KR101161515B1 - Dye sensitized solar cell using conductive sphere - Google Patents
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Abstract
전도성 구립체를 이용한 염료감응 태양전지가 제공된다.
본 발명에 따른 전도성 구립체를 이용한 염료감응 태양전지는 호 대향하는 투명 전도성 전극이 각각 적층된 제 1 기판 및 제 2 기판을 포함하며, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 전해질이 충진된 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 구비되어, 상기 제 1 기판과 제 2 기판에 접촉하는 복수 개의 전도성 구립체; 상기 제 1 기판에 적층되며, 염료가 흡착된 반도체 전극; 및 상기 반도체 전극에 대향하며, 상기 제 2 기판에 적층된 상대전극을 포함하며, 여기에서 상기 전도성 구립체는 소정 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 균일한 높이의 전도성 구립체를 통하여 두 기판을 전기적으로 연결하므로, 페이스트 형태의 두 금속층을 정밀하게 접합시켜야 하는 종래 기술에 비하여 경제적이다. 더 나아가, 전도성 구립체를 소정 간격으로 이격시키고, 그 간격 사이에도 반도체 전극을 형성시키므로, 금속 그리드를 사용하는 종래의 염료감응 태양전지에 비하여 넓어진 활성면적을 갖는다. Dye-sensitized solar cells using conductive particles are provided.
The dye-sensitized solar cell using the conductive particles according to the present invention includes a first substrate and a second substrate on which arc-transparent transparent conductive electrodes are stacked, respectively, and a dye filled with an electrolyte between the first substrate and the second substrate. A sensitized solar cell, comprising: a plurality of conductive particulates provided between the first substrate and the second substrate and in contact with the first substrate and the second substrate; A semiconductor electrode stacked on the first substrate and having dye adsorbed thereon; And a counter electrode which is opposite to the semiconductor electrode and is stacked on the second substrate, wherein the conductive particles are spaced at a predetermined interval, and the method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to the present invention Since the two substrates are electrically connected through the conductive particles of uniform height, it is economical compared to the prior art in which two metal layers in the form of paste are precisely bonded. Furthermore, since the conductive particles are spaced at predetermined intervals and semiconductor electrodes are formed between the intervals, the conductive particles have a larger active area than conventional dye-sensitized solar cells using a metal grid.
Description
본 발명은 전도성 구립체를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 균일한 높이의 전도성 구립체를 통하여 두 기판을 전기적으로 연결하므로, 페이스트 형태의 두 금속층을 정밀하게 접합시켜야 하는, 즉 금속드리드를 사용하는 종래 기술에 비하여 경제적이며, 더 나아가, 전도성 구립체를 소정 간격으로 이격시키고, 그 간격 사이에도 반도체 전극을 형성시키므로, 금속 그리드를 사용하는 종래의 염료감응 태양전지에 비하여 넓어진 활성면적을 갖는, 전도성 구립체를 이용한 염료감응 태양전지에 관한 것이다. The present invention relates to a dye-sensitized solar cell using a conductive granular material, and more specifically, since two substrates are electrically connected through a conductive granule having a uniform height, the two metal layers in the form of a paste must be precisely bonded, that is, It is more economical than the prior art using metal leads, and furthermore, the conductive particles are spaced at predetermined intervals, and semiconductor electrodes are formed between the intervals, thereby making them wider than conventional dye-sensitized solar cells using metal grids. The present invention relates to a dye-sensitized solar cell using a conductive particulate having an active area.
1991년 스위스의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 등에 의해 발표된 것이 대표되는 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조단가가 낮고, 단가 대비 에너지 변환효율이 높으며, 투명성과 구부림이 가능한 셀을 제조할 수 있어 다양한 응용분야에 이용될 수 있는 장점이 있어 주목을 받아 오고 있다. 이러한 염료감응 태양전지는 빛을 가시광선 영역에서 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와 생성된 전자를 전달하는 이산화티타늄(TiO2) 전이금속산화물이 포함된 광전극과 전해질 용액의 산화환원반응의 촉매 역할을 하는 백금층이 코팅된 상대전극으로 구성된다. 다공질 막의 형태로 존재하는 광전극은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2)과 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되고, 이 표면에 단분자층의 염료가 흡착되어 있다. 태양광이 태양 전지에 입사되면 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기 된다. 이때, 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈자리는 전해질 속의 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다. 염료에 전자를 제공한 이온은 광전극으로 이동하여 전자를 제공받게 된다. 백금 상대전극은 전해질 용액 속에 있는 이온의 산화환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화 환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 역할을 한다.The dye-sensitized solar cell, which was presented by Michael Gratzel of Switzerland in 1991, has a lower manufacturing cost, higher energy conversion efficiency compared to the conventional silicon solar cell, and has transparency and bendability. Has been attracting attention because it can be manufactured has the advantage that can be used in a variety of applications. The dye-sensitized solar cell is composed of a photoelectrode and an electrolyte solution containing a dye molecule capable of absorbing light in the visible light region and generating electron-hole pairs, and a titanium dioxide (TiO 2 ) transition metal oxide that transfers the generated electrons. It is composed of a counter electrode coated with a platinum layer serving as a catalyst for redox reaction. The photoelectrode in the form of a porous membrane is composed of an n-type oxide semiconductor having a wide bandgap such as titanium dioxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), and tin oxide (SnO 2 ). It is adsorbed. When sunlight enters the solar cell, electrons near the Fermi energy in the dye absorb the solar energy and are excited to higher levels where the electrons are not filled. At this time, the vacancy in the lower level where the electrons escape is filled again by the ions in the electrolyte providing the electrons. Ions that provide electrons to the dye move to the photoelectrode to receive electrons. The platinum counter electrode acts as a catalyst for the redox reaction of ions in the electrolyte solution to provide electrons to the ions in the electrolyte through a redox reaction on the surface.
