KR101156456B1 - 다중 밀폐부재를 구비한 염료감응 태양전지 모듈 - Google Patents

다중 밀폐부재를 구비한 염료감응 태양전지 모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 밀폐부재를 구비한 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것이다.
본 발명은, 반도체 전극을 구비한 음극기판과 상대전극을 구비한 양극기판 사이로 전해질을 주입하기 위해 구비된 전해질 주입공; 및 상기 전해질 주입공을 밀폐하는 밀폐부;를 포함하는 염료감응 태양전지 모듈을 제공한다. 이때 상기 밀폐부는, 상기 전해질이 위치하는 내부공간에 노출되도록 상기 전해질 주입공의 내부에 위치하는 내부밀폐부재; 및 외부공간에 노출된 외부밀폐부재;를 포함한다.

Description

다중 밀폐부재를 구비한 염료감응 태양전지 모듈{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL MODULE WIHT MULTILAYER SEALING}
본 발명은 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해질 주입공을 밀폐하기 위해 서로 다른 특성을 갖는 복수의 밀폐부재들을 이용하는 염료감응 태양전지 모듈에 관한 것이다.
태양광을 전기에너지로 변환하는 광전변환소자인 태양전지는 다른 에너지원과 달리 무한하고 환경친화적이므로 시간이 갈수록 그 중요성이 더해가고 있다.
종래에는 태양전지로 단결정 또는 다결정의 실리콘 태양전지가 많이 사용되어 왔다. 그러나 실리콘 태양전지는 제조시에 대형의 고가 장비가 사용되고 원료 가격이 고가이어서 제조비용이 높고, 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 변환 효율을 개선하는데도 한계가 있어 새로운 대안이 모색되었다.
실리콘 태양전지의 대안으로 저가로 제조할 수 있는 유기재료를 사용한 태양전지에 대한 관심이 집중되고 있는데, 특히 제조비용이 매우 저렴한 염료감응 태양전지가 많은 주목을 받고 있다. 이하, 상기 염료감응 태양전지의 모듈을 도 1을 참조하여 설명한다.
일반적으로 염료감응 태양전지 모듈(10)은 서로 대향하여 위치하는 음극기판(20)과 양극기판(40), 산화환원용 전해질(60), 음극 그리드(80a) 및 양극 그리드(80b), 내부 실런트(90a) 및 외부 실런트(90b)를 포함한다.
음극기판(20)은 투명기판(22)과 전도성 투명막(24)을 포함하고, 양극기판(40)은 투명기판(42)과 전도성 투명막(44)을 포함한다. 음극기판(20)의 전도성 투명막(24) 상에는 음극전극(26)이 구비되고, 양극기판(40)의 전도성 투명막(44) 상에는 양극전극(46)이 구비된다. 음극전극(26)은 금속산화물(티타니아 등)의 나노입자와 상기 나노입자의 표면에 흡착된 광감응 염료로 이루어지고, 양극전극(46)은 백금(Pt) 등과 같은 전도성 금속 또는 탄소나노튜브(CNT) 또는 전도성 고분자 등으로 이루어진다.
산화환원용 전해질(60)은 음극전극(26)과 양극전극(46) 사이에 충진된다. 상기 전해질(60)은 산화/환원 반응을 통해 상기 양극전극(46)으로부터 전자를 받아 음극전극(26)의 광감응 염료로 전달한다.
음극 그리드(80a)는 음극전극(26)에서 발생한 전자를 포집하기 위해 음극기판(20)의 전도성 투명막(24)에 형성되고, 양극 그리드(80b)는 외부로부터 공급된 전자를 양극전극(46)으로 분배하기 위해 양극기판(40)의 전도성 투명막(44)에 형성된다.
내부 실런트(90a)는 음극 그리드(80a)와 양극 그리드(80a)를 덮도록 위치하여 상기 전해질(60)에 의해 음극 그리드(80a)와 양극 그리드(80b)가 침식되는 현상을 방지하고, 음극 그리드(80a)와 양극 그리드(80b) 간을 절연시킨다. 그리고, 외부 실런트(90a)는 음극기판(20)의 전도성 투명막(24)의 테두리와 양극기판(40)의 전도성 투명막(44) 테두리 사이에 위치하여 전해질(60)이 모듈(10)의 외부로 누액되는 현상을 방지한다.
염료감응 태양전지 모듈(10)에서 전해질(60)은 음극기판(20)과 양극기판(40)의 결합이 완료된 이후 주입된다. 따라서 양극기판(20) 또는 음극기판(40)에는 전해질(60) 주입을 위한 전해질 주입공(70)이 형성되고, 상기 전해질 주입공(70)은 전해질(60)이 주입된 후 밀폐부재(72)에 의해 폐밀된다.
