KR101224139B1 - 염료 감응형 태양전지 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조방법은, 전면 전극기판에 금속 페이스트를 나노프린팅하여 버스 바와 버스 바와 연결되는 그리드를 형성하고, 버스 바와 버스 바와 연결되는 그리드가 형성된 전면 전극기판을 노에서 소성하고, 소성된 전면 전극기판의 버스 바와 버스 바와 연결되는 그리드가 형성된 부분 이외의 부분에 나노입자 산화물을 나노프린팅하고 노에서 소성하고, 전면 전극기판의 버스 바와 그리드에 보호물질을 나노프린팅하고 노에서 소성하고, 보호층이 형성된 전면 전극기판을 광 감응 염료가 저장된 염료저장배스에 디핑하여 광 감응 염료를 도포하고, 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판에서 염료찌거기를 제거하고, 후면 전극기판에 전해액 주입홀을 형성하고, 후면 전극기판에 전해액의 산화환원을 촉진하는 촉매 페이스트를 나노프린팅하고 노에서 소성하여 촉매층을 형성한 후, 촉매층이 형성된 후면 전극기판과 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판을 부착하고, 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 통해 전해액을 주입한 후, 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 실링하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 염료 감응형 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대량 생산이 가능하고 제조시간을 단축할 수 있는 인-라인(In-Line) 형태로 구현된 염료 감응형 태양전지 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 태양전지는 태양에너지를 직접 전기로 변환시키는 태양광 발전의 핵심소자이다. 태양전지는 현재 전기, 전자제품, 주택이나 건물에 이르기까지 다양한 분야에 적용되고 있다. 태양전지는 광 흡수층의 재료에 따라 구분되는데, 광 흡수층으로 실리콘을 사용하는 실리콘 태양전지, 광 흡수층으로 CIS(CuInSe2)나 CdTe를 이용하는 화합물 태양전지, 광감응 염료 분자가 흡착된 염료 감응형 태양전지, 복수개의 비정질 실리콘이 적층된 적층형 태양전지로 구분된다.
염료 감응형 태양전지는 1991년 스위스 연방공과대학의 Gratzel 교수팀에 의해 최초로 개발되었으며, 실리콘 태양전지와는 달리 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 감광성 염료 분자, 및 생성된 전자를 전달하는 전이 금속 산화물을 주된 구성 재료로 하는 태양전지이다. 염료 감응형 태양전지는 태양 빛 입사각과 그림자 효과에 덜 민감하고 온도상승에 따른 발전량이 우수하다.
종래 염료감응형 태양전지는 도 1에 도시한 바와 같이, 크게 표면에 투명 전도성막(12)이 형성된 베이스기판(11)을 포함하는 전면 전극기판(10)과, 전면 전극기판(10)을 투과한 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성하고 생성된 전자를 전면 전극기판(10)으로 전달하는 광흡수층(20)과, 후면 전극기판(50)으로부터 전자를 받아 광흡수층(20)에 전달하는 전해액층(40)과, 후면 전극기판(50)을 포함하여 구현된다.
광흡수층(20)은 반도체 미립자(21a)와, 반도체 미립자(21a)에 흡착되며 가시광 흡수로 전자가 여기되는 광 감응 염료(21b)를 포함한다. 반도체 미립자(21a)는 실리콘으로 대표되는 단체 반도체 외에, 금속 산화물, 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 복합 금속 산화물 등을 사용할 수 있다. 염료(21b)는 태양전지 혹은 광전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다.
전해액층(40)은 전해액으로 이루어진다. 전해액은 요오드계 산화/환원쌍(I-/I3 -)으로서 산화, 환원에 의해 후면 전극기판(50)으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 수행하며, 이때 개방회로 전압은 염료의 에너지 준위와 전해액의 산환, 환원 준위의 차이에 의해 결정된다. 전해액은 전면 전극기판(10) 및 후면 전극기판(50) 사이에 균일하게 분산되며, 또한 광흡수층(20)에 침윤될 수도 있다.
후면 전극기판(50)은 베이스기판(51)에 투명전도성막(53)과 전해액층(40)의 산화환원을 촉진시키는 촉매층(55)이 형성된 구조로 구현된다. 촉매층(55)은 백금, 금, 카본, 루비튬 중 적어도 어느 하나로 구현될 수 있다. 촉매층(55)이 백금이면 백금흑 상태로, 카본이면 다공질 상태로 되어 있는 것이 바람직하다. 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화백금산 처리 등에 의해, 또한 다공질 상태의 카본은, 카본미립자의 소결이나 유기폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성할 수 있다.
종래 염료감응형 태양전지는 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 광 흡수층(30) 내 염료 분자에 흡수되고, 염료 분자는 기저상태에서 여기상태로 전자 전이하여 전자-홀쌍을 만든다. 여기상태의 전자는 반도체 미립자 계면의 전도띠(conduction band)로 주입되며, 주입된 전자는 계면을 통해 전면 전극기판(10)으로 전달된다. 이후 외부 회로를 통해 후면 전극기판(50)으로 이동한다. 한편 전자 전이 결과로 산화된 염료는 전해액층(40) 내 산화-환원 이온에 의해 환원되고, 산화된 이온은 전하 중성(charge neutrality)을 이루기 위해 후면 전극기판(50)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 염료감응형 태양전지가 작동하게 된다.
