 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 구비된 전해질을 포함하는 단위 셀로 이루어진 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 태양전지는 제 1 기판에 구비되며 소정 간격으로 서로 이격된 복수 개의 제 1 반도체 전극; 상기 제 1 기판으로부터 이격된 제 2 기판에 구비되며, 소정 간격으로 이격된 복수 개의 제 2 반도체 전극을 포함하며, 여기에서 제 1 및 제 2 반도체 전극은 서로 교번하여, 대향하며, 상기 제 1 반도체 전극은 상기 제 2 반도체 전극보다 더 넓은 너비를 가지며, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 하나의 모듈에 사용된 복수 개의 단위 셀이 전체적으로 하나의 색상을 구현하므로, 시각적 효과가 우수하다. 더 나아가, 금속 그리드의 사용 없이도 염료 흡착 면적을 넓힘으로써 전지의 효율 향상을 달성할 수 있다.

Description

염료감응 태양전지{Dye sensitized solar cell}
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.
염료감응 태양전지 중에서 대표적인 것으로는 1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPEL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 등이 개발한 나노입자 산화티타늄을 이용한 염료감응 태양전지가 있다.
이 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 저렴하고 전극이 투명하여 건물 외벽 유리창이나 유리 온실 등에 응용이 가능하다는 이점이 있으나, 광전변환 효율이 낮아 실제 적용에는 제한이 있다. 이러한 염료감응 태양전지는 염료분자가 흡착된 나노 결정 산화물 필름이 코팅된 투명의 전도성 전극, 백금 등이 코팅된 상대전극 및 산화-환원의 작용을 하는 전해질로 구성된다. 이와 같은 구성을 갖는 염료감응 태양전지는 하나의 기판에 하나의 염료감응 태양전지를 구비시켜 사용하거나, 하나의 기판 위에 다수개의 염료감응 태양전지를 서로 연결시켜 모듈 형태로 사용하게 된다. 여기서, 상기 다수의 염료감응 태양전지를 연결설치하여 사용하는 염료감응 태양전지 모듈은 도 1 및 도 2에 도
시된 바와 같이, 제트-시리즈(Z-series) 형태의 직렬 모듈로 제작되어 사용될 수 있는바, 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 연결설치하여 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 연결설치되어 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, 종래의 염료감응 태양전지는 다음과 같은 문제가 있다.
먼저, 염료가 흡착된 제 1 전극이 금속 그리드 및 그 밀봉 부재의 간격만큼 이격되어, 전체적으로 하나의 색상을 구형하지 못하는 문제가 있다. 이 문제는 건물일체형 광정자소자(BIPV)로 염료감응 태양전지가 사용될 때, 특히 심각한 문제가 된다. 또 다른 문제는 실제 염료가 흡착되는 태양전지 면적(제 1 전극의 면적)이 금속 그리드 및 그 밀봉 영역에 의하여 줄어드는 문제이다.
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는 전체적으로 하나의 색상이 구현되는 시각적 효과와 함께 넓어진 염료 흡착 면적을 갖는 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 염료가 흡착된 반도체 전극, 이에 대향하는 상대 전극 및 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 구비된 전해질을 포함하는 단위 셀로 이루어진 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 태양전지는 제 1 기판에 구비되며 소정 간격으로 서로 이격된 복수 개의 제 1 반도체 전극; 상기 제 1 기판으로부터 이격된 제 2 기판에 구비되며, 소정 간격으로 이격된 복수 개의 제 2 반도체 전극을 포함하며, 여기에서 제 1 및 제 2 반도체 전극은 서로 교번하여, 대향하며, 상기 제 1 반도체 전극은 상기 제 2 반도체 전극보다 더 넓은 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 제 1 반도체 전극은 상기 제 2 반도체 전극 사이의 소정 간격과 동일하거나, 더 크며, 상기 제 1 반도체 전극은 상기 제 2 반도체 전극 사이의 소정 간격에 대향하는 위치에 구비되어, 상기 소정 간격을 외부로 노출시키지 않는다.
또한, 상기 제 1 반도체 전극 상 및 제 2 반도체 전극 사이에 노출된 제 2 기판 사이에는 밀봉부재가 구비되며, 상기 밀봉 부재가 상부에 구비된 제 1 반도체 전극은 측면은 인접한 단위 셀의 전해질과 접촉한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 반도체 전극은 산화티타늄을 포함하며, 상기 산화티타늄 표면에 염료가 흡착되며, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 상에는 ITO 또는 FTO의 투명전도성 필름이 구비된다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 하나의 모듈에 사용된 복수 개의 단위 셀이 전체적으로 하나의 색상을 구현하므로, 시각적 효과가 우수하다. 더 나아가, 금속 그리드의 사용 없이도 염료 흡착 면적을 넓힘으로써 전지의 효율 향상을 달성할 수 있다.
