KR101204956B1 - 염료감응식 태양전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양전지에서 발생된 전류흐름의 저항을 최소화하여 대면적화에 유리한 염료감응식 태양전지에 관한 것으로서, 본 발명의 염료감응식 태양전지는 서로 마주보도록 배치되는 한 쌍의 글래스(110,120), 상기 각 글래스의 서로 마주보는 면에 배치된 투명전도층(130,140), 상기 투명전도층 사이에 복수로 배치된 전해질 셀(150), 상기 전해질 셀들을 직렬로 연결하도록 상기 투명전도층 사이에 배치된 제1전도성 스트립(170), 상기 전해질 셀들을 병렬로 연결하도록 상기 제1전도성 스트립과 직교하는 제2전도성 스트립(180)을 포함하여 구성되며, 이에 따라서, 전자의 이동경로를 내부저항이 상대적으로 적은 전도스트립측으로 유도함으로써 효율이 크게 향상되므로 대면적으로 제작하여도 효율저하가 발생하지 않아 기판의 대면적화에 유리하다.

Description

염료감응식 태양전지{Dye-Sensitized Solar Cell}

본 발명은 태양전지에서 발생된 전자의 손실이 이동과정에서 내부저항에 의해 발생되는 손실을 최소화시켜 효율이 높고 대면적화에 적합하게 이용할 수 있도록 한 염료감응식 태양전지에 관한 것이다.

현대 시대에 중요사안으로 대두되는 화석연료의 대량소비에 의한 온난화와 대기오염 등 지구 환경문제와 에너지 문제는 21세기에도 인류의 가장 중요한 과제로 문제시되고 있다.

상기 문제의 대안으로 제시된 태양전지는 깨끗하고 무한한 태양에너지를 가장 효율적인 에너지인 전기의 형태로 직접 변환하기 때문에 지구상 어느 장소에서도 이용 가능하며, 에너지 및 환경의 가장 근원적인 해결책이 될 것으로 기대를 모으고 있다.

일반적으로, 태양전지는 태양에너지를 전기에너지로 변환할 목적으로 제작되는 광전지로서 금속과 반도체의 접촉 면 또는 반도체의 PN접합에 빛을 조사하면 광전효과에 의해 광기전력이 일어나는 것을 이용한 것으로, 상기 태양전지는 구성하는 물질에 따라 실리콘, 화합물반도체와 같은 무기소재로 이루어진 무기물 태양전지와 유기물질을 포함하고 있는 유기물 태양전지로 크게 구분되며, 상기 유기물 태양전지는 크게 염료감응형 태양전지와 유기폴리머 태양전지로 나누어진다.

현재, 태양광 발전 시스템으로 일반적으로 사용되고 있는 태양전지는 실리콘 반도체에 의한 것이 대부분이며, 특히 실리콘 반도체 결정계의 단결정 및 다결정 태양전지는 변환효율이 좋으며 제품의 신뢰도가 높아 널리 사용되고 있으나, 제품의 제조원가가 높아 생산성이 떨어지는 문제점이 있어 이의 대안이 되는 태양전지의 개발 필요성이 대두되었다.

이에, 상기 개발 노력의 일환으로 근래 들어 염료감응형 태양전지가 개발되고 있다.

상기 염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 작용처럼 특수염료를 입힌 투명한 유리가 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 원리로 재현되는 것으로 빛이 있는 곳이면 실내외 상관없이 전기의 생산이 가능하다.

상기 염료감응형 태양전지는 실리콘 태양전지와는 구성성분이 다르며, 그 주재료는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)를 생성할 수 있는 감광성 염료분자와 생선된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성재료로 하는 광전기화학적 태양전지로 기존의 실리콘 태양전지에 비해 전력당 제조원가가 저렴하기 때문에 기존의 태양전지를 대체할 수 있는 대안으로 각광받고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 염료감응형 태양전지는 제1글래스(10)와 제2글래스(20)가 서로 마주보도록 배치되고, 서로 마주보는 면의 표면에 각각 투명전도층(30,40)이 배치되며, 상기 투명전도층(30,40)들의 사이에 전해질 셀(50)이 삽입된 샌드위치 구조로 이루어진다.

상기 투명전도층(30,40)들은 FTO(F-doped SnO2) 혹은 ITO(Indium Tin Oxide)로 코팅된 구조로 이루어지고, 상기 전해질 셀(50)은 빛을 가시광선 영역에서 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료가 흡착된 반도체전극층(51)을 비롯하여 전해질층(52), 대향전극층(53)이 차례로 적층된 구조로 이루어진다.

여기서 도체전극층(51)은 다공질 막의 형태로 존재하는 이산화티탄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2)과 같은 n형 산화물 반도체로 이루어져 생성된 전자를 전달하는 역할을 수행하고, 대향전극층(53)은 백금으로 이루어져 상기 전해질층(52)의 산화환원반응의 촉매 역할을 한다.

