KR101212938B1 - 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 플라스틱 기판의 전면 상에 은(Ag)을 코팅 또는 증착한 후, 레이저 또는 열각인으로 패터닝하고, 그 위에 보호막을 증착 또는 코팅한 후, 상기 고분자 플라스틱 기판의 후면 상에, 투명한 탄소계열 박막이나 또는 Al2O3 가 코팅된 배리어층을 코팅하여 상부전극기판을 제조하며; 스텐레이스 스틸, 강철, Ti와 같은 금속기판의 전면을 기계적 연마 방식을 이용하여 폴리싱(Polishing)하여, 상기 금속기판의 표면에 단차를 생성시키고, 상기 단차가 형성된 금속기판 상에 금속층을 코팅하되, 상기 금속층의 전면 및 후면의 상부를 ITO, 이산화티타니아(TiO2), 이산화규소(SiO2), 또는 투명한 탄소계열 박막으로 코팅하고, 상기 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막이 코팅된 상기 금속층의 전면 상에 TiO2 나노입자층을 코팅한 후, 다양한 칼라 유기염료 및 다양한 칼라 무기염료를 적용하여 하부전극기판을 제조하고; 상기 상부전극기판과 하부전극기판 사이에 전해질을 주입한 후, 실링 재료로 이중 실링하고, 에틸렌 아세테이트 비닐(Ethylene Vinyl Acetate)로 3중 실링한 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상기 금속기판의 표면에 형성된 단차가 상기 금속기판 상에 코팅되는 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막의 접착력을 증대시킴과 동시에 비표면적을 증대시킴으로써, 상기 박막 상에 적용된 염료의 흡착량 및 전해질의 흡착량을 증대시켜 태양광의 흡수율이 높아져 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 보호막과 염료층 사이에 전해질을 주입한 후, 실링 재료로 이중 실링하고, EVA로 3중 실림함으로써, 전해질 누수현상을 방지하여 전극의 열화 가능성이 있는 염료감응형 태양전지의 신뢰도를 향상시키며, 미세먼지 또는 습기 등의 불순물로부터 보호될 수 있다. 또한, 보호막에 의해 상부전극기판 상에 코팅된 Ag가 전해질로부터 보호될 수 있다.
Description
본 발명은 염료감응 태양전지(DYE-SENSITIZED SOLAR CELL) 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 플라스틱 기판의 전면 상에 은(Argentum, 이하, "Ag" 라 총칭함)을 코팅 또는 증착한 후, 레이저 또는 열각인으로 패터닝하고, 그 위에 보호막을 증착 또는 코팅한 후, 상기 고분자 플라스틱 기판의 후면 상에, 투명한 탄소계열 박막이나 또는 Al2O3 가 코팅된 배리어층을 코팅하여 상부전극기판을 제조하며; 스텐레이스 스틸(SUS: Stainless Use Steel), 강철, Ti(Titanium)와 같은 금속기판의 전면을 기계적 연마 방식을 이용하여 폴리싱(Polishing)하여, 상기 금속기판의 표면에 단차를 생성시키고, 상기 단차가 형성된 금속기판 상에 금속층을 코팅하되, 상기 금속층의 전면 및 후면의 상부를 ITO, 이산화티타니아(이하, "TiO2" 라 총칭함), 이산화규소(이하, "SiO2" 라 총칭함), 또는 투명한 탄소계열 박막으로 코팅하고, 상기 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막이 코팅된 상기 금속층의 전면 상에 TiO2 나노입자층을 코팅한 후, 다양한 칼라 유기염료 및 다양한 칼라 무기염료를 적용하여 하부전극기판을 제조하고; 상기 상부전극기판과 하부전극기판 사이에 전해질을 주입한 후, 실링 재료로 이중 실링하고, 에틸렌 아세테이트 비닐(Ethylene Vinyl Acetate, 이하, "EVA" 라 총칭함)로 3중 실링한 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
화석 연료의 지속적인 사용으로 인한 지구 온난화와 같은 환경 문제가 대두되고 있다. 또한 우라늄의 사용은 방사능의 오염 및 핵폐기물 처리 시설과 같은 문제를 일으키고 있다. 이에 따라 대체 에너지에 대한 요구 및 연구가 진행되고 있는데, 그 중 대표적인 것이 태양 에너지를 이용하는 태양 전지이다.
태양 전지란 빛이 조사되었을 때 전자와 정공을 발생시키는 광-흡수 물질을 사용하여 직접적으로 전기를 생산하는 소자를 의미한다. 1839년 프랑스의 물리학자 Becquerel이 최초로 빛으로 유도된 화학적 반응이 전류를 발생시킨다는 광기전력을 발견하였고, 그 후 셀레늄과 같은 고체에서도 유사한 현상이 발견된 사실에 기인한다. 그후 1954년 Bell 연구소에서 약 6%의 효율을 보인 실리콘계열의 태양전지가 최초로 개발된 이후에 무기 실리콘을 중심으로 태양 전지의 연구가 계속되었다.
