KR101217282B1 - 염료감응 태양전지 모듈 패키지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직 배열을 통해 단위 면적당 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있는 염료감응 태양전지 모듈을 제공하기 위한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 복수개의 셀(1)에 의해 구성되는 염료감응 태양전지 모듈에 있어서; 각 셀(1)은 수직 방향으로 배치되되, 수직 방향으로 배치된 셀의 상부측에는 집광렌즈(2)가 설치되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈 및 그 패키지가 제공된다.

Description

염료감응 태양전지 모듈 패키지{dye-sensitized solar cell module and package thereof}

본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염료감응 태양전지 모듈의 에너지 변환 효율을 재료의 개선과는 별개로 시스템적으로 개선하고자 하는 기술에 관한 것이다.

이산화탄소 발생 규제 정책과 화석 연료 매장량의 고갈에 따라 에너지 가격 상승으로 인하여 반도체 등을 이용하여 태양 에너지를 전기에너지로 활용하고자 하는 태양전지 분야의 관심과 노력이 점차 증가되고 있다.

염료감응 태양전지는 기존의 p-n 접합에 의한 실리콘 태양전지와는 달리, 가시광선의 빛을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.

지금까지 알려진 염료감응 태양전지 중 대표적인 예로서 스위스의 그라첼(Gratzel) 등에 의하여 발표된 것이 있다(미국 특허공보 제4,927,721호 및 동 제5,350,644호). 그라첼 등에 의해 제안된 염료감응 태양전지는 나노입자 산화물 반도체 전극, 백금 전극, 상기 반도체 전극에 코팅된 염료 분자, 그리고 산화/환원 전해질로 구성된 광전기화학적 태양전지이다. 여기서, 염료 분자는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성하는 역할을 하고, 나노입자 산화물 반도체 전극은 생성된 전자를 전달하는 역할을 한다.

이러한 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하고 투과성이 좋다는 장점이 있지만, 실리콘 태양전지에 비해 효율이 저조하여 상용화가 어려운 실정이다.

즉, 광합성의 원리를 사용하여 작동하는 염료감응형 태양전지는 현재, 실리콘 태양전지에 비해 광전효율이 약 10%로 정도로 다소 낮은 수준이다. 하지만 저가의 제조설비 및 공정 기술로 단가를 실리콘계의 1/5 까지 낮출 수 있고, 높은 투과성을 가지고 있어 유리창, 차장유리 등 응용성이 뛰어나 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 제3세대 전지로 각광받고 있다. 염료감응태양전지의 가장 큰 약점은 낮은 변환효율이다. 이를 해결하기 위해서 효율을 향상시키기 위한 연구가 많이 진행 중에 있다.

따라서, 염료감응 태양전지는 그 효율만 높일 수 있다면 실리콘 태양전지를 대체할 가능성이 있다는 점에서 주목받고 있다.

현재 연구 배경에서 염료감응형 태양전지는 주료 재료 개발을 통한 효율 향상에 촛점이 맞추어져 있는데 재료개발의 한계로 12% 효율에서 멈춰 있고, 고전압 태양전지를 만들려면 부피가 커져 응용할 수 있는 영역이 작아지게 된다.

따라서, 컴팩트하면서도 고효율의 태양전지에 대한 연구가 절실한 실정이다.

본 발명은 상기한 제반 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 수직 배열을 함과 아울러 집광시스템을 적용하여 단위 면적당 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있도록 한 염료감응 태양전지 모듈 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수 개의 셀이 수직 방향으로 배치되되, 수직 방향으로 배치된 셀의 상부측에는 집광렌즈가 설치되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈이 제공된다.

한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 형태에 따르면, 수직 방향으로 배치되되, 빛이 양 측면으로부터 들어올 수 있도록 서로 간격을 두고 배치되는 복수개의 셀과; 상기 수직 방향으로 배치된 셀 상부에 설치되는 집광렌즈와; 상기 셀 외측의 빛을 반사시켜 각 셀의 간격을 통해 셀 내측으로 빛을 유도하도록 모듈의 측면부에 설치되는 측면렌즈와; 수직 방향으로 배치된 셀 중의 최하부 셀의 아래쪽에 설치되는 반사판과; 상기 각 셀과 측면렌즈와 집광렌즈 및 반사판을 감싸는 투명재질의 몰드바디를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈 패키지가 제공된다.