종래 상기 밀폐부재(72)로는 설린(surlyn, 듀퐁사의 제품명)이나 바이넬(bynel, 듀퐁사의 제품명)과 같은 열가소성 수지가 사용되었다. 필름 형태의 설린이나 바이넬을 전해질 주입공(70)을 덮도록 위치시킨 후 열에너지를 가하면 상기 필름 형태의 설린이나 바이넬이 녹으면서 전해질 주입공(70)을 매우고, 이후 설린이나 바이넬을 경화시키면 전해질 주입공(70)이 밀폐된다.
그러나 상술한 바에 따르면, 필름 형태의 열가소성 수지에 열에너지를 가하는 과정에서 강한 휘발성을 갖는 전해질(60)이 증발하게 되고 증발한 전해질(60)이 녹아내린 열가소성 수지와 양극기판(40) 사이를 통해 외부로 유출되는 문제가 발생한다.
염료감응 태양전지 모듈(10)은 낮에 태양으로부터 에너지를 받으면 작동하고, 이때 염료감응 태양전지 모듈(10) 내부의 온도 및 압력은 태양의 열에너지로 인해 상승하게 된다. 그리고 염료감응 태양전지 모듈(10)은 밤에 작동을 정지하고, 이때 염료감응 태양전지 모듈(10) 내부의 온도 및 압력은 하강하게 된다.
이러한 온도 및 압력의 변화가 하루를 주기로 하면서 일정 기간 동안 반복되면, 밀폐부재(72)와 양극기판(40) 사이에 틈이 형성되고 그 틈을 통해 전해질(60)이 누액된다. 그리고 전해질 누액은 염료감응 태양전지 모듈(10)의 성능 저하를 초래한다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전해질 주입공을 밀폐하는 과정에서 유출되는 전해질의 양을 종래에 비해 감소시킬 수 있고, 작동 및 정지의 반복으로 인한 전해질 누액 현상을 종래에 비해 더 긴 시간 동안 방지할 수 있는 염료감응 태양전지 모듈을 제공하는 것을 목적으로 삼고 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 반도체 전극을 구비한 음극기판과 상대전극을 구비한 양극기판 사이로 전해질을 주입하기 위해 구비된 전해질 주입공; 및 상기 전해질 주입공을 밀폐하는 밀폐부;를 포함하는 염료감응 태양전지 모듈을 제공한다. 이때 상기 밀폐부는, 상기 전해질이 위치하는 내부공간에 노출되도록 상기 전해질 주입공의 내부에 위치하는 내부밀폐부재; 및 외부공간에 노출된 외부밀폐부재;를 포함한다.
상기 내부밀폐부재는 광경화 수지로 이루어진다. 이와 같은 경우 전해질 주입공을 밀폐하는 과정에서 유출되는 전해질의 양이 종래에 비해 감소한다.
상기 밀폐부는 상기 전해질 중입공의 내부에 위치하도록 상기 내부밀폐부재와 상기 외부밀폐부재 사이에 구비된 중앙밀폐부재;를 더 포함한다. 그리고, 상기 중앙밀폐부재는 열가소성 수지로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 염료감응 태양전지 모듈 내부의 온도 및 압력 변화에 의한 응력이 내부밀폐부재 및 외부밀폐부재로 분산된다. 따라서 염료감응 태양전지 모듈의 작동 및 정지의 반복으로 인한 전해질 누액 현상이 종래에 비해 더 긴 시간 동안 방지될 수 있다.
또한 본 발명에 의하면 전해질 주입공을 처음에 밀폐하는 내부밀폐부재가 광경화 수지로 이루어지기 때문에 전해질 주입공을 밀폐하는 과정에서 유출되는 전해질의 양이 종래에 비해 감소한다.
또한 본 발명에 의하면 중앙밀폐부재가 내부밀폐부재의 밀림 현상에 의해 외부밀폐부재(172b)가 받는 힘을 감소시킨다. 따라서 염료감응 태양전지 모듈의 작동 및 정지의 반복으로 인한 전해질 누액 현상이 종래에 비해 더 긴 시간 동안 방지될 수 있다.
도 1은 염료감응 태양전지 모듈의 일반적인 구조를 설명하기 위한 부분 단면도이다
도 2는 본 발명에 따른 다중 밀폐부재를 구비한 염료감응 태양전지 모듈을 도시한 부분 단면도이다.