도 1 및 2는 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지의 정면도 및 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 4는 도 3에서 예시된 염료감응 태양전지의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 6은 도 5의 염료감응 태양전지의 단위 셀의 확대 단면도이다.
이하, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 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 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 소정 간격으로 이격된 제 1 기판(110)과 제 2 기판(120)에 각각 구비되어, 소정 간격으로 이격된 제 1 및 제 2 반도체 전극(130a, 130b))을 포함하며, 산화티타늄을 포함하는 상기 반도체 전극 표면에 염료가 흡착된다. 또한 상기 반도체 전극에 대향하는 상대 전극(미도시)이 제 1 기판 및 제 2 기판에 구비되며, 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에는 전해질이 충진된다. 특히, 본 발명에서는 두 기판 상에 각각 구비된 복수 개의 제 1 및 제 2 반도체 전극이 서로 교번하여, 대향하는데, 여기에서 교번이라 함은 제 1 기판과 제 2 기판의 제 1 및 제 2 반도체 전극이 정면에서 볼 때 중첩되지 않고, 서로 지그재그 형태로 교차되는 것을 의미하며, 이러한 구성은 도 3에 명확히 개시된다. 즉, 교번되는 제 1 기판의 제 1 반도체 전극과 제 2 기판의 제 2 반도체 전극은 제 1 반도체 전극과 제 2 반도체 전극의 중심이 동일 위치에서 대향되지 않으며, 오히려 동일 위치에서는 백금과 같은 상대 전극이 대향되며, 편의상 상대 전극의 표시는 도 3에서 생략한다. 또한, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 상에는 인듐-주석 산화물(ITO), 불소 도핑 주석산화물(F-doped tinoxide, FTO) 필름이 구비될 수 있다.
본 발명은 염료감응 태양전지를 전체적으로 하나의 색상으로 구현하기 위하여 넓은 너비의 제 1 반도체 전극이 제 2 반도체 전극 사이의 간격을 완전히 커버하는 기술적 구성을 제공한다. 따라서, 본 발명은 제 1 반도체 전극의 너비가 타 기판의 제 2 반도체 전극보다 더 넓은, 소위 비대칭 전극의 구조를 가지며, 상기 제 1 반도체 전극의 대향 위치는 상기 제 2 반도체 전극 사이의 간격에 대응한다.
도 3에서는 제 2 기판의 제 2 반도체 전극 너비(w2)보다 제 1 기판의 제 1 전극 반도체 전극 너비(w1)가 더 넓은 구조로서, 상기 제 1 반도체 전극은 제 2 반도체 전극 사이의 간격에 대응되는 위치에 구비된다. 이때 보다 넓은 제 1 반도체 전극의 너비는 반대쪽에 교번하여 대향하는 제 2 반도체 전극(130a) 사이의 간격 이상의 너비를 갖는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 제 1 반도체 전극이 상기 제 2 반도체 전극 사이의 이격거리보다 더 큰 너비를 갖는다.
또한, 염료가 모듈 전체적으로 표시되는 효과를 달성하고자 본 발명의 일 실시예는 상기 각각의 단위 셀을 분할, 구분하는 밀봉부재가 더 넓은 너비의 전극 위에 구비되어, 단위 셀을 분할하는 격벽이 외부로 표시되지 않는 기술 구성을 제공한다. 더 나아가, 본 발명은 넓은 너비 반도체 전극에 구비되는 밀봉 부재를 통하여 염료의 흡착 면적 또한 증가시킬 수 있는데, 이는 아래에서 보다 상세히 설명하다. 본 발명에서 사용되는 밀봉부재라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 기판 및 전극에 대한 계면 친화도 및 부착력이 좋고, 전해질에 대한 내구력을 갖는물질을 사용하는 것이 좋으며, 추천하기로는 열가소성 고분자 필름을 사용할 수 있는데, 그 일례로서 듀퐁사에 서 제조된 상품명으로 썰린(surlyn)이 있다.
도 4는 도 3에서 예시된 염료감응 태양전지의 정면도이다.
도 4를 참조하면, 넓은 너비의 제 1 반도체 전극(130a)과 제 2 반도체 전극(130b)은 종래 기술과 달리 서로 이격되지 않고, 인접하여 연결된 모습이다. 즉, 하부의 제 2 기판에 구비된 제 2 반도체 전극(130b)을 상부의 제 1 기판에 구비된 제 1 반도체 전극(130a)을 덮거나, 오버랩하게 되므로, 제 1 반도체 전극(130a)과 제 2 반도체 전극(130b) 사이에는 정면에서의 이격 공간이 존재하지 않게 된다. 특히, 반도체 전극에는 염료가 흡착되는 염료감응 태양전지의 특성상, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지를 정면에서 보았을 때 복수 셀을 구비하는 단위 모듈은 전체적으로 하나의 색상을 갖게 된다.