즉, 이러한 염료감응 태양전지는 염료분자가 흡착된 나노 결정 산화물 필름이 코팅된 투명의 전도성 전극, 금속 플라티늄 등이 코팅된 상대전극 및 산화-환원의 작용을 하는 전해질로 구성되는데, 이때 이와 같은 구성을 갖는 염료감응형 태양전지는 하나의 기판에 하나의 염료감응 태양전지를 구비시켜 사용하거나, 하나의 기판 위에 다수개의 염료감응 태양전지를 서로 연결시켜 모듈 형태로 사용하게 된다. That is, such a dye-sensitized solar cell is composed of a transparent conductive electrode coated with a nanocrystalline oxide film on which dye molecules are adsorbed, a counter electrode coated with metal platinum, and an electrolyte for redox action. The dye-sensitized solar cell having a single substrate is provided with one dye-sensitized solar cell, or a plurality of dye-sensitized solar cells are connected to each other on one substrate to be used as a module.
도 1은 종래의 모듈 형태의 염료감응 태양전지의 구성을 나타내는 평면도이고, 도 2는 종래의 모듈 형태의 염료감응 태양전지를 A-A'선을 따라 절단한 단면도이다. 도 1과 2를 참조하면, 종래의 모듈 형태의 염료감응 태양전지는 제 1 기판(2)과 제 2 기판(4)이 서로 접합된 샌드위치 구조를 갖고, 제 2 기판(4)에 대향되는 제 1 기판(2)의 면에는, ITO?FTO 등의 전도성 물질을 포함하는 투명 전도성 전극(22)이 있고, 상기 전도성 전극(22) 상에는 염료분자가 흡착된 TiO2 등의 나노입자 산화물층(6, 이하 반도체 전극)이 적층된다. 또한, 상기 제 1 기판에 대향되는 제 2 기판의 일 면에는 또 다른 전도성 전극 (22) 및 상대전극(8)이 적층된다. 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이의 공간에는 전해질(18)이 충진되어 있고, 상기 제 1 기판(2), 제2 기판(4), 전해질(18)로 이루어진 단위를 하나의 셀(cell)로 하여 다수의 셀을 금속 그리드(grid, 10)로 Z-serise 형태의 직렬 모듈로 연결설치되어 구성된다. 이때, 상기 그리드는 통상적으로 전해질에 취약하므로 상기 그리드(10)의 외부를 밀봉부재(14)로 감싸 전해질(18)과 접촉되는 것을 방지하고, 전체 염료감응 태양전지 중 외측에 위치하는 염료감응 태양전지의 벽면을 밀봉부재(14)로 마감시켜 전해질이 외부로 누액되는 것을 방지한다.1 is a plan view showing the configuration of a conventional dye-sensitized solar cell, Figure 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A 'of the conventional module-type dye-sensitized solar cell. 1 and 2, a conventional dye-sensitized solar cell has a sandwich structure in which a first substrate 2 and a second substrate 4 are bonded to each other, and is opposed to the second substrate 4. 1 On the surface of the substrate 2, ITO ? There is a transparent
상기 그리드(10)는 제 1 기판(2)에서 연장되는 제 1 그리드 및 제 2 기판(4)에서 연장되는 제 2 그리드가 상호 접합된 구조로서, 일반적으로 은과 같은 금속의 페이스트가 사용되는데, 상기 그리드 제조 방법을 설명하면 아래 도 2와 같다. The
도 3a 및 3b는 종래 기술에 따른 그리드 제조 방법을 설명하는 단계도이다.3A and 3B are steps illustrating a grid manufacturing method according to the prior art.