그런데, 종래 염료감응형 태양전지는 배치타입(Batch type) 형태로 제작되고 있다. 이에 따라 종래 제조업체에서는 염료감응형 태양전지의 대량생산이 어려운 문제점이 있었다. 또한, 염료감응형 태양전지를 제조하는데 필요한 작업자가 많이 필요하고, 각 작업자가 수작업으로 제조함으로 제조시간이 길어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 대량 생산이 가능한 인-라인(In-Line) 형태로 구현된 염료 감응형 태양전지 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 부가적인 목적은 염료감응형 태양전지를 제조하는데 필요한 작업자의 수와 제조시간을 단축할 수 있는 인-라인(In-Line) 형태로 구현된 염료 감응형 태양전지 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상에 따른 염료 감응형 태양전지 제조방법은, 전면 전극기판에 금속 페이스트를 나노프린팅하여 버스 바(Bus bar)와 버스 바(Bus bar)와 연결되는 그리드(grid)를 형성하는 단계와, 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 전면 전극기판을 노(FURNANCE)에서 소성하는 단계와, 소성된 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 부분 이외의 부분에 나노입자 산화물을 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 나노입자 산화물층을 형성하는 단계와, 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)에 보호물질을 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 보호층을 형성하는 단계와, 보호층이 형성된 전면 전극기판을 광 감응 염료가 저장된 염료저장배스에 디핑하여 광 감응 염료를 도포하는 단계와, 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판에서 염료찌거기를 제거하는 단계와, 후면 전극기판에 전해액 주입홀을 형성하는 단계와, 후면 전극기판에 전해액의 산화환원을 촉진하는 촉매 페이스트를 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 촉매층을 형성하는 단계와, 촉매층이 형성된 후면 전극기판과 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판을 부착하는 단계와, 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 통해 전해액을 주입하는 단계와, 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 실링하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따른 염료 감응형 태양전지 제조방법은, 전면 전극기판에 금속 페이스트를 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하는 단계와, 소성된 전면 전극기판에 버스 바(Bus bar)와 연결되도록 금속 페이스트를 도포하여 그리드(grid)를 형성하는 단계와, 그리드(grid)가 형성된 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 부분 이외의 부분에 나노입자 산화물을 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 나노입자 산화물층을 형성하는 단계와, 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)에 보호물질을 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 보호층을 형성하는 단계와, 보호층이 형성된 태양전지용 전면 전극기판을 광 감응 염료가 저장된 염료저장배스에 디핑하여 광 감응 염료를 도포하는 단계와, 후면 전극기판에 전해액 주입홀을 형성하는 단계와, 후면 전극기판에 전해액의 산화환원을 촉진하는 촉매 페이스트를 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 촉매층을 형성하는 단계와, 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판의 나노입자 산화물층에 전해액을 토출하는 단계와, 전해액이 묻은 전면 전극기판에 촉매층이 형성된 후면 전극기판을 올려놓고 접합하는 단계와, 전면 전극기판과 접합된 후면 전극기판에 형성된 전해액 주입홀에 진공밸브가 형성된 공기 배출부를 연결하는 단계와, 진공밸브를 개방하여 접합된 전면 전극기판과 후면 전극기판 사이에 전해액을 충진하는 단계와, 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 실링하는 단계를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따르면 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조방법는 인-라인(In-Line) 형태로 구현됨으로써, 대량 생산이 가능하고 염료감응형 태양전지를 제조하는데 필요한 작업자의 수와 제조시간을 단축할 수 있는 유용한 효과가 있다.
도 1 은 종래 염료감응형 태양전지를 개략적으로 도시한 일예,
도 2a 는 본 발명의 제1실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조시스템을 개략적으로 도시한 블록도,
도 2b 는 본 발명의 제2실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조시스템을 개략적으로 도시한 블록도,
도 3 은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 광 감응 염료 도포장치의 구성 블록도,
도 4 는 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 후면 전극기판 제조장치의 구성 블록도,
도 5a, 도 5b 는 도4에 따른 태양전지용 후면 전극기판 제조장치에서 후면 전극기판에 주입홀을 형성하기 위해 레이저의 초점거리를 조절하는 과정을 설명하기 위한 예시도,
도 6 은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 제1실시예에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치의 구성 블록도,
도 7 은 도 6에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치의 동작을 설명하기 위한 예시도,
도 8 은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 제2실시예에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치의 구성 블록도,
도 9 는 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 전해액 주입장치의 구성 블록도,
도 10 은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 전해액 주입홀 실링장치의 구성 블록도,
도 11 은 도 10 에 따른 전해액 주입홀 실링장치를 이용해 후면 전극기판의 주입홀에 밀폐부재와 실런트를 삽입한 염료 감응형 태양전지의 부분 단면도,
도 12 는 본 발명의 제1실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조장치에서 실행되는 제조방법을 도시한 흐름도,
도 13 은 본 발명의 제2실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조장치에서 실행되는 제조방법을 도시한 흐름도,
도 14 는 도 13에 따른 염료 감응형 태양전지 제조방법에 포함된 전면 전극기판과 후면 전극기판을 접합하는 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2a 는 본 발명의 제1실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조시스템을 개략적으로 도시한 블록도,
도 2b 는 본 발명의 제2실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조시스템을 개략적으로 도시한 블록도,
도 3 은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 광 감응 염료 도포장치의 구성 블록도,
도 4 는 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 후면 전극기판 제조장치의 구성 블록도,
도 5a, 도 5b 는 도4에 따른 태양전지용 후면 전극기판 제조장치에서 후면 전극기판에 주입홀을 형성하기 위해 레이저의 초점거리를 조절하는 과정을 설명하기 위한 예시도,
도 6 은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 제1실시예에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치의 구성 블록도,
도 7 은 도 6에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치의 동작을 설명하기 위한 예시도,
도 8 은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 제2실시예에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치의 구성 블록도,
도 9 는 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 전해액 주입장치의 구성 블록도,
도 10 은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 전해액 주입홀 실링장치의 구성 블록도,
도 11 은 도 10 에 따른 전해액 주입홀 실링장치를 이용해 후면 전극기판의 주입홀에 밀폐부재와 실런트를 삽입한 염료 감응형 태양전지의 부분 단면도,
도 12 는 본 발명의 제1실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조장치에서 실행되는 제조방법을 도시한 흐름도,
도 13 은 본 발명의 제2실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조장치에서 실행되는 제조방법을 도시한 흐름도,
도 14 는 도 13에 따른 염료 감응형 태양전지 제조방법에 포함된 전면 전극기판과 후면 전극기판을 접합하는 방법을 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조시스템은 도 2a에 도시한 바와 같이, 전면 전극기판 제조장치(210)와, 스크린 프린터(220)와, 노(FURNANCE)(230)와, 광 감응 염료 도포장치(240)와, 세척장치(250)와, 후면 전극기판 제조장치(260)와, 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치(270)와, 전해액 주입장치(280)와, 전해액 주입홀 실링장치(290)를 포함한다.