본 발명의 효과는 다음과 같다.

본 발명은 염료감응 태양전지의 장점인 투과성을 이용하여 전지를 이격되게 수직배열하고 직렬 혹은 병렬 연결하여 단위면적은 작지만, 일정한 전압과 전류가 나오는 고효율전지를 재현한다. 또한 양쪽에는 렌즈와 태양전지 모듈 아래쪽에 위치한 반사판을 이용하여 빛을 골고루 들어오게 하며 효율을 향상시킨다.

기존의 대면적의 염료감응 태양전지는 원하는 전압과 전류를 얻기 위해서는 그만큼의 대 면적이 필요하였다. 하지만 수직 배열한 염료감응태양전지는 작은 면적에서도 고효율을 낼 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 구조를 나타낸 구성도
도 2의 (가) 및 (나)는 본 발명의 제1실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈과 집광렌즈를 적용하지 않은 염료감응 태양전지 모듈의 전지 성능 변화를 비교하여 보여주기 위한 참고 그래프
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 구조를 나타낸 구성도
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 효율 변화를 비교구조의 모듈과 대조하여 보여주는 참고 그래프
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지 구조를 나타낸 구성도
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지 구조를 나타낸 구성도
도 7은 도 1의 염료감응 태양전지 모듈의 실제 제작품을 나타낸 참고 사진
도 8은 도 3의 염료감응 태양전지 모듈의 실제 제작품을 나타낸 참고 사진

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해 첨부도면 도 1 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

[실시예1]

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 구조를 나타낸 구성도이고, 도 7은 도 1의 염료감응 태양전지 모듈의 실제 제작품을 나타낸 참고 사진으로서, 본 발명에 따른 염료감응 태양전지 모듈은, 복수개의 셀(1)에 의해 구성되되, 각 셀(1)은 수직 방향으로 배치되고, 수직 방향으로 배치된 셀(1)의 상부에는 집광렌즈(2)가 설치된다.

이때, 상기 각 셀(1)은 수직방향에 있어 서로 이격 설치된다.

그리고, 상기 집광렌즈(2)는 빔 포커싱 영역이 최하층 셀(1)의 액티브 레이어(1a) 영역을 포함할 수 있도록 하는 위치에 설치되되, 본 실시예에서는 상기 집광렌즈(2)는 최상부층 셀의 상면에 접촉하도록 설치된다.

그리고, 상기 집광렌즈(2)는 셀(1)에 접촉하는 면은 평면이고, 그 반대편 면은 볼록한 구조의 렌즈일 수 있다.

이와 같이 구성된 본 실시예의 염료감응 태양전지 모듈의 작용은 다음과 같다.

본 실시예에 따른 수직배열 염료감응 태양전지 모듈은, 재료가 아닌 시스템적으로 효율을 향상시키기 위해 집광시스템을 이용하였다.

즉, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈은 집광렌즈(2)를 모듈 위쪽에 설치하여 단위 면적당 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있으므로, 작은 면적에서도 기존의 수평 구조인 염료감응 태양전지에 비해 고전압 고효율을 나타내게 된다.

한편, 아래 표 1은 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 전지 성능 및 효율 변화를 보여주는 것으로서, 비교구조는 집광렌즈(2)를 설치하지 않은 염료감응 태양전지 모듈을 가리킨다.

여기서, 최대전력, Vmp는 최대전압, Imp는 최대전류, Isc는 단락전류, Voc는 개방전압, FF는 Fill factor이다.

위의 표 1을 참조하면, 비교구조의 경우에는 아래층 전지가 위층 전지에 가려져서 효율이 약 3.5 %에서 약 1.1%로 현저하게 낮아지는 것을 알 수 있다.