도 3a 및 3b를 참조하면, 먼저, 제 1 기판(100) 상에 페이스트 형태의 제 1 그리드(110)가 적층된다. 상기 페이스트 형태의 제 1 그리드(110)는 건조 단계를 거쳐 페이스트 내의 용매 물질을 휘발 시키고, 다음에 소성 단계를 거처 페이스트 내의 바인드를 제거하여 강성이 확보된 상황이다(도 1a 참조). 이후, 동일한 방식으로 페이스트 형태의 제 2 그리드(120)가 상부에 적층된 제 2 기판(140)이 3A and 3B, first, a
상기 제 1 기판(100)에 대향하는 방식으로 상기 제 1 기판(100)에 접합되는데, 이때 상기 제 1 그리드(110)와 제 2 그리드(120)는 상호 접촉하여, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판을 전기적으로 연결하게 된다.The
상기 제 1 그리드(110) 및 제 2 그리드(120)는 제 1 및 제 2 기판이 닿을 때 서로 접촉할 수 있는 수준의 높이를 유지하여야 하며, 만약 충분한 높이가 확보되어 있지 않은 경우, 기판 사이의 전자 흐름이 차단될 수 있다. 하지만, 반대로 과도한 큰 높이를 갖는 경우, 상기 제 1 기판과 2기판간의 간격이 멀어져 큰 저항이 발생한다.The
이와 같이 종래 기술은 충분한 그리드 간의 접촉을 달성하기 위하여, 페이스트 물질을 1차 사용한 후, 그리드가 형성된 후, 이를 소성시킴으로써 그리드를 완성하는 방식인데, 이러한 종래기술은 소성 공정 등에 소요되는 긴 공정시간, 에너지 소모 등의 문제가 있고, 더 나아가, 페이스트의 접촉에 따라 형성되는 금속 그리드의 높이가 일정하지 못하다는 문제가 있다. 특히, 서브 모듈 타입의 염료감응 태양전지인 경우, 이러한 금속 그리드의 높이 차에 따른 기판 거리의 불균일함은 더욱 큰 문제로 작용한다. 또한, 두 개의 기판 모두에 그리드를 적층한 후, 이를 정확히 대응하는 구조로 접촉시키는 것은 상당한 정확도를 요하므로, 이는 결국 염료감응 태양전지의 대량 생산을 저해하는 요인으로 작용한다. 더 나아가, 그리드와 그리드 밀봉부재를 기판 전면에 사용하기 때문에, 기판의 실제 활성면적(active area)가 그리드에 의하여 줄어드는 문제가 있다. As described above, in order to achieve sufficient contact between the grids, the paste material is first used, the grids are formed, and then the grids are completed by firing the grids. There is a problem such as energy consumption, and furthermore, there is a problem that the height of the metal grid formed by contact of the paste is not constant. In particular, in the case of the dye-sensitized solar cell of the sub-module type, the nonuniformity of the substrate distance due to the height difference of the metal grid acts as a bigger problem. In addition, since laminating a grid on both substrates and then contacting them with a correspondingly precise structure requires considerable accuracy, which in turn hinders mass production of dye-sensitized solar cells. Furthermore, since the grid and the grid sealing member are used on the front surface of the substrate, there is a problem that the actual active area of the substrate is reduced by the grid.
따라서 상기 문제를 해결하기 위한 본 발명의 과제는 균일한 기판 간격, 넓어진 활성면적, 단순한 제조공정이 가능한 새로운 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention for solving the above problems is to provide a new dye-sensitized solar cell capable of uniform substrate spacing, widened active area, and simple manufacturing process.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 상호 대향하는 투명 전도성 전극이 각각 적층된 제 1 기판 및 제 2 기판을 포함하며, 상기 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 전해질이 충진된 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 구비되어, 상기 제 1 기판과 제 2 기판에 접촉하는 복수 개의 전도성 구립체; 상기 제 1 기판에 적층되며, 염료가 흡착된 반도체 전극; 및 상기 반도체 전극에 대향하며, 상기 제 2 기판에 적층된 상대전극을 포함하며, 여기에서 상기 전도성 구립체는 소정 간격으로 이격되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다. In order to solve the above problems, the present invention includes a first substrate and a second substrate on which mutually transparent transparent electrodes are laminated, respectively, in a dye-sensitized solar cell filled with an electrolyte between the first substrate and the second substrate. A plurality of conductive particles are provided between the first substrate and the second substrate, the plurality of conductive particles in contact with the first substrate and the second substrate; A semiconductor electrode stacked on the first substrate and having dye adsorbed thereon; And a counter electrode which is opposite to the semiconductor electrode and is stacked on the second substrate, wherein the conductive particles are spaced at predetermined intervals.