전면 전극기판 제조장치(210)는 복수개의 베이스기판이 탑재된 카세트 타입의 기판탑재부를 승강부를 통해 승강시키고, 기판탑재부로부터 베이스기판을 꺼낸 후, 베이스기판에 레이저 스크라이빙을 통해 미리 설정된 격자 패턴에 따라 절연 라인(isolation line)을 형성한다. 전면 전극기판 제조장치(210)는 절연 라인(isolation line)이 형성된 베이스기판에 세척액을 분무하고, 베이스기판 표면에 존재하는 세척액을 제거하기 위해 물을 분무하고, 베이스기판 표면에 존재하는 물을 제거한다. 세척액을 제거하기 위해 사용하는 물은 예컨대 일상적인 물일 수도 있고, 탈-이온수(DI Water) 또는 물을 정수하여 얻은 Si Water를 사용할 수 있다. 전면 전극기판 제조장치(210)는 절연 라인(isolation line)이 형성되고 이물질 제거 과정까지 마친 베이스기판을 카세트 타입의 기판탑재부에 탑재하고, 기판탑재부를 승강부를 통해 하부로 이동한다.
스크린 프린터(220)는 전면 전극기판 제조장치(210)에서 제조된 전면 전극기판의 절연 라인(isolation line)에 금속 페이스트를 나노프린팅하여 버스 바(Bus bar)와 버스 바(Bus bar)와 연결되는 그리드(grid)를 형성한다. 여기서, 금속 페이스트는 전기전도도가 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 예컨대 은(Ag) 페이스트로 구현될 수 있다. 노(FURNANCE)(230)는 스크린 프린터(220)에 의해 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 전면 전극기판을 예컨대, 450℃ 이상, 550℃ 이하의 온도 분위기로 소성한다.
스크린 프린터(220)는 노(FURNANCE)(230)에서 소성된 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 부분 이외의 부분에 나노입자 산화물을 나노프린팅한다. 나노입자 산화물은 예컨대 20nm 크기를 갖으며, 점도조절이 가능한 TiO2 입자와 분산제를 포함하여 구현될 수 있다. 노(FURNANCE)(230)는 나노입자 산화물이 나노프린팅된 전면 전극기판을 예컨대 450℃ 이상, 550℃ 이하의 온도 분위기로 소성한다.
스크린 프린터(220)는 노(FURNANCE)(230)에서 소성된 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)에 보호물질을 나노프린팅한다. 보호물질은 예컨대, 에폭시 페이스트로 구현될 수 있다. 노(FURNANCE)(230)는 보호물질이 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)에 나노프린팅된 전면 전극기판을 예컨대 450℃ 이상, 550℃ 이하의 온도 분위기로 소성한다. 일반적으로 전해액은 금속과 잘 반응하기 때문에, 금속으로 이루어진 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 전해액과 접촉하지 못하도록 전면 전극기판에 보호층을 형성한다.
광 감응 염료 도포장치(240)는 보호층이 형성된 전면 전극기판을 광 감응 염료가 저장된 염료저장배스에 디핑하여 광 감응 염료를 도포한다. 광 감응 염료 도포장치(240)는 제1 염료저장배스에서 일정한 온도로 히팅된 광 감응 염료를 공급받아 저장하는 제2 염료저장배스에 전면 전극기판을 담그고, 제2 염료저장배스에 장착된 순환펌프와 회전부를 이용하여 전면 전극기판에 골고루 광 감응 염료를 도포한다. 염료는 태양전지 혹은 광전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등을 사용할 수 있다(식중 L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트를 나타낸다). 광 감응 염료 도포장치(240)의 자세한 구성은 도 3을 참조하여 후술하기로 한다. 세척장치(250)는 광 감응 염료 도포장치(240)에 의해 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판에 묻은 염료찌거기를 세척한다.
후면 전극기판 제조장치(260)는 레이저를 이용하여 후면 전극기판에 전해액 주입홀을 형성한다. 여기서, 후면 전극기판 제조장치(260)의 자세한 구성은 도 4와 도 5a 및 도 5b를 참조하여 후술하기로 한다. 스크린 프린터(220)는 전해액 주입홀이 형성된 후면 전극기판에 촉매 페이스트를 나노프린팅한다. 촉매 페이스트는 전해액의 산화환원을 촉진하는 것으로, 백금, 금, 카본, 루비튬 중 적어도 어느 하나로 구현될 수 있다. 노(FURNANCE)(230)는 촉매 페이스트가 나노프린팅된 후면 전극기판을 예컨대 350℃ 이상, 450℃ 이하의 온도 분위기로 소성한다.
전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치(270)는 후면 전극기판의 촉매층과 전면 전극기판의 보호층에 UV경화수지층 또는 열가소성 수지층을 형성하고, 후면 전극기판의 촉매층에 형성된 UV경화수지층 또는 열가소성 수지층이 전면 전극기판의 보호층에 형성된 UV경화수지층 또는 열가소성 수지층과 서로 맞닿도록 한 후 자외선 또는 열과 압력을 가하여 부착한다. 여기서, 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치(270)의 자세한 구성은 도 6, 도 7 및 도 8을 참조하여 후술하기로 한다.
전해액 주입장치(280)는 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치(270)에 의해 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판에 형성된 전해질 주입홀을 통해 전해액을 주입하여 전면 전극기판과 후면 전극기판 사이에 충진한다. 전해액 주입홀 실링장치(290)는 전면 전극기판과 후면 전극기판 사이에 전해액이 충진되면 후면 전극기판에 형성된 전해질 주입홀을 실링한다. 여기서, 전해액 주입홀 실링장치(290)의 자세한 구성은 도 10 및 도 11을 참조하여 후술하기로 한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조시스템은 도 2b에 도시한 바와 같이, 전면 전극기판 제조장치(210)와, 스크린 프린터(220)와, 노(FURNANCE)(230)와, 광 감응 염료 도포장치(240)와, 세척장치(250)와, 후면 전극기판 제조장치(260)와, 전해액 주입장치(300)와, 전해액 주입홀 실링장치(290)를 포함한다.
전해액 주입장치(300)는 전면 전극기판에 미리 설정된 양, 예컨대 5㎖의 전해액을 분무형태로 뿌리거나 액체방울형태로 떨어드린 후, 전면 전극기판 위에 후면 전극기판을 올려놓고 접합하고, 전면 전극기판이 접합된 후면 전극기판의 전해질 주입홀에 진공밸브를 연결하여 전면 전극기판과 후면 전극기판 사이에 전해액이 골고루 분산되도록 한다. 여기서, 전해액 주입장치(300)의 자세한 구성은 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.