이와 같은 구성의 염료감응형 태양전지는 상기 전해질 셀(50)을 격벽(60)들을 통해 직렬로 연결하여 모듈화시켜 제작하면 대면적에 적합한 염료감응형 태양전지로도 이용이 가능해진다.

이와 같은 구조를 갖는 염료감응형 태양전지는 태양광이 제1글래스(10)과 투명전도층(30)으로 입사되면 전해질 셀(50)의 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 태양에너지를 흡수하여 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기 된다. 이때, 전자가 빠져나간 하위 준위의 빈자리는 전해질층(52)의 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다. 염료에 전자를 제공한 이온은 반도체전극층(51)으로 이동하여 전자를 제공받게 된다. 반도체전극층(51)으로 주입된 전자는 입자간 계면을 통하여 투명전도층(40)으로 전달된다. 이때, 상기 대향전극층(53)은 전해질층(52)에 있는 이온의 산화환원 반응의 촉매로 작용하여 표면에서의 산화 환원 반응을 통하여 전해질 속의 이온에 전자를 제공한다. 상기 투명전도층(40)으로 전달된 전자는 투명전도층(40)에 연결된 외부의 회로나 부하를 통하여 대향전극층(53)과 폐회로를 구성하게 된다.

한편, 최근에는 염료감응형 태양전지는 유리창 등에 적용되어 점점 대면적화되는 추세에 따라, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 전해질 셀(50)을 운모로 제작된 격벽(60)을 통해 직렬로 연결하여 모듈형태로 제작하여 사용하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 염료감응형 태양전지들은 염료감응형 태양전지가 대면적화됨에 따라 생성된 전자의 이동경로도 길어지게 되는데, 전자의 이동경로가 내부저항이 큰 투명전도층(30,40)을 주로 통과하도록 되어 있어서 대면적화가 진행됨에 따라 효율이 크게 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 전자가 내부저항이 작은 이동경로를 갖도록 함으로써 효율을 향상시켜 대면적으로의 제작에 적합한 염료감응식 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 서로 마주보도록 배치되는 한 쌍의 글래스와, 상기 각 글래스의 서로 마주보는 면에 배치된 투명 전도층과, 상기 투명전도층 사이에 복수로 배치된 전해질 셀과, 상기 전해질 셀들을 직렬로 연결하도록 상기 투명전도층 사이에 배치된 제1전도성 스트립과, 상기 전해질 셀들을 병렬로 연결하도록 상기 제1전도성 스트립과 직교하는 제2전도성 스트립을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 투명전도층 사이에는 각각의 전해질 셀들을 격리시키는 격벽이 배치되며, 상기 제1전도성 스트립은 인접한 전해질 셀들과의 접촉이 차단되도록 상기 격벽의 내부를 가로질러 설치될 수 있다.

한편, 상기 제2전도성 스트립은 상기 제2전도성 스트립은 상기 투명전도층 사이에 배치될 수도 있다. 이 경우, 상기 투명전도층 사이에는 각각의 전해질 셀들을 격리시키는 격벽이 배치되며, 상기 제2전도성 스트립은 인접한 전해질 셀들과 접촉되지 않도록 상기 격벽의 내부를 가로질러 설치되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 각 투명 전도층은 제1전도성 스트립에 인접하는 일측 또는 타측에 제1전도성 스트립과 평행한 단절부를 가지며, 상기 단절부는 인접한 전해질 셀들간의 직류연결을 위한 전하의 이동경로를 유도하도록 마주하는 투명전도층의 단절부와 어긋나게 배치된 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1, 2전도성스트립은 은(Ag)을 포함한 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 제2전도성 스트립은 상기 글래스와 투명전도층 사이에 배치될 수도 있다. 이 경우, 상기 각 투명 전도층은 제1전도성 스트립에 인접하는 일측 또는 타측에 제1전도성 스트립과 평행한 단절부를 가지며, 상기 단절부는 인접한 전해질 셀들간의 직류연결을 위한 전하의 이동경로를 유도하도록 마주하는 투명전도층의 단절부와 어긋나게 배치되고, 상기 제2전도성 스트립은 인접한 투명 전도층의 단절부와 동일선상에 형성된 단절부를 가질 수 있다.

본 발명의 염료감응식 태양전지 및 그 제조방법에 따르면, 전도성이 좋은 물질로 형성된 전도스트립을 직교하는 방향으로 배치하여, 내부저항이 상대적으로 큰 투명전도층의 전자 이동경로를 갖는 종래와는 달리, 전자의 이동경로를 내부저항이 상대적으로 적은 전도스트립측으로 유도함으로써 효율이 크게 향상되므로 대면적으로의 제작에 유리한 효과가 있다.