집광렌즈(2) 적용시 아래층 전지(즉, 전지2)는 광전효율이 약 1.1%에서 약 3.3%로 본래의 효율 약 1.1%보다 향상됨을 알 수 있고, 약 3배 정도 증가하였다. 위층 전지(전지1)은 약 3.5%에서 약 4.7%로 약 1/3배 정도 향상됨을 알 수 있다. 집광렌즈(2)와 거리 변화가 거의 없지만 집광시 위층의 효율에도 변화를 주고, 초점거리에 가까워지는 아래층의 전지가 집광의 효율은 약 3배정도 증가하여 집광렌즈(2) 유무에 더 크게 영향을 받음을 알 수 있다.

한편, 도 2의 (가) 및 (나)는 본 발명의 제1실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈과 집광렌즈(2)를 적용하지 않은 염료감응 태양전지 모듈의 전지 성능 변화를 비교하여 보여주기 위한 참고 그래프로서, 점선은 집광렌즈(2) 적용한 본 실시예의 염료감응 태양전지 모듈의 전압과 전류와의 관계를 나타낸 것이고, 실선은 집광렌즈(2)를 적용하지 않고 적층만 한 염료감응 태양전지 모듈의 전압과 전류와의 관계를 나타낸 것이다. 도 2를 통해서도 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 전지 성능이 집광렌즈(2)를 적용하지 않은 구조에 비해 한층 높다는 사실을 확인할 수 있다.

즉, 염료감응 태양전지 모듈의 광전효율은 재료의 개발을 통해서 향상시킬 수도 있으나, 본 발명에 따르면 재료의 개발과는 별개로 시스템적으로 광전효율을 약 3배(도 4 참조) 정도 향상시킬 수 있게 된다.

[실시예2]

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 구조를 나타낸 구성도이고, 도 8은 도 3의 염료감응 태양전지 모듈의 실제 제작품을 나타낸 참고 사진으로서, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈은, 복수개의 셀(1)에 의해 구성되되, 각 셀(1)은 수직 방향으로 배치되고, 수직 방향으로 배치된 셀(1)의 상부측에는 집광렌즈(2)를 설치되며, 상기 수직 방향으로 배치된 셀(1) 중의 최하부 셀의 아래쪽에 반사판(4)이 설치되어 구성된다.

즉, 기본적으로는 전술한 제1실시예의 구성을 따르되, 집광렌즈(2) 반대편에 반사판(4)이 추가 설치된다.

이와 같이 구성된 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 작용은 다음과 같다.

본 실시예에 따른 수직배열 염료감응 태양전지 모듈은, 효율향상을 극대화 시키기 위해 집광시스템을 이용함과 아울러 반사판(4)을 이용하였다.

즉, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈은 집광렌즈(2)를 모듈 위쪽에 설치하는 한편, 이와 더불어 최하부 셀의 아래쪽(즉, 집광렌즈(2) 반대편)에 반사판(4)을 추가 설치하여 단위 면적당 에너지 변환 효율을 한층 더 끌어올릴 수 있으므로, 작은 면적에서도 기존의 염료감응 태양전지에 비해 고전압 고효율을 나타내게 된다.

한편, 아래 표 2는 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 전지 성능 및 효율 변화를 보여주는 표이고, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈의 효율 변화를 보여주는 참고 그래프로서, 비교구조는 집광렌즈(2)를 적용하지 않은 염료감응 태양전지 모듈과 집광렌즈(2)는 적용하되 반사판(4)은 적용하지 않은 염료감응 태양전지 모듈을 가리킨다.

위의 표 2 및 도 4를 참조하면, 우선 집광렌즈(2)와 반사판(4) 중 어느 것도 적용하지 않은 전지는 광전효율이 약 2.85 %이고, 집광렌즈(2)와 반사판(4) 모두를 적용한 전지는 광전효율이 약 13.02%로 대략 6배가 향상됨을 알 수 있다. 이를 통하여 집광렌즈(2)와 반사판(4)은 염료감응태양전지의 효율 향상에 큰 영향을 끼친다는 것을 확인할 수 있다.

즉, 염료감응 태양전지 모듈의 광전효율은 재료의 개발을 통해서 향상시킬 수도 있으나, 본 발명에 따르면 재료의 개발과는 별개로 모듈 구조 개선을 통해 시스템적으로 광전효율을 6배 정도 향상시킬 수 있게 된다.