이와 같은 무기계 태양 전지 소자는 실리콘과 같은 무기물 반도체의 p-n 접합으로 이루어진다. 태양 전지의 소재로 사용된 실리콘은 크게 단결정 또는 다결정 실리콘과 같은 결정 실리콘 계열과 비정질 실리콘 계열로 구분될 수 있다. 이 중 결정 실리콘계열은 태양 에너지를 전기 에너지로 전환하는 에너지 전환 효율이 비정질 실리콘계열에 비하여 우수하지만 결정을 성장시키기 위하여 소용되는 시간과 에너지로 인하여 생산성이 떨어진다.
이와 같은 문제점으로 실리콘을 대신하여 유기물질의 광기전 현상을 이용한 태양전지 소자에 대한 연구가 시도된 바 있다. 유기물 광기전 현상이란 유기물질에 빛을 조사하면 광자(Photon)를 흡수하여 전자(Electron)-정공(Hole) 쌍이 생성되어 이를 분리하여 각각 음극 및 양극으로 전달하고 이와 같은 전하의 흐름에 의하여 전류를 발생시키는 현상이다. 즉, 통상적으로 유기계 태양전지에 있어서 도너(Electron Donor)와 억셉터(Electron Acceptor) 물질의 접합구조로 이루어진 유기물질에 빛을 조사하였을 때 도너에서 전자-정공쌍이 형성되고 억셉터로 전자가 이동함으로써 전자-정공의 분리가 이루어진다. 이와 같은 과정을 통상 "빛에 의한 전하 캐리어(Charge Carrier)의 여기" 또는 "광여기 전하 이동현상(Photoinduced Charge Transfer, PICT)"라고 하는데, 빛에 의하여 생성된 캐리어들은 전자-정공으로 분리되고 외부 회를 통하여 전력을 생산하게 된다.
그런데 통상적인 유기물질을 이용한 태양전지의 경우에 에너지 전환효율이 떨어지고 내구성에도 문제가 있었으나, 1991년 스위스의 그라첼(Gratzel) 연구팀에 의하여 염료를 감광제로 이용하여 광전기화학형의 태양전지인 염료감응 태양전지가 개발된 바 있다. 그라첼 등에 의하여 제안된 광전기화학형의 태양전지는 감광성 염료 분자와 나노 입자의 이산화티탄으로 이루어지는 산화물 반도체를 이용한 광전기 화학형 태양 전지이다. 즉, 염료감응 태양전지라 하면 투명 전극과 금속 전극 사이에 염료가 흡착된 산화티타늄과 같은 무기 산화물층에 전해질을 삽입하여 광전기화학 반응을 이용하여 제조되는 태양전지이다. 일반적으로 염료감응 태양전지는 2가지 전극(광전극과 대향전극)과, 무기 산화물, 염료 및 전해질로 구성되어 있는데, 염료감응 태양전지는 환경적으로 무해한 물질/재료를 사용하기 때문에 환경친화적이고, 기존의 무기 태양전지 중 비정질 실리콘 계열의 태양전지에 버금가는 10% 정도의 높은 에너지 전환효율을 가지고 있고, 제조단가가 실리콘 태양전지의 20% 정도에 불과하여 상업화의 가능성이 매우 높은 것으로 보고된 바 있다.
일반적으로 염료감응 태양전지의 구조는 하층으로부터 유리기판, 제1 투명 전극, 염료가 흡착된 무기 산화물층, 전해질층, 제2 투명전극 및 상부기판 등을 구비하고 있다. 무기 산화물층은 나노(Nano) 다공질막의 형태로 존재하는 TiO2, ZnO, SnO2와 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되어 있고, 이 표면에 단분자 층의 염료가 흡착되어 있다.
염료감응 태양전지의 원리를 설명하면 다음과 같다. 태양광이 태양전지에 입사되면, 염료(Dye)의 HOMO(Highest Occupied Molecular Orbital) 준위 전자는 광에너지를 흡수하여 LUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital) 준위로 여기되며 이것은 무기 산화물층(Conduction Band, CB)으로 빠르게 주입되어 전도전자를 형성한다. 이때 전자가 빠져나간 염료의 HOMO 준위 빈 자리는 전해질층 속의 이온(I-)이 전자를 제공함으로써 다시 채워진다.
즉, 태양광이 입사함에 따라 무기 산화물층 쪽으로는 전도전자가 쌓이는 동시에 전해질층 쪽은 점점 전자가 모자라는 상태, 즉 정공이 누적되는 것으로 해석할 수 있으며 외부부하가 걸릴 때 누적 캐리어(Carrier)로 인해 기전력이 형성된다고 볼 수 있다.