본 발명에 따른 광 감응 염료 도포장치(240)는 도 3에 도시한 바와 같이, 크게 광 감응 염료를 저장 및 공급하는 염료공급부(241)와, 염료공급부(241)와 연결되며 광 감응 염료를 외부로 배출하는 배출관(2421)에 형성되는 배출펌프(242)와, 배출펌프(242)의 동작에 따라 배출관(2421)을 통해 유입되는 광 감응 염료를 저장하고 전면 전극기판에 광 감응 염료를 도포하는 염료도포부(243)와, 염료도포부(243)에 저장된 광 감응 염료를 상하로 순환시키는 순환관(2441)에 형성되는 순환펌프(244)와, 조작부(245)와, 표시부(246)와, 컨트롤러(247)를 포함한다.
염료공급부(241)는 일례로, 광 감응 염료를 저장하는 제1 염료저장배스(2411)와, 제1 염료저장배스(2411)에 저장되는 광 감응 염료를 가열하는 제1 히팅부(2412)와, 제1 염료저장배스(2411)에 저장되는 광 감응 염료의 가열온도를 측정하는 제1 온도센서(2413)를 포함하여 구현될 수 있다. 제1 염료저장배스(2411)는 예컨대, 200 리터(L)의 광 감응 염료를 저장할 수 있는 크기로 구현될 수 있다. 제1 히팅부(2412)는 제1 염료저장배스(2411) 내부에 형성될 수 있으며, 소비전력 3㎾짜리 전열기 7개로 구현될 수 있다. 제1 온도센서(2413)는 복수개로 구현될 수 있으며, 복수개의 제1 온도센서(2413)는 제1 염료저장배스(2411)의 여러 부분에 설치될 수 있다.
염료공급부(241)는 다른 예로, 제1 염료저장배스(2411)에 저장된 광 감응 염료의 탁도를 측정하는 제1 탁도계(2414)를 더 포함하여 구현될 수 있다. 이 같은 실시예에 따르면, 컨트롤러(247)는 제1 탁도계(2414)로부터 측정된 데이터를 입력받아 표시부(246)에 광 감응 염료의 농도를 표시하도록 구현될 수 있다.
염료공급부(241)는 제1 염료저장배스(2411)와 제1 밸브(2415b)가 형성된 제1 공급관(2415a)을 통해 연결되며, 제1 밸브(2415b)가 개방됨에 따라 제1 공급관(2415a)을 통해 공급되는 희석용액을 저장하는 희석용액 저장배스(2415)와, 제1 염료저장배스(2411)와 제2 밸브(2416b)가 형성된 제2 공급관(2416a)을 통해 연결되며, 제2 밸브(2416b)가 개방됨에 따라 제2 공급관(2416a)을 통해 공급되는 염료원액을 저장하는 염료원액 저장배스(2416)를 더 포함하여 구현될 수 있다.
배출펌프(242)는 컨트롤러(247)로부터 입력되는 제어신호에 따라 동작한다. 배출펌프(242)에는 일례로 압력계가 설치된 것을 사용할 수 있다. 또는 배출관(2421)에 압력계가 설치된 것을 사용할 수 있다. 압력계에서 측정된 데이터는 컨트롤러(247)로 입력되어, 표시부(246)에 표시될 수 있다.
염료도포부(243)는 일례로, 배출펌프(242)의 동작에 따라 배출관(2421)을 통해 유입되는 광 감응 염료를 저장하는 제2 염료저장배스(2431)와, 태양전지용 전면 전극기판이 탑재되는 기판탑재부(2432)와, 제2 염료저장배스(2431)에 저장되는 광 감응 염료를 가열하는 제2 히팅부(2433)와, 제2 염료저장배스(2431)에 저장되는 광 감응 염료의 가열온도를 측정하는 제2 온도센서(2434)를 포함하여 구현될 수 있다.
제2 염료저장배스(2431)는 예컨대, 80 리터(L)의 광 감응 염료를 저장할 수 있는 크기로 구현될 수 있다. 기판탑재부(2432)는 복수개의 태양전지용 전면 전극기판이 탑재될 수 있도록 구현될 수 있다. 도 3 에 도시하지 않았지만, 기판탑재부(2432)를 상하로 이동시키는 이동장치에 의해, 기판탑재부(2432)는 제2 염료저장배스(2431) 내로 이동될 수 있다.
제2 히팅부(2433)는 제2 염료저장배스(2431) 내부에 형성될 수 있으며, 소비전력 1.5㎾짜리 전열기 3개로 구현될 수 있다. 제2 온도센서(2434)는 복수개로 구현될 수 있으며, 복수개의 제2 온도센서(2434)는 제2 염료저장배스(2431) 여러 부분에 설치될 수 있다.
염료도포부(243)는 다른 예로, 제2 염료저장배스(2431) 내의 광 감응 염료의 수위를 측정하는 수위감지센서(2435)를 더 포함하여 구현될 수 있다. 이 같은 실시예에 따르면, 컨트롤러(247)는 수위감지센서(2435)로부터 데이터를 입력받아 제2 염료저장배스(2431) 내의 광 감응 염료의 수위를 표시부(246)에 표시하고, 배출펌프(242)의 동작을 제어한다.
염료도포부(243)는 또다른 예로, 제2 염료저장배스(2431)에 저장된 광 감응 염료의 탁도를 측정하는 제2 탁도계(2436)를 더 포함하여 구현될 수 있다. 이 같은 실시예에 따르면, 컨트롤러(247)는 제2 탁도계(2436)로부터 측정된 데이터를 입력받아 표시부(246)에 광 감응 염료의 농도를 표시하도록 구현될 수 있다.
염료도포부(243)는 또다른 예로, 컨트롤러(247)로부터의 회전 제어 신호에 따라 제2 염료저장배스(2431)를 회전하는 회전부(2437)를 더 포함하여 구현될 수 있다. 회전부(2437)는 구동 모터의 회전동력을 동력전달용 벨트 및 풀리등을 개재하여 회전축으로 전달하여 제2 염료저장배스(2431)를 회전시키는 구조와, BLDC모터(Brushless DC Motor)의 속도제어에 의해 제2 염료저장배스(2431)를 회전시키는 구조로 구현될 수 있다. 회전부(237)는 염료도포 시간을 단축시켜 작업효율을 높이는 역할을 한다.