본 발명의 일 실시예에서 상기 반도체 전극은 상기 복수 개의 전도성 구립체의 이격 간격을 통하여 연장될 수 있다. In one embodiment of the present invention, the semiconductor electrode may extend through the separation interval of the plurality of conductive particles.
또한, 상기 전도성 구립체의 직경은 1 내지 100㎛일 수 있으며, 상기 전도성 구립체는 상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 형성된 소정 크기의 홈에 안착될 수 있다. In addition, the diameter of the conductive particles may be 1 to 100㎛, the conductive particles may be seated in a groove of a predetermined size formed in the first substrate or the second substrate.
또한 상기 전도성 구립체간의 거리는 상기 반도체 전극의 너비(w) 이상, 상기 너비의 2배 이하인 것이 바람직하다. In addition, the distance between the conductive particles is preferably more than the width (w) of the semiconductor electrode, less than twice the width.
본 발명의 또 다른 일 실시예에서 상기 전도성 구립체는 은, 구리, 아연, 금, 티타늄 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 전도성 구립체 주변에는 상기 전해질로부터 상기 전도성 구립체를 보호하기 위한 격벽이 형성되거나, 전도성 구립체 표면에 산화방지막이 적층될 수 있다. 더 나아가, 상기 전도성 구립체 사이의 이격거리는 상기 반도체 전극 너비의 7배 이하일 수 있다.
In another embodiment of the present invention, the conductive particles may include one or more metal materials selected from the group consisting of silver, copper, zinc, gold, titanium, and aluminum. In addition, barrier ribs may be formed around the conductive particles to protect the conductive particles from the electrolyte, or an antioxidant film may be stacked on the surface of the conductive particles. Furthermore, the separation distance between the conductive particles may be 7 times or less than the width of the semiconductor electrode.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 균일한 높이의 전도성 구립체를 통하여 두 기판을 전기적으로 연결하므로, 페이스트 형태의 두 금속층을 정밀하게 접합시켜야 하는 종래 기술에 비하여 경제적이다. 더 나아가, 전도성 구립체를 소정 간격으로 이격시키고, 그 간격 사이에도 반도체 전극을 형성시키므로, 금속 그리드를 사용하는 종래의 염료감응 태양전지에 비하여 넓어진 활성면적을 갖는다. The method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to the present invention is electrically economical compared to the prior art in which two metal layers in the form of paste are precisely bonded because the two substrates are electrically connected to each other through a conductive granule having a uniform height. Furthermore, since the conductive particles are spaced at predetermined intervals and semiconductor electrodes are formed between the intervals, the conductive particles have a larger active area than conventional dye-sensitized solar cells using a metal grid.
도 1은 종래의 모듈 형태의 염료감응 태양전지의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 2는 종래의 모듈 형태의 염료감응 태양전지를 A-A'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3a 및 3b는 종래 기술에 따른 그리드 제조 방법을 설명하는 단계도이다.
도 4a 및 4b는 본 발명에 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하는 단계도이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판의 형성된 홈에 전도성 구립체(310a)가 안착된 모습을 나타내는 도면이다.
도 6, 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 평면도, 단면도이다.
도 8 및 9는 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지의 평면도와 단면도이다. 1 is a plan view showing the structure of a conventional dye-sensitized solar cell.
2 is a cross-sectional view of a conventional dye-sensitized solar cell taken along line A-A '.
3A and 3B are steps illustrating a grid manufacturing method according to the prior art.
4a and 4b are steps illustrating a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are views illustrating a state in which the
6 and 7 are a plan view and a cross-sectional view of the dye-sensitized solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention.
8 and 9 are a plan view and a cross-sectional view of a dye-sensitized solar cell according to the prior art.
이하 본 발명에 대하여, 도면과 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다. 하기의 설명은 본 발명을 구체적으로 실시하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail with reference to drawings and an Example. The following description is for carrying out the present invention specifically, and the scope of the present invention is not limited by the following description.
먼저 본 발명에 일 실시예로 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명한다. First, a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention will be described.
도 4a 및 4b는 본 발명에 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하는 단계도이다. 4a and 4b are steps illustrating a method of manufacturing a dye-sensitized solar cell according to an embodiment of the present invention.