종래의 염료감응 태양전지의 제조 방법을 구체적으로 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이, 하부전극기판(10)은 유리기판(11) 상에 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide)나 ITO의 제1 투명전극(12)을 증착한 후, 그 위에 TiO2 콜로이드 용액을 도포한 후 대략 450℃ 이상의 온도에서 소결(Sintering)하여 TiO2 박막(13)을 코팅한다. 본 과정은 반복적으로 수행하여 원하는 무기 산화물층의 두께나 상태를 조절하게 된다. 이어서 염료(Dye) 용액에 약 2~3일 정도 담가두어 TiO2 입자 표면에 염료가 착색되어 염료층(14)을 형성시킨다. 한편, 상부전극기판(20)은 유리기판(21)에 상에 백금(Pt) 등을 일반 스퍼터링(Sputtering) 방법을 통해 코팅하여 제1 투명전극(22)을 증착한 후, 전해질(30) 주입용 홀을 형성한다. 이후, 상기 하부전극기판(10)과 상부전극기판(20)은 고분자 패키징 재료(40)를 이용하여 접합된 후 미리 만들어진 홀을 통해 양극물질로 전해질(30)이 주입되고 봉합함으로써 완성된다.
이러한 염료감응 태양전지는 저가의 원료 및 손쉬운 제작 방법으로 인해 기존 실리콘 태양전지의 4분의 1수준의 생산비로 제작이 가능하며 경량, 박막화, 투명성 및 여러 가지 색상의 구현가능성 등으로 인해 다양한 응용 분야에 적용할 수 있다. 또한, 염료감응 태양전지는 자체의 유연성을 가지고 있어 적절한 유연성 투명전극이 구현될 경우 플렉서블 태양전지의 구현이 가능하다.
특히 휴대 장치를 위한 염료감응 태양전지는 움직이는 동력원으로서 경량 및 유연성이 필수적인 요구 특성으로 볼 수 있으며 염료감응 태양전지는 자체의 유연성을 갖고 있음으로 적절한 유연성 투명전극이 구현될 경우 플렉서블(Flexible) 태양전지의 구현이 가능하다.
하지만 현재 염료감응 태양전지 제조기술상 고온의 소결(Sintering)과정이 요구되므로 플라스틱 같은 유연성 기판 및 전도성 폴리머 등의 투명전극을 사용하기 곤란하다.
최근 저온 소결(약 150℃ 미만)이 가능한 무기 산화물층이 개발되어 상용 전도성 플라스틱 기판 등의 사용이 가능하나 이 경우 전환 효율의 감소를 감수해야 한다.
또한, 금속기판인 하부전극기판에 대해 아무런 표면 구조화 공정을 행하지 않은 종래의 염료감응 태양전지의 전환효율은 도 2에 도시된 바와 같이 낮다.
따라서 전환효율이 높은 플렉시블 염료감응 태양전지의 구현에는 상당한 어려움이 있다. 또한, 기존의 이런 플렉시블 염료감응 태양전지는 액체 전해질 등이 주입되었으나, 시간이 지나면, 주입된 액체 전해질이 누수되는 전해질 누수현상으로 인하여 내구성이 불안전하게 되는 등의 문제점이 발생되었다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 스텐레이스 스틸, 강철 또는 Ti 중 어느 하나로 이루어진 금속기판의 전면을 표면 구조화(Texturing) 공정의 일환으로 기계적 연마 방식을 이용하여 폴리싱하여, 상기 금속기판의 표면에 단차를 생성시키고, 상기 단차가 형성된 금속기판 상에 금속층을 코팅하되, 상기 금속층의 전면 및 후면의 상부를 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막으로 코팅하고, 상기 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막이 코팅된 상기 금속층의 전면 상에 TiO2 나노입자층을 코팅한 후, 다양한 칼라 유기염료 및 다양한 칼라 무기염료를 적용하여 하부전극기판을 제조하고; 상기 상부전극기판과 하부전극기판 사이에 전해질을 주입한 후, 실링 재료로 이중 실링하고, EVA로 3중 실링하여 다수의 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 셀을 형성하고, 이렇게 형성된 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 셀을 직렬 또는 병렬로 결선하여 제조하는 금속 플렉시블 염료감응 태양전지를 실링 재료로 이중 실링하고, EVA로 3중 실링함으로써, 태양전지의 전환효율이 향상되고, 전해질 누수현상이 방지되며, 미세먼지 등의 불순물로부터 보호할 수 있는 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 및 그 제조방법을 제공하고자는 하는 것이다.