순환펌프(244)는 제2 염료저장배스(2431) 내의 온도편차를 줄이기 위한 것으로, 제2 염료저장배스(2431)에 저장되는 광 감응 염료를 상하로 순환시키는 순환관(2441)에 형성된다. 순환펌프(244)는 컨트롤러(247)로부터 입력되는 제어신호에 따라 동작한다. 순환펌프(244)에는 일례로 압력계가 설치된 것을 사용할 수 있다. 또는 순환관(2441)에 압력계가 설치된 것을 사용할 수 있다. 압력계에서 측정된 데이터는 컨트롤러(247)로 입력되어, 표시부(246)에 표시될 수 있다.
조작부(245)는 사용자 조작명령을 입력받는다. 조작부(245)는 딥 스위치로 구현되거나, 조이스틱 또는 키패드로 구현될 수 있다. 표시부(246)는 엘이디(LED) 또는 액정표시장치로 구현될 수 있다. 컨트롤러(247)는 조작부(245)로부터 입력되는 조작명령에 따라 전체 구성의 동작을 제어한다.
컨트롤러(247)는 일례로, 조작부(245)로부터 동작 개시 명령이 입력되면 내부에 저장된 염료도포 프로그램에 따라 제1 히팅부(2412)와 제2 히팅부(2433)와 배출펌프(242)와 회전부(2437)와 순환펌프(244)의 동작을 제어한다.
컨트롤러(247)는 다른 예로, 제1 온도센서(2413)와 제2 온도센서(2434)로부터 입력되는 온도 데이터를 표시부(246)에 표시할 수 있다. 또한, 컨트롤러(247)는 수위감지센서(2435)로부터 데이터를 입력받아 제2 염료저장배스(2431) 내의 광 감응 염료의 수위를 표시부(246)에 표시할 수 있다. 또한, 컨트롤러(247)는 제1 탁도계(2414)와 제2 탁도계(2436)로부터 측정한 데이터를 입력받아 표시부(246)에 광 감응 염료의 농도를 표시할 수 있다. 또한, 컨트롤러(247)는 제2 염료저장배스(2431) 내부의 기판탑재부(2432)에 탑재된 태양전지용 전면 전극기판에 광 감응 염료가 도포되는 시간을 카운팅하여 표시부(246)에 표시할 수 있다.
광 감응 염료 도포장치(240)는 제2 염료저장배스(2431)에서 배출되는 광 감응 염료가 제1 염료저장배스(2411)로 유입되도록 제1 염료저장배스(2411)와 제2 염료저장배스(2431) 사이에 형성되는 연결관(2481)을 더 포함하여 구현될 수 있다. 광 감응 염료에 사용되는 루테늄은 고가의 금속이다. 이에 광 감응 염료 도포장치(240)는 제2 염료저장배스(2431) 회전시 광 감응 염료가 외부로 유출되어 낭비되는 것을 최소화하기 위해 연결관(2481)이 형성될 수 있다.
도 4 는 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 후면 전극기판 제조장치(260)의 구성 블록도이고, 도 5a, 도 5b 는 도 4에 따른 태양전지용 후면 전극기판 제조장치에서 후면 전극기판에 전해액 주입홀을 형성하기 위해 레이저의 초점거리를 조절하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
후면 전극기판 제조장치(260)는 도 4에 도시한 바와 같이, 후면 전극기판(50)을 이동시키는 기판이동부(261)와, 기판이동부(261)에 의해 이동된 후면 전극기판(50)에 레이저 빔을 조사하여 전해액이 주입되는 홀을 형성하는 주입홀 형성부(262)와, 조작부(264)로부터 입력되는 조작명령에 따라 기판이동부(261)와 주입홀 형성부(262)의 동작을 제어하는 컨트롤러(265)를 포함한다.
기판이동부(261)는 후면 전극기판(50)이 탑재되는 기판탑재부(2611)와, 기판탑재부(2611)를 상하로 이동시키는 승강부(2612)와, 승강부(2612)에 의해 이동된 기판탑재부(2611)에 탑재된 후면 전극기판(50)을 컨트롤러(265)로부터 입력되는 위치 제어신호에 따라 주입홀 형성부(262)의 작업 테이블(2621)에 장착하는 기판 장착부(2613)를 포함한다.
기판탑재부(2611)는 일례로, 복수개의 후면 전극기판(50)을 탑재할 수 있는 카세트 타입으로 형성될 수 있다. 작업자는 예를 들어, 카세트 타입의 기판탑재부(2611)에 복수개의 후면 전극기판(50)을 장착할 수 있다. 승강부(2612)와 기판 장착부(2613)는 컨트롤러(265)의 제어에 따라 동작한다. 특히, 기판 장착부(2613)는 컨트롤러(265)의 제어에 따라 기판탑재부(2611)에서 후면 전극기판(50)을 꺼내어 작업 테이블(2621)에 위치시킨다.
주입홀 형성부(262)는 기판이동부(261)에 의해 이동된 후면 전극기판(50)이 고정되는 작업 테이블(2621)과, 작업 테이블(2621)에 고정된 후면 전극기판(50)의 입사면에 레이저 빔을 조사하는 레이저부(2622)와, 작업 테이블(2621)을 컨트롤러(265)로부터 입력되는 구동 제어신호에 따라 움직이는 테이블 구동부(2623)를 포함한다.
레이저부(2622)는 레이저 헤드(Head)와 상기 레이저 헤드(Head)와 컨트롤러(265) 간의 통신 연결을 위한 커넥터를 포함한다. 레이저 헤드(Head)는 레이저 발진기와 레이저 발진기에서 출력되는 레이저 빔을 후면 전극기판(50)으로 유도하는 복수의 광학계를 포함하여 구현된다.
레이저부(2622)는 파장이 532nm이고, 펄스 폭이 5ns 이상 10ns 이하인 초단 펄스(short pulse) 레이저 빔을 출력하는 일명 녹색 레이저(GREEN LASER)를 사용하는 것이 바람직하다. 녹색 레이저(GREEN LASER)는 유리 흡수율이 낮아 미세 홀 가공이 가능하다.
조작부(264)는 사용자 조작명령을 입력받는다. 조작부(264)는 딥 스위치로 구현되거나, 조이스틱 또는 키패드로 구현될 수 있다. 컨트롤러(265)는 조작부(264)로부터 입력되는 조작명령에 따라 기판이동부(261)와 주입홀 형성부(262)의 동작을 제어한다.