도 4a를 참조하면, 먼저, 투명 전극(301)이 적층된 제 1 기판(300)상에 복수 개의 전도성 구립체 (310a, 310b, 310c)가 소정 간격으로 이격되어 배치된다. Referring to FIG. 4A, first, a plurality of
본 명세서에서 사용되는 상기 제 1 또는 제 2 기판은 폴리에테르술폰(polyethersulphone:PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate:PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide:PEI), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate:PEN), 폴리에틸렌테레프탈레이드(polyethyleneterephthalate:PET), 폴리페닐렌설파이드(polypheylenesulfide:PPS), 폴리아릴레이트(polyallylate), 폴리이미드(polyimide), 폴리카보네이트(polycarbonate:PC), 셀룰로오스트리아세테이트(cellulosetriacetate:CAP) 중 적어도 하나를 포함하는 플라스틱재 또는 유리재와 같이 빛, 특정적으로 태양광이 투과하는 동시에 염료감응 태양전지의 외관을 제공하는 좁은 의미의 기판뿐만 아니라, 좁은 의미의 기판 일측 표면에 적층되어, 염료감응 태양전지에 제공된 가시광선을 염료가 흡수하며 여기된 전자가 이동하는 경로를 제공하는 전도성 물질, 예를 들면 ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3), SnO2-Sb2O3 등을 포함하는 것을 해석되어야 한다. As used herein, the first or second substrate is polyethersulphone (PES), polyacrylate (PAR), polyetherimide (PEI), polyethylenenaphthalate (PEN), polyethylene At least one of terephthalate (PET), polyphenylenesulfide (PPS), polyallylate, polyimide, polycarbonate (PC), cellulose triacetate (CAP) Dye-sensitized solar is laminated on one surface of the substrate in a narrow sense, as well as a narrow sense of the substrate to provide the appearance of the dye-sensitized solar cell at the same time, such as a plastic or glass material comprising light, specifically sunlight Conductive materials, such as dyes, which absorb visible light provided to a cell and provide a path for excited electrons to move, eg For example, it should be interpreted to include ITO, FTO, ZnO- (Ga 2 O 3 or Al 2 O 3 ), SnO 2 -Sb 2 O 3 , and the like.
또한, 본 발명에서 상기 전도성 구립체는 충분한 전도도를 가지는 볼의 형태인 것이 바람직하며, 예를 들면, 은, 구리, 아연, 금, 티타늄 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속물질을 구성물질로 포함할 수 있다. In addition, the conductive particles in the present invention is preferably in the form of a ball having a sufficient conductivity, for example, at least one metal material selected from the group consisting of silver, copper, zinc, gold, titanium and aluminum constituent material It can be included as.
도 4a에서, 투명 전극(301)이 적층된 제 1 기판(300) 상에 반도체 전극(320)이 적층될 수 있으며, 상기 반도체 전극(320)은 상기 전도성 구립체(310a)와 직접 접촉하지 않는다. 본 발명은 특히 솔더 볼과 같은 전도성 구립체를 통하여 두 기판 간의 전류를 이동시키므로, 선형의 그리드 사용에 따른 태양전지의 활성면적 저하를 방지할 수 있다. In FIG. 4A, the
본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 전도성 구립체는 1 내지 100㎛의 직경의 “솔더 볼”일 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 기판과 기판 사이에 구비되는 전도성 구립체는 둥근 볼의 형태를 가지므로, 배향방향에 상관없이 위치만 동일하다면 늘 일정한 물리적 형태를 가지게 되며, 이에 따라 전기전도도 또한 균일할 수 있다는 효과가 있다. The conductive particles of the dye-sensitized solar cell according to the embodiment of the present invention may be “solder balls” having a diameter of 1 to 100 μm. That is, according to the present invention, since the conductive particles provided between the substrate and the substrate have the shape of a round ball, the conductive particles are always in the same physical shape as long as they are the same regardless of the orientation direction, and thus the electrical conductivity may also be uniform. There is an effect.