본 발명에 따른 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지는 제1 고분자 플라스틱 기판의 전면의 상부 상에 Ag을 코팅 또는 증착한 후 레이저 또는 열각인으로 패터닝하고, 상기 패터닝된 Ag의 상부 상에 보호막을 증착 또는 코팅한 후, 상기 제1 고분자 플라스틱 기판의 후면의 상부 상에, 투명한 탄소계열 박막이나 또는 Al2O3 중 어느 하나로 형성된 제1 배리어층을 코팅하여 제조된 상부전극기판과; 스텐레이스 스틸, 강철 또는 Ti 중 어느 하나로 이루어진 금속기판의 전면을 폴리싱하여, 상기 금속기판의 표면에 단차를 생성시키고, 상기 단차가 형성된 금속기판 상에 금속층을 코팅하되, 상기 금속층의 전면 및 후면의 상부를 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막 중 어느 하나로 형성된 제2 배리어층을 코팅하고, 상기 제2 배리어층의 전면의 상부 상에 TiO2 나노입자층을 코팅하고, 상기 TiO2 나노입자층의 상부 상에 칼라 유기염료 및 칼라 무기염료가 적용된 염료층을 형성하여 제조된 하부전극기판(310) 및; 상기 상부전극기판의 보호막과 하부전극기판)의 염료층을 대향하게 배치하고, 상기 보호막과 염료층 사이에 주입되는 전해질을 포함하며; 상기 전해질과 접하는 제2 배리어층과 상기 상부전극기판을 실링재료로 1차 실링벽을 형성하며; 상기 상부전극기판과 하부전극기판을 실링재료로 2차 실링벽을 형성하며; 상기 제1 배리어층과 상기 금속기판을 EVA(260)로 코팅하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 제조방법은 제1 고분자 플라스틱 기판을 준비하는 단계와; 상기 제1 고분자 플라스틱 기판의 전면의 상부를 Ag로 코팅하는 단계와; 상기 Ag가 코팅된 제1 고분자 플라스 기판을 레이저 또는 열각인으로 패터닝하는 단계와; 상기 패터닝된 Ag의 상부 상에 보호막을 코팅하는 단계와; 상기 제1 고분자 플라스틱 기판의 후면의 상부 상에 투명한 탄소계열 박막이나 또는 Al2O3 중 어느 하나로 형성된 제1 배리어층을 코팅하여 상부전극기판을 제조하는 단계와; 스텐레이스 스틸, 강철 또는 Ti 중 어느 하나로 이루어진 금속기판을 준비하는 단계와; 상기 금속기판의 전면을 폴리싱하는 단계와; 상기 폴리싱된 금속기판의 상부 상에 금속층을 코팅하는 단계와; 상기 금속층의 전면 및 후면의 상부 상에 제2 배리어층을 코팅하는 단계와; 상기 제2 배리어층의 전면의 상부 상에 TiO2 나노입자층을 코팅하는 단계와; 상기 TiO2 나노입자층의 상부 상에 염료층을 형성하여 하부전극기판을 제조하는 단계와; 상기 상부전극기판의 보호막과 하부전극기판의 염료층을 대향하게 배치하고, 상기 제2 배리어층과 상부전극기판을 실링재료로 1차 실링하여 1차 실링벽을 형성하는 단계와; 상기 상부전극기판과 상기 하부전극기판을 실링재료로 2차 실링하여 2차 실링벽을 형성하는 단계와; 상기 보호막과 염료층 사이에 전해질을 주입하는 단계 및; 상기 상부전극기판과 상기 하부전극기판을 EVA로 코팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지는 금속기판의 표면을 기계적 연마 방식을 이용하여 폴리싱하여, 상기 금속기판의 표면에 단차를 생성시키고, 상기 단차가 상기 금속기판 상에 코팅되는 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막의 접착력을 증대시킴과 동시에 비표면적을 증대시킴으로써, 상기 박막 상에 적용된 염료의 흡착량 및 전해질의 흡착량을 증대시켜 태양광의 흡수율이 높아져 태양전지의 전환효율을 증가시킬 수 있다는 이점이 있다.
또한, 보호막과 염료층 사이에 전해질을 주입한 후, 실링 재료로 이중 실링하고, EVA로 3중 실림함으로써, 전해질 누수현상을 방지하여 전극의 열화 가능성이 있는 염료감응형 태양전지의 신뢰도를 향상시키며, 미세먼지 또는 습기 등의 불순물로부터 보호될 수 있다는 이점이 있다.
또한, 보호막에 의해 상부전극기판 상에 코팅된 Ag가 전해질로부터 보호될 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 종래의 염료감응형 태양전지의 단면도.
도 2는 종래의 염료감응형 태양전지의 전환효율을 도시한 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 단면도.
도 4는 도 3의 폴리싱 처리된 금속기판의 AFM 사진.
도 5는 도 3의 폴리싱 처리된 금속기판의 SEM 사진.
도 6은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 전환효율을 도시한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 제조방법의 흐름도.
도 8은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 모듈의 개략적 확대 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 제품 사진도.
도 2는 종래의 염료감응형 태양전지의 전환효율을 도시한 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 단면도.
도 4는 도 3의 폴리싱 처리된 금속기판의 AFM 사진.
도 5는 도 3의 폴리싱 처리된 금속기판의 SEM 사진.