컨트롤러(265)는 도 5a, 도 5b에 도시한 바와 같이, 먼저 (A)와 같이 레이저 빔(2622a)을 조사하는 레이저의 촛점(2622b)이 베이스기판(51)에 형성된 투명 전도성막(53)에 맞춰지도록 레이저부(2622)를 제어한다. 이후, (B)→(C)→(D)와 같이 미리 설정된 시각마다 레이저부(2622)의 촛점(2622b)이 베이스기판(51)의 입사면(51a)에 단계적으로 가까워지도록 레이저부(2622)를 제어하여 최종적으로 (E)와 같이 전해액 주입홀(51b)을 형성한다.
도 6 은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 제1실시예에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치의 구성 블록도이다.
제1실시예에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치(270)는 도 6에 도시한 바와 같이, 전면 전극기판(10)을 기판 이송부(2717)에 올려놓는 제1 로봇암(2713)과, 후면 전극기판(50)을 기판 이송부(2717)에 올려놓는 제2 로봇암(2716)과, 제3 로봇암(2718)과, 발열 카세트(272)와, 구동부(273)와, 기판 부착부(274)와, 사용자 조작명령을 입력받는 조작부(275)와 컨트롤러(276)를 포함하여 구현될 수 있다.
제1 로봇암(2713)은 전면 전극기판(10)에 형성된 열가소성 수지층(15)이 위를 향하도록 전면 전극기판(10)을 기판 이송부(2717)에 올려놓는다. 제2 로봇암(2716)은 후면 전극기판(50)에 형성된 열가소성 수지층(도 7의 참조부호 542)이 기판 이송부(2717) 위에 놓인 전면 전극기판(10)의 열가소성 수지층(도 7의 참조부호 15)과 서로 맞닿도록 후면 전극기판(50)을 올려놓는다. 제1 로봇암(2713)과 제2 로봇암(2716)은 각각 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)을 진공으로 흡착하여 작업하는 로봇암, 또는 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)의 측면을 그립으로 잡아서 작업하는 로봇암으로 구현될 수 있다.
기판 이송부(2717)는 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)의 한 쌍으로 이루어진 기판을 이송한다. 기판 이송부(2717)는 일례로 컨베이어와, 컨베이어를 구동하는 구동롤러와 구동롤러를 구동시키는 모터부를 포함하여 구현될 수 있다.
제3 로봇암(2718)은 기판 이송부(2717)에 의해 이송되는 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)의 한 쌍으로 이루어진 기판을 발열 카세트(272)의 발열판(2721 내지 2723)에 탑재한다.
발열 카세트(272)는 발열판(2721 내지 2723)이 높이방향으로 복수개 형성된다. 구동부(273)는 발열 카세트(272)를 상하로 움직이도록 구동한다. 일례로, 구동부(273)는 일례로, 유압 실린더로 구현될 수 있다. 구동부(273)는 복수개의 발열판(2721 내지 2723)에 순차적으로 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)의 한 쌍으로 이루어진 기판이 탑재되도록 구동한다.
기판 부착부(274)는 발열 카세트(272)의 복수개의 발열판(2721 내지 2723)에 전원을 공급하면서 외압을 가하여 복수개의 발열판(2721 내지 2723)에 탑재된 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50) 한 쌍으로 이루어진 기판을 부착한다. 발열 카세트(272)는 기판 부착부(274)에서 복수개의 발열판(2721 내지 2723)에 가해지는 힘에 의해 복수개의 발열판(2721 내지 2723)이 상하로 이동되도록 구현된다.
조작부(275)는 사용자 조작명령을 입력받는다. 일례로, 조작부(275)는 딥 스위치로 구현되거나, 조이스틱 또는 키패드로 구현될 수 있다. 컨트롤러(276)는 조작부(250)로부터 입력되는 조작명령에 따라 제1, 제2, 제3 로봇암(2713, 2716, 2718)과 기판 이송부(2717)와 구동부(273)와 기판 부착부(274)의 동작을 제어한다.
전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치(270)는, 복수개의 전면 전극기판(10)이 탑재되는 제1 기판 카세트(2711)와, 제1 기판 카세트(2711)를 컨트롤러(275)로부터 입력되는 상승 또는 하강 제어신호에 따라 상하로 이동시키는 제1 승강부(2712)와, 복수개의 후면 전극기판(50)이 탑재되는 제2 기판 카세트(2714)와, 제2 기판 카세트(2714)를 컨트롤러(275)로부터 입력되는 상승 또는 하강 제어신호에 따라 상하로 이동시키는 제2 승강부(2715)를 더 포함하여 구현될 수 있다.
도 6에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치(270)가 컨트롤러(260)의 제어에 따라 동작하는 제1 로봇암(213)과 제2 로봇암(216)과 제3 로봇암(218)을 이용하여 태양전지용 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)을 부착하는 과정을 도 7 을 참조하여 설명하기로 한다.
전면 전극기판(10)은 표면에 투명 전도성막이 형성된 베이스기판(11)과, 전도층(13)과, 전도층(13) 위에 형성되는 열가소성 수지층(15)을 포함한다. 열가소성 수지층(15)은 일례로 에폭시 수지로 구현될 수 있다. 후면 전극기판(50)은, 표면에 투명 전도성막이 형성된 베이스기판(51)과 촉매층(541)과, 촉매층(541) 위에 형성되는 열가소성 수지층(542)을 포함한다. 촉매층(541)은 일례로, 백금(Pt) 페이스트를 이용한 나노프린팅 방식으로 형성될 수 있다.
제1 로봇암(2713)은, 제1 기판 카세트(2711)로부터 전면 전극기판(10)을 꺼내어 전면 전극기판(10)에 형성된 전도층의 최외각층인 열가소성 수지층(15)이 위를 향하도록 기판 이송부(2717)에 올려놓는다. 제2 로봇암(2716)은, 제2 기판 카세트(2714)로부터 후면 전극기판(50)을 꺼내어 후면 전극기판(50)에 형성된 전도층의 최외각층인 열가소성 수지층(542)이 기판 이송부(220) 위에 놓인 전면 전극기판(10)의 열가소성 수지층(15)과 서로 맞닿도록 기판 이송부(2717)에 올려놓는다. 기판 이송부(2717)는 올려진 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)의 한 쌍으로 이루어진 기판을 이송한다. 제3 로봇암(2718)은 기판 이송부(2717)에 의해 이송되는 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)의 한 쌍으로 이루어진 기판을 발열 카세트(272)의 발열판(2721 내지 2723)에 탑재한다. 이때 구동부(230)는 복수개의 발열판(2721 내지 2723)에 순차적으로 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)의 한 쌍으로 이루어진 기판이 탑재되도록 발열 카세트(272)를 구동한다.