도 1은 종래의 염료감응식 태양전지 단면도.
도 2는 전해질 셀을 직렬로 연결한 종래의 염료감응식 태양전지 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 염료감응식 태양전지의 분해사시도.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도.
도 5는 도 3의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도.
도 6은 본 발명을 구성하는 제2전도스트립의 다른 실시예에 따른 염료감응식 태양전지의 분해사시도.
도 7은 도 6의 Ⅶ-Ⅶ선 단면도.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응식 태양전지는 서로 마주보도록 배치되는 한 쌍의 글래스(110,120)와, 상기 각 글래스(110,120)의 서로 마주보는 면에 배치된 투명전도층(130,140)과, 상기 투명전도층(130,140) 사이에 복수로 배치된 전해질 셀(150)과, 상기 전해질 셀(150)들을 직렬로 연결하도록 상기 투명전도층(130,140) 사이에 배치된 제1전도성 스트립(170)과, 상기 전해질 셀(150)들을 병렬로 연결하도록 상기 제1전도성 스트립(170)과 직교하는 방향으로 배치된 제2전도성 스트립(180)으로 구성된다.

상기 제1전도성 스트립(170)과 제2전도스트립을 제외한 나머지 구성들은 모두 종래의 것과 구성이 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 제1전도성 스트립(170)은 상기 제1전도성 스트립(170)은 전해질 셀(150)들과 동일층을 이루도록 투명전도층(130,140) 사이에 배치되며, 전해질 셀(150)의 사이마다 위치되어 양측에 위치한 전해질 셀(150)들을 직렬로 연결한다. 상기 제1전도성 스트립(170)은 폭이나 두께가 얇은 전도성이 우수한 은(Ag) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 제1전도성 스트립(170)은 전해질 셀(150)과 접촉될 경우 부식되면서 내구성이 크게 떨어지기 때문에 제1전도성 스트립(170)과 전해질 셀(150)은 접촉되지 않도록 차단하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 상기 투명전도층(130,140) 사이에는 각각의 전해질 셀(150)들을 격리시키는 격벽(160)이 설치되고, 제1전도성 스트립(170)은 전해질 셀(150)과의 접촉이 차단되도록 상기 격벽(160)의 내부를 가로질러 설치된다. 상기 격벽(160)은 전자의 이동이 차단되는 운모 재질이 적당하다.

또한, 상기 각 투명전도층(130,140)은 제1전도성 스트립(170)에 인접하는 일측 또는 타측에 제1전도성 스트립(170)과 평행한 단절부(131,141)를 가진다.

그리고, 상기 단절부(131)는 인접한 전해질 셀(150)들간의 직류연결을 위한 전자의 이동경로를 유도하도록 마주하는 투명전도층(140)의 단절부(141)와 어긋나게 배치된다.

따라서, 상기 단절부(131,141)는 전해질 셀(150) 단위로 투명전도층을 구획하면서 투명전도층(130,140)을 통해 이동하는 전자의 이동경로를 전해질 셀(150) 단위로 차단한다.

한편, 전해질 셀(150)을 병렬연결시키는 제2전도성 스트립(180)은 투명전도층(130,140) 사이에 배치될 수도 있고, 글래스(110,120)와 투명전도층(130,140) 사이에 배치될 수도 있다.

먼저, 제2전도성 스트립(180)이 투명전도층(130,140) 사이에 배치된 경우, 제2전도성 스트립(180)은 제1전도성 스트립(170)과 마찬가지로 전해질 셀(150)과 접촉되지 않도록 설치되는 것이 바람직하다. 따라서, 제1전도성 스트립(170)과 마찬가지로 제1전도성 스트립(170)이 설치된 격벽(160)과 직교하는 격벽(160)의 내부를 가로질러 설치되도록 한다. 즉, 상기 제2전도성 스트립(180)은 상기 전해질 셀(150) 내부의 전해질 층을 가로지르도록 배치될 수 있다. 이때, 제1전도성 스트립(170)과 제2스트립은 상호 교차하는 지점에서 서로 연결될 수도 있고 제작성을 고려하여 도시된 바와 같이 단절될 수도 있다.

이와 같이, 제1전도성 스트립(170)과 제2전도성 스트립(180)이 교차하도록 배치되면, 전해질 셀(150)로 이동된 전자는 전자의 특성에 따라 내부저항이 큰 투명전도층(130,140)으로 이동하지 않고 내부저항이 작은 주변의 전도성스트립(170,180) 쪽으로 우선하여 이동하게 되고, 일단 전도성 스트립(170,180)으로 이동된 전자는 내부저항이 작은 전도성스트립(170,180)을 주요경로로 하여 전극측을 향해 이동되므로 이동과정에서 소실되는 전자가 거의 없어 종래에 비해 효율이 크게 향상된다.