도 6은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 전환효율을 도시한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 제조방법의 흐름도.
도 8은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 모듈의 개략적 확대 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 제품 사진도.
이하, 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통하여 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 및 그 제조방법을 보다 상세히 기술하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략될 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 클라이언트나 운용자, 사용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면 전체에 걸쳐 같은 참조번호는 같은 구성 요소를 가리킨다.
도 3은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 단면도이며, 도 4는 도 3의 폴리싱 처리된 금속기판의 AFM 사진이며, 도 5는 도 3의 폴리싱 처리된 금속기판의 SEM 사진이며, 도 6은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 전환효율을 도시한 그래프이며, 도 7은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 제조방법의 흐름도이며, 도 8은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 모듈의 개략적 확대 단면도이며, 도 9는 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 제품 사진도이다.
도 3, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지는 제1 고분자 플라스틱 기판(301)의 전면의 상부 상에 Ag(302)을 코팅 또는 증착한 후 레이저 또는 열각인으로 패터닝하고, 상기 패터닝된 Ag의 상부 상에 보호막(303)을 증착 또는 코팅한 후, 상기 제1 고분자 플라스틱 기판(301)의 후면의 상부 상에, 투명한 탄소계열 박막이나 또는 Al2O3 중 어느 하나로 형성된 제1 배리어층(304)을 코팅하여 제조된 상부전극기판(300)과; 스텐레이스 스틸, 강철 또는 Ti 중 어느 하나로 이루어진 금속기판(311)의 전면을 폴리싱하여, 상기 금속기판(311)의 표면에 단차를 생성시키고, 상기 단차가 형성된 금속기판(311) 상에 금속층(312)을 코팅하되, 상기 금속층(312)의 전면 및 후면의 상부를 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막 중 어느 하나로 형성된 제2 배리어층(313)을 코팅하고, 상기 제2 배리어층(313)의 전면의 상부 상에 TiO2 나노입자층(314)을 코팅하고, 상기 TiO2 나노입자층(314)의 상부 상에 칼라 유기염료 및 칼라 무기염료가 적용된 염료층(315)을 형성하여 제조된 하부전극기판(310) 및; 상기 상부전극기판(300)의 보호막(303)과 하부전극기판(310)의 염료층(315)을 대향하게 배치하고, 상기 보호막(303)과 염료층(315) 사이에 주입되는 전해질(320)을 포함한다.
여기서, 상기 전해질(320)과 접하는 제2 배리어층(313)과 상기 상부전극기판(300)을 실링재료로 1차 실링벽(330)을 형성하고, 상기 상부전극기판(300)과 하부전극기판(310)을 실링재료로 2차 실링벽(340)을 형성한 후, 상기 제1 배리어층(304)과 상기 금속기판(311)을 EVA(260)로 3차 실링을 한다.
또한, 상기 TiO2 나노입자층(315)은 전해질(320)과 접하는 제2 배리어층(314) 상에만 형성된다.
또한, 상기 제1 고분자 플라스틱 기판(301, 311)은 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PES(Polyethersulfone) 중 어느 하나로 이루어진다.
또한, 실링재료는 PET 또는 PEN으로 이루어진다.
또한, 상기 보호막(303)과 상기 투명한 탄소계열 박막은 투명한 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, 이하 "CNT" 라 총칭함) 박막 또는 투명한 그래핀(Graphen) 박막이다.
또한, 상기 금속층(313)은 Ti, W, Zn, Co, Ni, Al, SUS, Cr, Mo, Cu 중 어느 하나로 형성된다.
또한, 상기 전해질(320)은 액체 전해질 또는 준고체 전해질이다.
따라서, 이렇게 형성된 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지는 상기 금속기판의 표면에 형성된 단차가 상기 금속기판 상에 코팅되는 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막의 접착력을 증대시킴과 동시에 비표면적을 증대시킴으로써, 상기 박막 상에 적용된 염료의 흡착량 및 전해질의 흡착량을 증대시켜 태양광의 흡수율이 높아져 태양전지의 전환효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 보호막과 염료층 사이에 전해질을 주입한 후, 실링 재료로 이중 실링하고, EVA로 3중 실림함으로써, 전해질 누수현상을 방지하여 전극의 열화 가능성이 있는 염료감응형 태양전지의 신뢰도를 향상시키며, 미세먼지 또는 습기 등의 불순물로부터 보호될 수 있다. 또한, 보호막에 의해 상부전극기판 상에 코팅된 Ag가 전해질로부터 보호될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지를 제조하는 바람직한 실시 예를 도 4 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
[실시 예]
폴리싱
처리
고효율 태양전지의 구현은 기판의 표면 구조화 공정에서부터 시작된다. 이하, 염료감응태양전지의 금속기판의 표면 구조화 공정에 대한 효과를 알아보기 위해 상기 금속기판을 표면 구조화 공정의 일환으로 기계적 연마에 의한 폴리싱 처리를 수행하였다.