기판 부착부(274)는 발열 카세트(272)의 복수개의 발열판(2721 내지 2723)에 전원을 공급하면서 외압을 가하여 복수개의 발열판(2721 내지 2723)에 탑재된 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50) 한 쌍으로 이루어진 기판을 부착한다.
도 8 은 본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 제2실시예에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치의 구성 블록도이다. 제2실시예에 따른 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치(270)는 기판 부착부(277)와, 냉각부(278)를 포함하여 구현될 수 있다. 여기서, 도 7과 동일한 구성은 동일한 도면번호를 사용한다.
본 실시예에서, 전면 전극기판(10)은 표면에 투명 전도성막이 형성된 베이스기판과, 전도층과, 전도층 위에 형성되는 UV경화수지층을 포함한다. 후면 전극기판(50)은, 표면에 투명 전도성막이 형성된 베이스기판과 촉매층과 촉매층 위에 형성되는 UV경화수지층을 포함한다.
기판 부착부(277)는 기판 이송부(2717)에 의해 이송되는 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)의 한 쌍으로 이루어진 기판에 자외선을 조사하여 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)의 한 쌍으로 이루어진 기판을 부착한다.
기판 부착부(277)는 복수개의 자외선 램프(2771)와 자외선 램프(2771)가 장착되는 램프 장착부(2772)를 포함하는 자외선 조사부와, 자외선 조사부의 램프 장착부(2772)를 상하로 움직이도록 구동하는 구동부(2773)를 포함하여 구현될 수 있다. 구동부(2773)는 일례로, 유압 실린더로 구현될 수 있다.
냉각부(278)는 기판 부착부(277)를 통과한 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)의 한 쌍으로 이루어진 기판을 냉각시킨다. 일례로, 냉각부(278)는 공기 또는 물을 이용한 냉매 방식으로 구현될 수 있다.
본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 전해액 주입장치(300)는 도 9에 도시한 바와 같이, 크게 전해액 토출부(310)와, 접합부(320)와, 가압부(330)와, 공기 배출부(340)와, 제어부(350)와, 조작부(360)를 포함한다.
전해액 토출부(310)는 작업 테이블(311)에 고정된 염료 감응형 태양전지의 전면 전극기판(10)에 전해액(72)을 토출한다. 일 실시예에 있어서, 전해액 토출부(310)는 제어부(350)로부터 토출제어신호를 입력받아 염료 감응형 태양전지의 전극기판(10)에 미리 설정된 양, 예컨대 5㎖의 전해액을 분무형태로 뿌리거나 액체방울형태로 떨어드리도록 구현될 수 있다.
일례로, 전해액 토출부(310)는 전해액을 저장하는 전해액 저장탱크와, 전해액 저장탱크와 연결되는 연결관을 개폐하는 전해액 밸브와, 전해액 저장탱크와 연결되는 연결관으로부터 유입되는 전해액을 토출하는 노즐로 구현될 수 있다. 전해액 토출부(310)에서 토출되는 전해액(72)은 염료 감응형 태양전지의 전면 전극기판(10) 위에 형성된 스페이서(71) 사이사이에 놓인다.
여기서, 스페이서(71)는 전도체 역할을 담당하는 은(Ag) 페이스트와 은(Ag) 페이스트 위에 형성되는 보호층으로 이루어진다. 일반적으로 전해액(72)은 금속과 잘 반응하기 때문에, 은(Ag) 페이스트 위에 형성된 보호층은 전해액(72)과 은(Ag) 페이스트가 접촉하지 못하도록 하기 위해 사용된다.
접합부(320)는 전해액 토출부(310)로부터 토출된 전해액(72)이 묻은 염료 감응형 태양전지의 전면 전극기판(10) 위에 후면 전극기판(50)을 올려놓고 접합한다. 접합부(320)는 염료 감응형 태양전지의 전면 전극기판(10) 위에 후면 전극기판(50)을 올려놓는 장착부와, 염료 감응형 태양전지의 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50) 사이에 실링재를 도포하는 실링재 도포장치와, 도포된 실링재에 레이저를 조사하여 레이저 조사부를 포함하여 구현될 수 있다. 실링재는 에폭시 수지, UV 경화 에폭시, 레이저 경화 에폭시, 글래스 프릿트(Glass Prit) 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
가압부(330)는 접합부(320)에 의해 접합되는 염료 감응형 태양전지의 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)을 가압한다. 가압부(330)는 후면 전극기판(50)의 상면을 눌러주어 후면 전극기판(50)이 실링과정에서 떨어지는 것을 방지하고, 보다 효과적으로 접합될 수 있도록 해준다. 일례로, 가압부(330)는 질소, 헬륨 등과 같은 가스를 공급하여 가압하는 장치일 수 있다. 다른 예로, 가압부(330)는 실린더 로드 일단에 장착되는 가압판을 이용하여 가압하는 장치일 수 있다.
공기 배출부(340)는 진공펌프(342)와 연결되는 연결관을 개폐하는 진공밸브(341)를 포함한다. 진공펌프(342)는 로터리펌프(rotary pump)로 구현될 수 있다. 공기 배출부(340)는 제어부(350)에 의해 진공밸브를 개방하여 접합된 염료 감응형 태양전지의 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50) 사이에 전해액이 골고루 충진되도록 한다.
조작부(360)는 사용자 조작명령을 입력받는다. 조작부(360)는 딥 스위치로 구현되거나, 조이스틱 또는 키패드로 구현될 수 있다. 제어부(350)는 조작부(360)로부터 입력되는 조작명령에 따라 전해액 토출부(310)와, 가압부(320)와, 접합부(330)와, 공기 배출부(340)의 동작을 제어한다.