즉, 도 3의 X지점의 전자들은 도 4에 표시된 이동경로를 통해 내부저항이 작은 인접한 제1전도성 스트립(170)으로 우선하여 이동된다. 제1전도성 스트립(170)의 X1 지점으로 이동한 전자들은 제1전도성 스트립(170)을 따라 이동하다가 X2지점에서 도 5에 표시된 이동경로를 따라 제2전도성 스트립(180)으로 이동되며, 제2전도성 스트립(180)으로 이동된 전자들은 제2전도성 스트립(180)을 주요 경로로 하여 전극측으로 이동하게 되는 것이다. 따라서 대향전극측으로 이동되는 과정에서 소실되는 전자가 거의 없어 종래에 비해 효율이 크게 향상된다.

또한, 도 3의 Y지점의 전자들은 내부저항이 작은 인접한 제2전도성 스트립(180)으로 우선하여 이동된다. Y1 지점으로 이동한 전자는 도 5에 표시된 이동경로를 따라 제2전도성 스트립(180)을 주요 경로를 하여 대향전극측으로 이동되는 것이다. 따라서 대향전극측으로 이동되는 과정에서 소실되는 전자가 거의 없어 종래에 비해 효율이 크게 향상된다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2전도성 스트립(180)이 상기 글래스(110,120)와 투명전도층(130,140) 사이에 배치된 경우, 상기 제2전도성 스트립(180)은 인접한 투명전도층(130,140)의 단절부(131,141)와 동일선상에 형성된 단절부(181)를 가진다. 이 경우, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2전도성 스트립(180)에서는 전자가 주로 내부저항이 작은 전도성스트립들(170,180)을 따라서만 이동하게 되므로 대향전극측으로 이동되는 과정에서 소실되는 전자가 거의 없어 종래에 비해 효율이 크게 향상된다.

이와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 염료감응식 태양전지는 전자가 주로 내부저항이 작은 전도성 스트립들(170,180)을 지나는 경로를 갖게 되므로 종래보다 효율이 향상됨은 물론 태양전지의 대면적화에도 불구하고 효율이 떨어지지 않게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

110,120...글래스 130,140...투명전도층
131,141,181...단절부 150...전해질 셀
160...격벽 170...제1전도성 스트립
180...제2전도성 스트립

Claims (8)

1. 서로 마주보도록 배치되는 한 쌍의 글래스;
   상기 각 글래스의 서로 마주보는 면에 배치된 투명전도층;
   상기 투명전도층 사이에 복수로 배치된 전해질 셀;
   상기 전해질 셀들을 직렬로 연결하도록 상기 투명전도층 사이에 배치된 제1전도성 스트립;
   상기 전해질 셀들을 병렬로 연결하도록 상기 제1전도성 스트립과 직교하는 방향으로 상기 글래스와 투명전도층 사이에 배치되는 제2전도성 스트립을 포함하여 구성되며,
   상기 투명전도층 사이에는 각각의 전해질 셀들을 격리시키는 격벽이 배치되며 상기 제2전도성 스트립은 인접한 전해질 셀들과 접촉되지 않도록 상기 격벽의 내부를 가로질러 설치되는 것을 특징으로 하는 염료감응식 태양전지.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 투명전도층 사이에는 각각의 전해질 셀들을 격리시키는 격벽이 배치되며,
   상기 제1전도성 스트립은 인접한 전해질 셀들과의 접촉이 차단되도록 상기 격벽의 내부를 가로질러 설치되도록 한 것을 특징으로 하는 염료감응식 태양전지.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 각 투명전도층은 제1전도성 스트립에 인접하는 일측 또는 타측에 제1전도성 스트립과 평행한 단절부를 가지며,
   상기 단절부는 인접한 전해질 셀들간의 직류연결을 위한 전자의 이동경로를 유도하도록 마주하는 투명전도층의 단절부와 어긋나게 배치된 것을 특징으로 하는 염료감응식 태양전지.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제1, 2전도성스트립은 은(Ag)을 포함한 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 염료감응식 태양전지.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 제2전도성 스트립은 상기 투명전도층 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 염료감응식 태양전지.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 각 투명전도층은 제1전도성 스트립에 인접하는 일측 또는 타측에 제1전도성 스트립과 평행한 단절부를 가지며,
   상기 단절부는 인접한 전해질 셀들간의 직류연결을 위한 전자의 이동경로를 유도하도록 마주하는 투명전도층의 단절부와 어긋나게 배치되고,
   상기 제2전도성 스트립은 인접한 투명전도층의 단절부와 동일선상에 형성된 단절부를 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응식 태양전지.

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