먼저, 금속기판의 표면 거칠기에 따른 영향을 살펴보기 위해서 0.1T 두께의 금속기판을 2㎝ 크기로 자른 후, 이 금속기판을 유기 클리닝 순서대로 클리닝을 수행한다.
이 후, 질소건으로 표면 세정을 하고, 불산으로 30초간 처리를 한 후, 증류수로 세정하고 질소건과 열풍건조기로 10분간 건조시킨다.
그 후, 마운팅을 사용하여, 그라인딩과 사포지#600을 사용하여 기계적 연마에 의한 폴리싱을 5분간 실시하여 표면 거칠기를 제어한다.
TiO
2
처리 및 모듈 제작
폴리싱된 금속표면에 TiO2를 4-8㎛로 코팅을 하고 염료를 흡착시킨 후, 상대전극 위에 백금을 코팅하여 촉매기능을 가능하게 한다. 그 후, 나노입자인 Clay 입자를 적용한 준고체 전해질을 적용하고, 코팅을 한 후, 60㎛의 실링재료를 이용하여 실링하여 모듈(도 8 참조)을 제작한다.
전술한 바와 같이, 사포지#600으로 5분 동안 폴리싱된 시편의 AFM(Atomic Force Microscope, 원자현미경)이 도 4에 도시되었고, 사포지#600으로 5분 동안 폴리싱된 시편의 SEM(Scanning Electron Microscope, 주사전자현미경)이 도 5에 도시되었다.
도 4 내지 도 5에서 알 수 있듯이, 사포지#600으로 5분 동안 폴리싱 처리된 시편은 전체적으로 표면의 거칠기가 깊고 넓은 결과를 나타내었다. 이러한 폴리싱 처리는 연마입자에 대해서 적용된 힘과 금속 표면의 기계적, 화학적 동작의 조화에 의하여 표면을 식각하는 공정이다.
또한, 사포의 거칠기의 따른 금속 표면의 연마률에 따라, 금속표면에 단차가 발생이 될 수 있다. 이러한 금속 표면의 단차는 산화물인 TiO2의 접착력을 증대시키며, 동시에 비표면적을 증대시킴으로써, 염료의 흡착량 및 전해질의 흡착량을 증대시킬 수 있다.
이러한 금속의 구조화 현상이 양호하게 되면, 태양 빛의 흡수율이 높아지고, 전류의 밀도 및 전류의 양이 증대되어, 도 6에 도시된 바와 같이, 태양전지의 전환효율을 증가시킬 수 있다.
이제, 이러한 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 제조방법을 도 7을 참조하여 상세히 살펴보면, 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지는 제1 고분자 플라스틱 기판(301)을 준비하는 단계(S701)와; 상기 제1 고분자 플라스틱 기판(301)의 전면의 상부를 Ag(302)로 코팅하는 단계(S702)와; 상기 Ag(302)가 코팅된 제1 고분자 플라스 기판(301)을 레이저 또는 열각인으로 패터닝하는 단계(S703)와; 상기 패터닝된 Ag의 상부 상에 보호막(303)을 코팅하는 단계(S704)와; 상기 제1 고분자 플라스틱 기판(301)의 후면의 상부 상에 투명한 탄소계열 박막이나 또는 Al2O3 중 어느 하나로 형성된 제1 배리어층(304)을 코팅하여 상부전극기판(300)을 제조하는 단계(S705)와; 스텐레이스 스틸, 강철 또는 Ti 중 어느 하나로 이루어진 금속기판(311)을 준비하는 단계(S706)와; 상기 금속기판(311)의 전면을 폴리싱하는 단계(S707)와; 상기 폴리싱된 금속기판(311)의 상부 상에 금속층(312)을 코팅하는 단계(S708)와; 상기 금속층(312)의 전면 및 후면의 상부 상에 제2 배리어층(313)을 코팅하는 단계(S709)와; 상기 제2 배리어층(313)의 전면의 상부 상에 TiO2 나노입자층(314)을 코팅하는 단계(S710)와; 상기 TiO2 나노입자층(314)의 상부 상에 염료층(315)을 형성하여 하부전극기판을 제조하는 단계(S711)와; 상기 상부전극기판(300)의 보호막(303)과 하부전극기판(310)의 염료층(315)을 대향하게 배치하고, 상기 제2 배리어층(313)과 상부전극기판(300)을 실링재료로 1차 실링하여 1차 실링벽(330)을 형성하는 단계(S712)와; 상기 상부전극기판(300)과 상기 하부전극기판(310)을 실링재료로 2차 실링하여 2차 실링벽(340)을 형성하는 단계(S713)와; 상기 보호막(303)과 염료층(315) 사이에 전해질을 주입하는 단계(S714) 및; 상기 상부전극기판(300)과 상기 하부전극기판(310)을 EVA(350)로 코팅하는 단계(S715)로 이루어진다.