본 발명에 따른 볼 형태의 상기 전도성 구립체(310a, 310b, 310c)는 염료감응 태양전지의 두 기판 사이의 간격을 일정하게 하여주는 지지체로서도 기능할 수 있는데, 이는 이하 상세히 설명한다. The
도 4b는 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 상기 전도성 구립체(310a, 310b, 310c)가 구비된 염료감응 태양전지의 단면도이다. 여기에서, 제 1 기판(300)의 반도체 전극(320)에 대향하는 상대전극(420)이 개시되며, 상기 상대전극(420)은 투명전극(401)이 적층된 제 2 기판(400) 상에 적층된다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 반도체 전극은 상기 전도성 물질이 코팅된 제 1 기판의 상기 전도성 물질 표면에는 음극(-) 역할을 하는 것으로서, 통상적으로 나노 다공질막의 형태로 존재하는 TiO2, ZnO, SnO2 등과 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물로 구성되는 것이 좋고, 이 표면에 단분자 층의 염료가 흡착됨으로써 태양광이 입사되면, 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기된다. 4B is a cross-sectional view of the dye-sensitized solar cell provided with the
반대로 상대전극은 상기 반도체 전극에 대향하는 전극으로서, 특정적으로 전도성 물질(401)의 상부 일측에 구비되어 전해질 속에 있는 이온의 산화-환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화-환원 반응을 통해 전해질 속의 이온에 전자를 제공하는 상대전극인 양극(+) 역할을 하는 것으로서, 이러한 목적을 위해 당업계에서 통상적으로 사용되는 전극이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 탄소나노튜브, 나노 카본블랙, 그래파이트 분말, 전도성 고분자 및 백금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 사용하는 것이 좋다.On the contrary, the counter electrode is an electrode facing the semiconductor electrode, and is specifically provided on one side of the
도 4b를 참조하면, 상기 제 1 기판(300)과 제 2 기판(400)(보다 정확하게는 제 1 기판(300)의 투명전극(301)과 제 2 기판(400)의 투명전극(401)이나, 이 또한 제 1 기판, 제 2 기판으로 지칭된다) 사이에 본 발명에 따른 전도성 구립체(310a, 310b, 310c)가 끼워지는 형태이다. 즉, 본 발명에 따른 전도성 구립체, 예를 들면 금속 구립체가 가지는 딱딱한 특성은 전도성 구립체가 두 기판 사이의 높이 변형을 막아주는 지지체로 기능할 수 있게 한다. 따라서, 본 발명에서 상기 전도성 구립체(310a, 310b, 310c)의 직경은 염료감응 태양전지 기판 사이의 이격거리에 해당되며, 이러한 구립체(310a, 310b, 310c)의 경질 특성 및 균일 직경을 통하여 기판 사이의 불균일한 이격거리, 전해액 누설 등의 문제를 효과적으로 해결할 수 있다. Referring to FIG. 4B, the
본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 구립체(310a, 310b, 310c) 직경은 상술한 바와 같이 1 내지 100㎛, 보다 바람직하게는 10 내지 70㎛, 가장 바람직하게는 20 내지 50㎛인 것이 바람직하다. 만약 상기 전도성 구립체의 직경이 1㎛ 미만인 경우, 반도체 전극과 상대전극이 접촉할 수 있는, 이른바 쇼트 문제가 발생할 수 있다. 즉, 일반적으로 5 내지 30㎛의 두께를 갖는 반도체 전극의 TiO2 층보다 적은 직경의 전도성 구립체를 사용하는 경우, 상부, 하부 전극이 접촉하는 쇼트 문제가 발생할 수 있으므로, 본 발명에 따른 전도성 구립체는 적어도 반도체 전극의 두께보다 큰 직경을 갖는 것이 바람직하며, 본 발명은 전도성 구립체 직경의 하한을 1㎛로 제시한다. As described above, the diameters of the
또한 본 발명의 전도성 구립체는 100㎛이하의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 만약 전도성 구립체가 100㎛를 초과하는 경우, 전해질 충진양이 많아질 뿐만 아니라, 산화환원반응 거리가 길어짐에 따라 증가하는 내부 저항값(shunt Resistance)에 의한 효율 감소가 발생한다. In addition, the conductive particles of the present invention preferably have a diameter of 100 μm or less. If the conductive particles exceed 100 μm, not only the amount of electrolyte filling is increased, but also the efficiency decrease occurs due to an increase in the shunt resistance, which increases as the redox reaction distance increases.
더 나아가, 상기 전도성 구립체가 기판상에서 자유로이 이동하는 경우, 안정한 전자 전달 등이 불가능하므로, 전도성 구립체를 고정시키는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 본 발명의 일 실시예는 상기 제 1 기판에 소정 크기와 높이의 홈을 형성시키고, 다시 상기 홈에 전도성 구립체를 안착시킨다. 더 나아가, 상기 홈에 전도성 접착제나 페이스트를 미리 충진시켜, 전도성 구립체의 고정을 도울 수 있다. 구립체 고정을 위하여 홈 안에 충진되는 물질로, 은 접착제, 카본 접착제 등의 전도성 접착제가 바람직하나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. Furthermore, when the conductive particles move freely on the substrate, stable electron transfer is not possible, so it is preferable to fix the conductive particles. To this end, an embodiment of the present invention forms a groove having a predetermined size and height in the first substrate, and again mounts a conductive particulate in the groove. Furthermore, the groove may be pre-filled with a conductive adhesive or paste to help fix the conductive particles. As a material to be filled in the groove for fixing the granules, a conductive adhesive such as a silver adhesive or a carbon adhesive is preferable, but the scope of the present invention is not limited thereto.