도 3은 도 2의 염료감응 태양전지 모듈의 변형예를 도시한 부분 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 다중 밀폐부재를 구비한 염료감응 태양전지 모듈의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.
본 발명에 따른 다중 밀폐부재를 구비한 염료감응 태양전지 모듈(100)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 음극기판(120)과, 양극기판(140)과, 산화환원용 전해질(160)과, 전해질 주입공(170)과, 밀폐부(172)를 포함한다.
음극기판(120)은 투명기판(122)과, 상기 투명기판(122)의 일측면에 구비된 전도성 투명막(124)을 포함한다. 양극기판(140)은 투명기판(142)과, 상기 전도성 투명막(124)과 마주하도록 상기 투명기판(142)의 일측면에 구비된 전도성 투명막(144)을 포함한다.
음극기판(120)의 전도성 투명막(124) 상에는 반도체 전극(126)이 구비되고, 양극기판(140)의 전도성 투명막(144) 상에는 상대전극(146)이 구비된다. 반도체 전극(126)은 금속산화물(티타니아 등)의 나노입자와 상기 나노입자의 표면에 흡착된 광감응 염료로 이루어지고, 상대전극(146)은 백금(Pt) 등과 같은 전도성 금속 또는 탄소나노튜브(CNT) 또는 전도성 고분자 등으로 이루어진다.
산화환원용 전해질(160)은 반도체 전극(126)과 상대전극(146)이 잠기도록 음극기판(120)과 양극기판(140) 사이에 채워진다. 상기 전해질(160)은 산화/환원 반응을 통해 상기 상대전극(146)으로부터 전자를 받아 반도체 전극(126)의 광감응 염료로 전달한다. 음극기판(120)과 양극기판(140) 사이에 채워진 전해질(160)의 누액은 외부 실런트(190a)에 의해 방지된다. 상기 외부 실런트(190a)는 음극기판(120)의 전도성 투명막(124)의 테두리와 양극기판(140)의 전도성 투명막(144) 테두리 사이에 위치한다.
상기 염료감응 태양전지 모듈(100)에서 전해질(160)은 음극기판(120)과 양극기판(140)의 결합이 완료된 이후에 주입된다. 따라서 염료감응 태양전지 모듈(100)에는 전해질 주입공(170)이 구비된다. 상기 전해질 주입공(170)은 전해질(160)이 주입된 후 밀폐부(172)에 의해 밀폐된다. 도 2 및 도 3에 도시된 바에 의하면 전해질 주입공(170)이 양극기판(120)에 구비되어 있으나, 전해질 주입공(170)의 위치는 이에 한정되지 않고 주변 여건에 따라 적절하게 조절될 수 있다.
앞서 배경기술에서 설명된 바와 같이, 염료감응 태양전지 모듈(100) 내부의 온도 및 압력은 반복적으로 상승하고 하강한다. 그리고 이와 같은 현상이 소정의 기간동안 지속하면, 어느 순간부터 전해질 주입공(170)을 통해 전해질(160)이 누액되기 시작한다.
상기 염료감응 태양전지 모듈(100)의 밀폐부(170)는 전해질(160)의 누액 시점을 늦추기 위해 복수의 밀폐부재를 구비한다. 구체적으로 밀폐부(170)는 도 2에 도시된 바와 같이 내부밀폐부재(172a)와 외부밀폐부재(172b)를 포함한다.
내부밀폐부재(172a)는 전해질 주입공(170)의 내부에 위치하고, 전해질(160)이 위치하는 내부공간에 노출된다. 그리고 외부밀폐부재(172b)는 염료감응 태양전지 모듈(100)의 외부공간에 노출된다.
염료감응 태양전지 모듈(100)이 태양에 노출되면 전해질(160)의 온도가 상승한다. 그리고 이때 휘발성이 강한 전해질(160)은 증발하게 되므로 염료감응 태양전지 모듈(100) 내부의 압력 또한 상승한다. 종래에는 상승한 온도 및 압력에 의한 응력이 그대로 밀폐부재(72)(도 1 참고)에 전달되었다. 그러나 본 발명에 의하면 상승한 온도에 의한 응력이 내부밀폐부재(172a)와 외부밀폐부재(172b)로 분산되고, 상승한 압력에 의한 응력으로부터 내부밀폐부재(172a)와 양극기판(140) 간 마찰응력이 감해진 응력만이 외부밀폐부재(172a)에 전달된다. 따라서 염료감응 태양전지 모듈(100)의 내부 온도 및 압력이 반복적으로 변화하는 동안 상기 외부밀폐부재(172b)가 받는 응력 변화량은 종래의 밀폐부재(72)가 받는 응력 변화량에 비해 작고, 이로써 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈(100)은 종래의 염료감응 태양전지 모듈(10)(도 1 참고)에 비해 전해질 누액 시점을 늦추게 된다.