여기서, 전술한 바와 같이, 상기 TiO2 나노입자층(314)은 전해질(320)과 접하는 제2 배리어층(313) 상에만 형성된다. 또한, 상기 제1 고분자 플라스틱 기판(301)은 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PES(Polyethersulfone) 중 어느 하나로 이루어진다. 또한, 상기 보호막(303)과 상기 투명한 탄소계열 박막은 투명한 CNT 박막 또는 투명한 그래핀(Graphen) 박막이다. 또한, 상기 금속층(312)은 Ti, W, Zn, Co, Ni, Al, SUS, Cr, Mo, Cu 중 어느 하나로 형성된다. 또한, 상기 전해질(320)은 액체 전해질 또는 준고체 전해질이다.
이하, 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 모듈을 살펴보고자 한다.
본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 모듈의 개략적 확대 단면을 도시한 도 8을 참조하면, 상부전극기판(도시되지 않음) 상에 Ag(302)가 코팅된 후, 레이저 또는 열각인으로 패터닝(Patterning)이 형성된 후, 보호막(303)으로 코팅되었으며, 그 아래쪽에 하부전극기판(도시되지 않음) 상에 증착된 유기 및 무기 염료가 흡착된 TiO2 나노입자층(315)이 위치된다. 이렇게 형성되고, A로 표시된 부분이 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 모듈이다.
이렇게 제조된 된 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지의 제품은 도 9에 도시된 바와 같이, 유연한 형태로 구부러질 수 있기에 휴대폰, 웨어러블 PC 등 차세대 PC 산업에 필요한 전원의 자가충전이나 옷, 모자, 자동차 유리, 건물 등에 부착해 활용할 수 있다.
전술한 바와 같은 본 발명에 따른 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지는 금속기판의 표면을 기계적 연마 방식을 이용하여 폴리싱하여, 상기 금속기판의 표면에 단차를 생성시키고, 상기 단차가 상기 금속기판 상에 코팅되는 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막의 접착력을 증대시킴과 동시에 비표면적을 증태시킴으로써, 상기 박막 상에 적용된 염료의 흡착량 및 전해질의 흡착량을 증대시켜 태양광의 흡수율이 높아져 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 보호막과 염료층 사이에 전해질을 주입한 후, 실링 재료로 이중 실링하고, EVA로 3중 실림함으로써, 전해질 누수현상을 방지하여 전극의 열화 가능성이 있는 염료감응형 태양전지의 신뢰도를 향상시키며, 미세먼지 또는 습기 등의 불순물로부터 보호될 수 있다. 또한, 보호막에 의해 상부전극기판 상에 코팅된 Ag가 전해질로부터 보호될 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 양호한 실시 예에 근거하여 설명하였지만, 이러한 실시 예는 본 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이므로, 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시 예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 본 발명의 기술적 사상의 요지에 속하는 변화 예나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300: 상부전극기판 301: 제1 고분자 플라스틱 기판
302: Ag 303: 보호막
304: 제1 배리어층 310: 하부전극기판
311: 금속기판 312: 금속층
313: 제2 배리어층 314: TiO2 나노입자층
315: 염료층 320: 전해질
330: 1차 실링벽 340: 2차 실링벽
350: EVA
302: Ag 303: 보호막
304: 제1 배리어층 310: 하부전극기판
311: 금속기판 312: 금속층
313: 제2 배리어층 314: TiO2 나노입자층
315: 염료층 320: 전해질
330: 1차 실링벽 340: 2차 실링벽
350: EVA
Claims (8)
- 제1 고분자 플라스틱 기판(301)의 전면의 상부 상에 Ag(302)을 코팅 또는 증착한 후 레이저 또는 열각인으로 패터닝하고, 상기 패터닝된 Ag의 상부 상에 보호막(303)을 증착 또는 코팅한 후, 상기 제1 고분자 플라스틱 기판(301)의 후면의 상부 상에, 투명한 탄소계열 박막이나 또는 Al2O3 중 어느 하나로 형성된 제1 배리어층(304)을 코팅하여 제조된 상부전극기판(300)과;
스텐레이스 스틸, 강철 또는 Ti 중 어느 하나로 이루어진 금속기판(311)의 전면을 폴리싱하여, 상기 금속기판(311)의 표면에 단차를 생성시키고, 상기 단차가 형성된 금속기판(311) 상에 금속층(312)을 코팅하되, 상기 금속층(312)의 전면 및 후면의 상부를 ITO, TiO2, SiO2, 또는 투명한 탄소계열 박막 중 어느 하나로 형성된 제2 배리어층(313)을 코팅하고, 상기 제2 배리어층(313)의 전면의 상부 상에 TiO2 나노입자층(314)을 코팅하고, 상기 TiO2 나노입자층(314)의 상부 상에 칼라 유기염료 및 칼라 무기염료가 적용된 염료층(315)을 형성하여 제조된 하부전극기판(310) 및;
상기 상부전극기판(300)의 보호막(303)과 하부전극기판(310)의 염료층(315)을 대향하게 배치하고, 상기 보호막(303)과 염료층(315) 사이에 주입되는 전해질(320)을 포함하며;
상기 전해질(320)과 접하는 제2 배리어층(313)과 상기 상부전극기판(300)을 실링재료로 1차 실링벽(330)을 형성하며;
상기 상부전극기판(300)과 하부전극기판(310)을 실링재료로 2차 실링벽(340)을 형성하며;
상기 제1 배리어층(304)과 상기 금속기판(311)을 에틸렌 아세테이트 비닐(Ethylene Vinyl Acetate, EVA, 260)로 코팅하는 것을 특징으로 하는 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 폴리싱은 기계적 연마에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 고분자 플라스틱 기판(301)은 PET(Polyethylene Terephthalate), PEN(Polyethylene Naphthalate), PES(Polyethersulfone) 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 보호막(303)과 상기 투명한 탄소계열 박막은 투명한 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube) 박막 또는 투명한 그래핀(Graphen) 박막인 것을 특징으로 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 금속층(312)은 Ti, W, Zn, Co, Ni, Al, SUS, Cr, Mo, Cu 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 전해질(320)은 액체 전해질 또는 준고체 전해질인 것을 특징으로 하는 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지.