[실시예3]

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지를 나타낸 구성도로서, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지는, 수직 방향으로 배치되되, 빛이 양 측면으로부터 들어올 수 있도록 서로 간격을 두고 배치되는 복수개의 셀(1)과; 상기 수직 방향으로 배치된 셀(1) 중 최상부층 셀의 상부에 설치되는 집광렌즈(2)와; 상기 셀(1) 외측의 빛을 반사시켜 각 셀의 간격을 통해 셀 내측으로 빛을 유도하도록 모듈의 측면부에 설치되는 측면렌즈(3)와; 수직 방향으로 배치된 셀(1) 중의 최하부 셀의 아래쪽에 설치되는 반사판(4)과; 상기 각 셀(1)과 측면렌즈(3)와 집광렌즈(2) 및 반사판(4)을 감싸는 투명재질의 몰드바디(5)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 몰드바디(5)의 각 셀과 셀 사이에 형성되는 부분은 각 셀(1) 간의 간격이 유지되도록 하는 스페이서(spacer)의 역할을 하게 된다.

그리고, 상기 집광렌즈(2)는 빔 포커싱 영역이 최하층 셀(1)의 액티브 레이어(도시는 생략함) 영역을 포함할 수 있도록 하는 위치에 설치되되, 본 실시예에서는 상기 집광렌즈(2)는 최상부층 셀의 상면에 접촉하도록 설치된다.

그리고, 상기 집광렌즈(2)는 셀(1)에 접촉하는 면은 평면이고 그 반대편 면은 볼록한 구조의 렌즈이다.

이와 같이 구성된 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지의 작용은 다음과 같다.

본 실시예에 따른 수직배열 염료감응 태양전지 모듈 패키지는, 효율향상을 극대화시키기 위해 집광시스템을 이용함과 아울러 반사판(4)을 이용함에 있어서, 집광시스템을 구성하는 렌즈를 모듈 최상부뿐만 아니라 모듈 측면에도 구성되도록 하였다.

즉, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지는 집광렌즈(2)를 셀(1)의 최상층 셀 위에 설치하는 한편 셀과 셀 간의 공간 양측에도 설치하고, 이와 더불어 최하부 셀(1)의 아래쪽(즉, 집광렌즈(2) 반대편)에 반사판(4)을 추가로 설치하여 단위 면적당 에너지 변환 효율을 한층 더 끌어올림으로써, 작은 면적에서도 기존의 염료감응 태양전지에 비해 고전압 고효율을 나타내게 된다.

또한, 본 실시예에 따르면, 각 셀(1)(cell)을 밀착시키기 않고, 염료감응 태양전지의 주변 빛에 대한 반응을 이용하기 위하여 빛이 양옆에서도 들어올 수 있도록 간격을 띄어둔다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지는 셀(1)을 수직으로 통과하는 빛과 셀(1) 옆을 지나는 빛을 모두 이용하여 태양전지의 효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 본 실시예의 염료감응 태양전지 모듈 패키지는 외부의 충격이나 오염으로부터 태양전지 모듈을 보호하는 한편 태양전지를 블록처럼 쌓아서 원하는 전압을 내도록 사용할 수 있게 된다. 즉, 1개당 0.6V의 전압을 가지는 태양전지를 2개 직렬 연결하면 1.2V, 3개를 직렬연결하면 1.8V가 가능하다.

[실시예4]

도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지를 나타낸 구성도로서, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지는, 수직 방향으로 배치되되, 빛이 양 측면으로부터 들어올 수 있도록 서로 간격을 두고 배치되는 복수개의 셀(1)과; 상기 수직 방향으로 배치된 각 셀(1) 상부에 설치되는 집광렌즈(2)와; 상기 셀(1) 외측의 빛을 반사시켜 각 셀(1)의 간격을 통해 셀(1) 내측으로 빛을 유도하도록 모듈의 측면부에 설치되는 측면렌즈(3)와; 수직 방향으로 배치된 셀(1) 중의 최하부 셀의 아래쪽에 설치되는 반사판(4)과; 상기 각 셀(1)과 측면렌즈(3)와 집광렌즈(2) 및 반사판(4)을 감싸는 투명재질의 몰드바디(5)를 포함하여 구성된다.