또한 상기 기판 홈의 대향면에 자성 물질을 접촉시켜, 금속으로 이루어진 전도성 구립체가 인력에 의하여 홈으로 자동 고정되는 것도 바람직하다. 예를 들면, 특정 크기의 자석을 기판 홈 반대에 접촉시킨 후 금속 전도성 구립체를 부근으로 이동시키면, 상기 금속 전도성 구립체는 자기적인 인력에 따라 홈에 안착될 수 있다. In addition, by contacting the magnetic material to the opposite surface of the substrate groove, it is also preferable that the conductive particles made of metal is automatically fixed to the groove by the attraction force. For example, if a magnet of a particular size is placed opposite the substrate groove and then the metal conductive particles are moved to the vicinity, the metal conductive particles may be seated in the grooves by magnetic attraction.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일 실시예에 따라 기판의 형성된 홈에 전도성 구립체(310a)가 안착된 모습을 나타내는 도면이다.5A and 5B are views illustrating a state in which the
도 5a를 참조하면, 레이저 등에 의하여 기판(300)에 형성된 홈(510)에 본 발명에 따른 전도성 구립체(301a)가 안착되며, 이로써 전도성 구립체의 이탈이 방지될 수 있다. 특히 도 5b를 참조하면, 상기 홈(510)에는 전도성 접착제나 페이스트(520)로 충진되어, 전도성 구립체(301a)의 고정을 도울 수 있다. 더 나아가, 홈(510)에 의한 투명전극의 일부 단절에 따른 전도 감소를 상기 충진된 전도성 접착제나 페이스트가 보완할 수 있다.Referring to FIG. 5A, the
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 염료감응 태양전지의 평면도 이며, 도 7은 도 6에서 도시된 기판을 A-B로 절단한 단면도이다. FIG. 6 is a plan view of a dye-sensitized solar cell manufactured according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a cross-sectional view of the substrate shown in FIG.
도 6 및 7을 참조하면, 상술한 전도성 구립체(310)은 상기 기판 상에 복수 개 구비되며, 각 전도성 구립체(310)는 소정 간격으로 이격되어 있다. 또한 전도성 구립체(310) 주변에는 전도성 구립체와 두 기판 사이에 채워지는 전해질의 직접 접촉을 방지하기 위한 격벽(620)이 세워질 수 있다. 상기 격벽을 형성하는 물질로는 고분자 수지나 UV 경화제 등이 사용 가능하다. 하지만, 이와 달리 상기 전도성 구립체(310)가 전해질에 대한 충분한 내부식성을 갖는다면, 별도의 격벽 없이 전도성 구립체(310)가 사용될 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 전도성 구립체(310) 표면에는 티타늄질화물과 같은 전도성을 갖는 산화방지막이 적층될 수 있다. 또한, 도 7을 참조하면, 염료감응 태양전지의 두 기판에는 상기 전도성 구립체(310)를 고정시키기 위한 홈이 구비될 수 있으며, 상기 홈에는 금속 페이스트 등의 전도성 물질이 충진될 수 있다. 6 and 7, the above-described
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 염료가 흡착된 반도체 전극(6)이 상기 전도성 구립체(310) 사이의 이격 공간까지 연장되며, 이로써 본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 종래 기술에 비하여 넓어진 전지의 활성 영역을 갖는다. 즉, 도 6에서는 전도성 구립체(301) 사이의 공간으로 연장된 반도체 전극(A1 내지 A5, B1 내지 B5, C1 내지 C5)이 개시되며, 기판 전극(22)에는 에칭 라인(E)이 형성되어, 단위 셀 간의 전극이 전기적으로 단절된다(도 7 참조). 이때 전도성 구립체(310) 격벽(620) 중 일부는 상기 에칭 라인(E)에 중첩되어, 태양전지의 수광면적이 최대화된다.
In the dye-sensitized solar cell according to the present invention, the dye-adsorbed
본 발명의 일 실시예에서 상기 전도성 구립체(310) 사이의 이격 거리(W)는 반도체 전극(6)의 주요부(즉, 돌출되는 연장부가 연결되는 부위) 사이의 거리(X)의 최대 7배 이하인 것이 바람직하다. 만약, 이격간격이 반도체 전극의 너비보다 짧은 경우, 전극으로부터 발생한 전자의 집진 효과가 떨어지고, 이격 간격 사이로 연장되는 활성면적이 줄어드는 문제가 있다. 또한 상기 전도성 구립체 사이의 이격 간격은 반도체 전극 너비의 7배 이하인 것이 바람직한데, 그 이유는 반도체 전극의 임의 지점에서 발생한 전자가 전도성 구립체에 도달할 확률이 떨어지며, 길어지는 전자 이동거리로부터 저항이 증가할 수 있기 때문이다. 더 나아가, 본 발명은 전도성 구립체 사이의 이격거리가 반도체 전극 너비의 실제 수치에 의존하는 점을 발견하였으며, 아래 표 1과 같은 전도성 구립체 이격거리와 반도체 전극의 상관 관계를 얻었다. In one embodiment of the present invention, the separation distance W between the
상기 표를 참조하면, 전도성 구립체의 이격거리는 20mm 이하인 것이 바람직한데, 그 이유는 전자의 이동거리가 10mm를 초과하는 경우, 저항이 증가하기 때문이다. 즉, 두 전도성 구립체 중간에 해당하는 지점에서 발생한 전자는 최대 10mm 이하의 이동거리를 갖는 것이 바람직하며, 따라서, 두 전도성 구립체 사이의 이격거리는 20mm 이하인 것이 바람직하다. Referring to the above table, it is preferable that the separation distance of the conductive particles is 20 mm or less, because the resistance increases when the movement distance of the electrons exceeds 10 mm. That is, the electrons generated at the point corresponding to the middle of the two conductive particles are preferably a maximum movement distance of 10 mm or less, and therefore, the separation distance between the two conductive particles is preferably 20 mm or less.