- 제1항에 있어서,
상기 실링재료는 PET 또는 PEN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지.
- 제1 고분자 플라스틱 기판(301)을 준비하는 단계(S701)와;
상기 제1 고분자 플라스틱 기판(301)의 전면의 상부를 Ag(302)로 코팅하는 단계(S702)와;
상기 Ag(302)가 코팅된 제1 고분자 플라스 기판(301)을 레이저 또는 열각인으로 패터닝하는 단계(S703)와;
상기 패터닝된 Ag의 상부 상에 보호막(303)을 코팅하는 단계(S704)와;
상기 제1 고분자 플라스틱 기판(301)의 후면의 상부 상에 투명한 탄소계열 박막이나 또는 Al2O3 중 어느 하나로 형성된 제1 배리어층(304)을 코팅하여 상부전극기판(300)을 제조하는 단계(S705)와;
스텐레이스 스틸, 강철 또는 Ti 중 어느 하나로 이루어진 금속기판(311)을 준비하는 단계(S706)와;
상기 금속기판(311)의 전면을 폴리싱하는 단계(S707)와;
상기 폴리싱된 금속기판(311)의 상부 상에 금속층(312)을 코팅하는 단계(S708)와;
상기 금속층(312)의 전면 및 후면의 상부 상에 제2 배리어층(313)을 코팅하는 단계(S709)와;
상기 제2 배리어층(313)의 전면의 상부 상에 TiO2 나노입자층(314)을 코팅하는 단계(S710)와;
상기 TiO2 나노입자층(314)의 상부 상에 염료층(315)을 형성하여 하부전극기판을 제조하는 단계(S711)와;
상기 상부전극기판(300)의 보호막(303)과 하부전극기판(310)의 염료층(315)을 대향하게 배치하고, 상기 제2 배리어층(313)과 상부전극기판(300)을 실링재료로 1차 실링하여 1차 실링벽(330)을 형성하는 단계(S712)와;
상기 상부전극기판(300)과 상기 하부전극기판(310)을 실링재료로 2차 실링하여 2차 실링벽(340)을 형성하는 단계(S713)와;
상기 보호막(303)과 염료층(315) 사이에 전해질을 주입하는 단계(S714) 및;
상기 상부전극기판(300)과 상기 하부전극기판(310)을 EVA(350)로 코팅하는 단계(S715)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 제조방법.
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| KR1020120101041A KR101212938B1 (ko) | 2012-09-12 | 2012-09-12 | 폴리싱 처리된 금속기판을 구비한 금속 플렉시블 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 |
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|---|---|---|---|---|
| KR101465089B1 (ko) * | 2013-05-30 | 2014-11-27 | 포항공과대학교 산학협력단 | 3차원 나노 구조체를 구비한 염료감응형 태양전지와 그 제조방법 |
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| JP2005285472A (ja) | 2004-03-29 | 2005-10-13 | Shozo Yanagida | 光電変換装置 |
| JP2006297300A (ja) | 2005-04-21 | 2006-11-02 | Nissan Motor Co Ltd | 半導体光電極、その製造方法及び光エネルギ変換装置 |
| JP2008153180A (ja) | 2006-12-20 | 2008-07-03 | Fujikura Ltd | 光電変換素子および光電変換素子用の対極の製造方法 |
| KR101030014B1 (ko) | 2009-11-09 | 2011-04-20 | 삼성에스디아이 주식회사 | 광전변환소자 |
-
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