더 나아가, 본 발명에 따른 상기 구성의 염료감응 태양전지는 염료가 흡착되는 반도체 전극이 넓어지는 구성을 통하여 단위 염료감응 태양전지에 흡착되는 염료 양을 증가시키며, 이로써 염료감응 태양전지의 광전효율이 향상되는 효과가 있다.
이하 도면을 이용하여 이를 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 단면도이다.
도 5를 참조하면, 하부의 긴 너비의 제 1 반도체 전극(130a)과 이에 교번하여, 대향하는 짧은 너비의 제 2 반도체 전극(130b)을 구비하는 염료감응 태양전지가 개시된다. 상술한 바와 같이 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 긴 너비의 제 1 반도체 전극은 제 2 반도체 전극 사이의 간격과 동일하거나, 이 보다 더 긴 너비를 가져야 하며, 이로써 단위 셀이 전체적으로 하나의 색상을 나타내는, 시각적 효과를 발생시킨다.
특히, 본 발명의 일 실시예에서는 제 1 반도체 전극(130a)과 상기 제 2 반도체 전극(130b) 사이로 노출되는 제 2 기판(120)을 밀봉하는 밀봉부재(140)에 의하여 각 반도체 전극의 단위 셀을 분리한다. 즉, 본 발명은 금속그리드 사용 없이 단위 셀의 반도체 전극의 너비를 넓힘으로써 전체적인 염료감응 태양전지의 효율을 유지, 향상시키며, 이는 제 1 반도체 전극(130a) 상부와 제 2 기판(120)을 연결, 밀봉하는 상기 밀봉부재(140)에 의하여 달성된다.
도 5를 다시 참조하면, 넓어진 제 1 반도체 전극(130a)의 상부면은 하나의 염료감응 태양전지 단위 셀의 염료 흡착 기재로, 전자를 생성시킨다. 이 뿐만 아니라 넓어진 제 1 반도체 전극(130a)의 측면은 인접한 단위 셀의 전해질에 노출되며, 이로써 단위 셀 당 염료흡착 면적이 커지게 된다.
도 6은 도 5의 염료감응 태양전지의 단위 셀의 확대 단면도이다.
도 6을 참조하면, 상부에 밀봉 부재가 구비된 제 1 반도체 전극은 세 개의 단위 셀의 전해질에 모두 노출된다(A,B,C). 즉, 제 1 반도체 전극(130a)의 상부면는 단위 셀 A에, 두 측면은 단위 셀 B에 노출되며, 상기 제 1 반도체 전극에는 염료가 흡착된 상태이므로, 상기 구성의 제 1 반도체 전극은 결국 단위 셀의 염료 노출 면적을 증가시킨다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 단위 셀에서는 반도체 전극의 대향 기판에 백금과 같은 금속으로 이루어진 상대전극(150)이 구비된다.

Claims (7)

  1. 염료가 흡착된 반도체 전극, 이에 대향하는 상대 전극 및 상기 반도체 전극과 상대 전극 사이에 구비된 전해질을 포함하는 단위 셀로 이루어진 염료감응 태양전지에 있어서,
    상기 태양전지는 제 1 기판에 구비되며 소정 간격으로 서로 이격된 복수 개의 제 1 반도체 전극;
    상기 제 1 기판으로부터 이격된 제 2 기판에 구비되며, 소정 간격으로 이격된 복수 개의 제 2 반도체 전극을 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 반도체 전극은 서로 교번하여, 대향하며, 상기 제 1 반도체 전극은 상기 제 2 반도체 전극보다 더 넓은 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 반도체 전극은 상기 제 2 반도체 전극 사이의 소정 간격과 동일하거나, 더 큰 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 반도체 전극은 상기 제 2 반도체 전극 사이의 소정 간격에 대향하는 위치에 구비되어, 상기 소정 간격을 외부로 노출시키지 않는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 반도체 전극 상 및 제 2 반도체 전극 사이에 노출된 제 2 기판 사이에는 밀봉부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 밀봉 부재가 상부에 구비된 제 1 반도체 전극은 측면은 바로 옆 단위 셀의 전해질과 접촉하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 전극은 산화티타늄을 포함하며, 상기 산화티타늄 표면에 염료가 흡착된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 기판 및 제 2 기판 상에는 ITO 또는 FTO의 투명전도성 필름이 구비된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
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