도 8 및 9는 종래 기술에 따른 염료감응 태양전지의 평면도와 단면도로서, 그리드(630)로 인하여 염료감응 태양전지의 염료흡착면적이 감소되는 것을 알 수 있다. 따라서, 전도성 구립체를 사용한 본 발명의 염료감응 태양전지가 종래의 염료감응 태양전지에 비하여 보다 넓은 수광면적을 갖는 것을 알 수 있다.8 and 9 are a plan view and a cross-sectional view of the dye-sensitized solar cell according to the prior art, it can be seen that the dye adsorption area of the dye-sensitized solar cell is reduced due to the
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명이 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이와 균등하거나 또는 등가적인 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다 할 것이다.
As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above-described embodiments, which can be variously modified and modified by those skilled in the art to which the present invention pertains. Modifications are possible. Accordingly, the spirit of the invention should be understood only by the claims set forth below, and all equivalent or equivalent modifications will fall within the scope of the invention.
Claims (8)
상기 제 1 기판 및 제 2 기판 사이에 구비되어, 상기 제 1 기판과 제 2 기판에 접촉하여 상기 제 1 기판과 제 2 기판을 전기적으로 연결하며, 상기 제 1 기판 또는 제 2 기판에 형성되며, 내부에 전도성 접착체나 페이스트가 채워진 소정 크기의 홈에 안착되는 복수 개의 전도성 구립체;
상기 제 1 기판에 적층되며, 염료가 흡착된 반도체 전극; 및
상기 반도체 전극에 대향하며, 상기 제 2 기판에 적층된 상대전극을 포함하며, 상기 복수 개의 전도성 구립체 각각은 소정 간격으로 이격되며, 상기 반도체 전극은 상기 복수 개의 전도성 구립체의 이격 간격을 통하여 연장된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. In the dye-sensitized solar cell comprising a first substrate and a second substrate stacked on the mutually opposite transparent conductive electrode, the electrolyte is filled between the first substrate and the second substrate,
Is provided between the first substrate and the second substrate, the first substrate and the second substrate in contact with the electrically connects the first substrate and the second substrate, is formed on the first substrate or the second substrate, A plurality of conductive particles seated in grooves having a predetermined size filled with a conductive adhesive or paste therein;
A semiconductor electrode stacked on the first substrate and having dye adsorbed thereon; And
A counter electrode which is opposite to the semiconductor electrode and is stacked on the second substrate, wherein each of the plurality of conductive particles is spaced at a predetermined interval, and the semiconductor electrode extends through a spaced interval of the plurality of conductive particles. Dye-sensitized solar cell characterized in that.
상기 전도성 구립체의 직경은 1 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. The method of claim 1,
Dye-sensitized solar cell, characterized in that the diameter of the conductive particles is 1 to 100㎛.
상기 전도성 구립체는 은, 구리, 아연, 금, 티타늄 및 알루미늄으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 금속물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.The method of claim 1,
The conductive particulates are dye-sensitized solar cell, characterized in that it comprises at least one metal material selected from the group consisting of silver, copper, zinc, gold, titanium and aluminum.
상기 전도성 구립체 주변에는 상기 전해질로부터 전도성 구립체를 보호하기 위한 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.6. The method of claim 5,
Dye-sensitized solar cell, characterized in that the partition is formed around the conductive particles to protect the conductive particles from the electrolyte.
상기 전도성 구립체 표면에는 상기 전해질로부터 전도성 구립체를 보호하기 위한 산화방지막이 적층된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.The method according to claim 6,
Dye-sensitized solar cell, characterized in that the anti-oxidation film is laminated on the surface of the conductive particles to protect the conductive particles from the electrolyte.
상기 전도성 구립체 사이의 이격거리는 상기 반도체 전극 너비의 7배 이하인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지. 8. The method of claim 7,
Dye-sensitized solar cell, characterized in that the separation distance between the conductive particles is less than seven times the width of the semiconductor electrode.
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