즉, 본 실시예의 구성은 각 셀(1)의 상부에 집광렌즈(2)가 하나씩 설치되는 점을 제외하면, 실시예3과 동일하다.

이와 같이 구성된 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지의 작용은 다음과 같다.

본 실시예에 따른 수직배열 염료감응 태양전지 모듈 패키지는, 효율향상을 극대화 시키기 위해 집광시스템을 이용함과 아울러 반사판(4)을 이용함에 있어서, 집광시스템을 구성하는 렌즈를 각 셀(1) 상부에 구성되도록 함과 아울러 모듈 측면에도 구성되도록 하였다.

즉, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지는 집광렌즈(2)를 수직 배열된 각 셀(1)의 위에 설치함과 아울러 각 셀 들 사이의 이격 공간 좌,우 외측에도 설치하고, 이와 더불어 최하부 셀의 아래쪽(즉, 집광렌즈(2) 반대편)에 반사판(4)을 설치하여 단위 면적당 에너지 변환 효율을 한층 더 높일 수 있도록 하였으며, 이에 따라 작은 면적에서도 기존의 염료감응 태양전지에 비해 고전압 고효율을 나타내게 된다.

또한, 본 실시예에 따르면, 각 셀(1)(cell)을 밀착시키기 않고, 염료감응 태양전지의 주변 빛에 대한 반응을 이용하기 위하여 빛이 양옆에서도 들어올 수 있도록 간격을 띄어둔다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 염료감응 태양전지 모듈 패키지는 셀(1)을 수직으로 통과하는 빛과 셀(1) 옆을 지나는 빛을 모두 이용하여 태양전지의 효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 본 실시예의 염료감응 태양전지 모듈 패키지 역시, 외부의 충격이나 오염으로부터 태양전지 모듈을 보호하는 한편 태양전지를 블록처럼 쌓아서 원하는 전압을 내도록 사용할 수 있게 된다.

이상에서와 같이, 본 발명의 염료감응 태양전지 모듈 및 그 패키지는 유효면적의 증가로 인해 단위 면적당 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있으므로, 작은 면적에서도 기존의 염료감응 태양전지에 비해 고전압, 고효율을 나타내게 된다.

즉, 기존의 대면적의 염료감응 태양전지는 원하는 전압과 전류를 얻기 위해서는 그만큼의 대 면적이 필요하였지만, 본 발명의 구조에 따른 수직 배열의 염료감응태양전지는 유효면적이 넓어지는 효과에 상하부 및 측면에서의 집광 효과를 더함으로써 작은 면적에서도 고전압, 고효율을 나타낼 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예들로 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

본 발명의 염료감응태양전지 모듈 및 그 패키지는 작은 면적에서도 고전압, 고효율을 낼 수 있어, 전기를 공급하기 어렵고 빛이 강하지 않은 곳의 소형센서나 소형 전자제품의 전력 공급에 적용할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높은 발명이다.

1:셀 1a:액티브 레이어
2:집광렌즈 3:측면렌즈
4:반사판 5:몰드바디

Claims (7)

1. 삭제
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5. 삭제
6. 수직 방향으로 배치되되, 빛이 양 측면으로부터 들어올 수 있도록 서로 간격을 두고 배치되는 복수개의 셀(1)과;
   상기 수직 방향으로 배치된 셀(1) 상부에 설치되는 집광렌즈(2)와;
   상기 셀(1) 외측의 빛을 반사시켜 각 셀의 간격을 통해 셀 내측으로 빛을 유도하도록 모듈의 측면부에 설치되는 측면렌즈(3)와;
   수직 방향으로 배치된 셀(1) 중의 최하부 셀의 아래쪽에 설치되는 반사판(4)과;
   상기 각 셀(1)과 측면렌즈(3)와 집광렌즈(2) 및 반사판(4)을 감싸는 투명재질의 몰드바디(5)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈 패키지.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 집광렌즈(2)는 수직 방향으로 배치된 각 셀(1)의 상부에 각각 설치되고, 상기 측면렌즈(3)는 각 셀과 셀 사이의 공간 외측에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 모듈 패키지.

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