상기 내부밀폐부재(172a)는 패이스트 상태의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 전해질 주입공(170)에 주입한 후 염료감응 태양전지 모듈(100)에 열을 가하여 형성할 수 있다. 그러나 이러한 경우에는 전해질 누액 시점이 늦춰질 수 있을 지언정 전해질 주입공(170)에 내부밀폐부재(172a)를 형성하는 과정에서 전해질(160)이 과다하게 유출되는 문제가 있다. 이에 상기 내부밀폐부재(172a)는 자외선(UV) 경화 수지, 전자선(EB) 경화 수지 등의 광경화 수지로 이루어지는 것이 바람직하다.
이와 같은 경우, 페이스트 상태의 광경화 수지를 전해질 주입공(170)에 주입한 후 염료감응 태양전지 모듈(100)에 광(자외선, 전자선)을 조사하면 내부밀폐부재(172a)가 형성된다. 이때 염료감응 태양전지 모듈(100)에는 광이 가해지기 때문에 전해질(160)의 증발량은 열이 가해지는 경우에 비해 작고, 이로써 전해질 주입공(170)을 밀폐하는 과정에서 유출되는 전해질(160)의 양이 감소하게 된다.
한편, 염료감응 태양전지 모듈(100) 내부의 압력으로 인해 내부밀폐부재(172a)가 받는 힘이 내부밀폐부재(172a)와 양극기판(40) 간 마찰력보다 크면 내부밀폐부재(172a)가 외부밀폐부재(172b) 방향으로 밀리는 현상이 발생한다. 따라서 상기 밀폐부(172)는 내부밀폐부재(172a)의 밀림 현상에 의해 외부밀폐부재(172b)가 받는 힘을 감소시킬 수 있도록, 도 3에 도시된 바와 같이, 내부밀폐부재(172a)와 외부밀폐부재(172b) 사이에 열가소성 수지로 이루어진 중앙밀폐부재(172c)를 더 구비한다.
열가소성 수지로 이루어진 중앙밀폐부재(172c)는 염료감응 태양전지 모듈(100) 내부의 온도가 상승하면 미세한 유동성을 갖게 된다. 따라서 내부밀폐부재(172a)가 밀리면서 중앙밀폐부재(172c)를 가압하면, 중앙밀폐부재(172c)가 양극기판(140)에 가하는 힘은 증가하게 된다. 그리고 이 현상으로 인해 중앙밀폐부재(172c)와 양극기판(140) 간 마찰력이 증가하고, 외부밀폐부재(172b)가 받는 힘은 줄어들게 된다. 중앙밀폐부재(172c)가 구비될 경우 외부밀폐부재(172b)는 열경화성 수지로 이루어진다.
도 2 및 도 3에 도시된 바에 의하면 반도체 전극(126)에서 발생한 전자를 포집하기 위해 음극기판(120)의 전도성 투명막(124) 상에 음극 그리드(180a)가 형성된다. 또한 외부로부터 공급된 전자를 상대전극(146)으로 분배하기 위해 양극기판(140)의 전도성 투명막(144) 상에 양극 그리드(180b)가 형성된다. 그러나 본 발명에 따른 염료감응 태양전지(100)는 음극 그리드(180a) 및 양극 그리드(180b)를 구비하지 않아도 무방하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
100 : 염료감응 태양전지 모듈 120 : 음극기판
126 : 반도체 전극(음극전극) 140 : 양극기판
146 : 상대전극(양극전극) 160 : 전해질
170 : 전해질 주입공 172 : 밀폐부
172a : 내부밀폐부재 172b : 외부밀폐부재
172c : 중앙밀폐부재

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 반도체 전극을 구비한 음극기판과 상대전극을 구비한 양극기판 사이로 전해질을 주입하기 위해 구비된 전해질 주입공; 및
    상기 전해질 주입공을 밀폐하는 밀폐부;를 포함하되,
    상기 밀폐부는,
    상기 전해질이 위치하는 내부공간에 노출되도록 상기 전해질 주입공의 내부에 위치하고, 광경화 수지로 이루어진 내부밀폐부재;
    외부공간에 노출된 외부밀폐부재; 및
    상기 전해질 중입공의 내부에 위치하도록 상기 내부밀폐부재와 상기 외부밀폐부재 사이에 구비되고, 열가소성 수지로 이루어진 중앙밀폐부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 밀폐부재를 구비한 염료감응 태양전지 모듈.

  4. 삭제
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