본 발명의 염료 감응형 태양전지 제조시스템에 포함되는 전해액 주입홀 실링장치(290)는 도 10에 도시한 바와 같이, 기판이동부(291)와, 기판이동부(291)에 의해 이동된 염료 감응형 태양전지(80)를 고정하는 작업 테이블(292)과, 작업 테이블(292)에 고정된 염료 감응형 태양전지(80)의 후면 전극기판에 형성된 주입홀에 고체상태의 밀폐부재를 삽입하는 밀폐부재 삽입부(293)와, 밀폐부재 삽입부(293)에 의해 밀폐부재가 삽입된 후면 전극기판의 주입홀에 페이스트 상태의 실런트를 삽입하는 실런트 삽입부(294)와, 조작부(295)와, 컨트롤러(296)를 포함한다.
염료 감응형 태양전지(80)는 도 11에 도시한 바와 같이, 광흡수층(20)이 형성된 태양전지용 전면 전극기판(10)과 후면 전극기판(50)이 부착된 상태에서 후면 전극기판(50)의 주입홀(51b)을 통해 전해액이 주입되어 전해액층(40)이 형성된다.
기판이동부(291)는 염료 감응형 태양전지(80)가 탑재되는 기판탑재부(2911)와, 기판탑재부(2911)를 상하로 이동시키는 승강부(2912)와, 승강부(2912)에 의해 이동된 기판탑재부(2911)에 탑재된 염료 감응형 태양전지(80)를 컨트롤러(296)로부터 입력되는 위치 제어신호에 따라 작업 테이블(292)에 장착하는 기판 장착부(2913)를 포함한다.
기판탑재부(2911)는 일례로, 복수개의 염료 감응형 태양전지(80)를 탑재할 수 있는 카세트 타입으로 형성될 수 있다. 작업자는 예를 들어, 카세트 타입의 기판탑재부(2911)에 복수개의 염료 감응형 태양전지(80)를 장착할 수 있다. 승강부(2912)와 기판 장착부(2913)는 컨트롤러(296)의 제어에 따라 동작한다. 특히, 기판 장착부(2913)는 컨트롤러(296)의 제어에 따라 기판탑재부(2911)에서 염료 감응형 태양전지(80)를 꺼내어 작업 테이블(292)에 위치시킨다.
밀폐부재 삽입부(293)와 실런트 삽입부(294)는 별도로 제작될 수 있고, 일체로 제작될 수 있다. 밀폐부재 삽입부(293)는 컨트롤러(296)로부터 입력되는 제어신호에 따라 도 11에 도시한 바와 같이, 고체상태의 밀폐부재(421)를 후면 전극기판(50)의 주입홀(51b)에 삽입한다. 일례로, 밀폐부재 삽입부(293)에 의해 후면 전극기판(50)의 주입홀(51b)에 삽입되는 고체상태의 밀폐부재(421)는 예컨대 300㎛ 이상, 1000㎛ 이하의 지름을 갖는 세라믹 볼인 것을 특징으로 한다. 세라믹 볼은 요오드계 산화/환원 쌍으로 이루어진 전해액과 접촉하더라도 요오드 반응을 일으키지 않는다. 또한 세라믹 볼은 온도에 안정적이기 때문에 여름철 온도상승으로 인해 염료 감응형 태양전지의 액체 전해액이 부피가 상승하여 주입홀을 통해 외부로 누액되지 않도록 전해액 주입홀을 실링할 수 있다.
실런트 삽입부(294)는 컨트롤러(296)로부터 입력되는 제어신호에 따라 도 11에 도시한 바와 같이, 후면 전극기판(50)의 주입홀(51b)에 페이스트 상태의 실런트(441)를 삽입한다. 일례로, 실런트 삽입부(294)에 의해 후면 전극기판(50)의 주입홀(51b)에 삽입되는 실런트(441)는 에폭시 수지, UV 경화 에폭시, 레이저 경화 에폭시, 글래스 프릿트(Glass Prit) 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
조작부(295)는 사용자 조작명령을 입력받는다. 조작부(295)는 딥 스위치로 구현되거나, 조이스틱 또는 키패드로 구현될 수 있다. 컨트롤러(296)는 조작부(295)로부터 입력되는 조작명령에 따라 기판이동부(291)와 밀폐부재 삽입부(293)와 실런트 삽입부(294)의 동작을 제어한다.
도 12 는 본 발명의 제1실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조장치에서 실행되는 제조방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 제1실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조시스템은 도 2a에 도시한 바와 같이, 전면 전극기판 제조장치(210)와, 스크린 프린터(220)와, 노(FURNANCE)(230)와, 광 감응 염료 도포장치(240)와, 세척장치(250)와, 후면 전극기판 제조장치(260)와, 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치(270)와, 전해액 주입장치(280)와, 전해액 주입홀 실링장치(290)를 포함한다.
단계 S121은 스크린 프린터(220)가 전면 전극기판 제조장치(210)에서 제조된 전면 전극기판의 절연 라인(isolation line)에 금속 페이스트를 나노프린팅하여 버스 바(Bus bar)와 버스 바(Bus bar)와 연결되는 그리드(grid)를 형성하는 단계이다. 여기서, 금속 페이스트는 전기전도도가 우수한 금속을 사용하는 것이 바람직하며, 예컨대 은(Ag) 페이스트로 구현될 수 있다.
단계 S122는 노(FURNANCE)(230)에서 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 전면 전극기판을 노(FURNANCE)에서 예컨대 450℃ 이상, 550℃ 이하의 온도 분위기로 소성하는 단계이다.
단계 S123은 스크린 프린터(220)가 소성된 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 부분 이외의 부분에 나노입자 산화물을 나노프린팅하고, 노(FURNANCE)(230)에서 예컨대 450℃ 이상, 550℃ 이하의 온도 분위기로 소성하여 나노입자 산화물층을 형성하는 단계이다. 나노입자 산화물은 예컨대 20nm 크기를 갖으며, 점도조절이 가능한 TiO2 입자와 분산제를 포함한다.
단계 S124는 스크린 프린터(220)가 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)에 보호물질을 나노프린팅하고, 노(FURNANCE)(230)에서 예컨대 450℃ 이상, 550℃ 이하의 온도 분위기로 소성하여 보호층을 형성하는 단계이다. 보호물질은 예컨대, 에폭시 페이스트로 구현될 수 있다. 일반적으로 전해액은 금속과 잘 반응하기 때문에, 금속으로 이루어진 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 전해액과 접촉하지 못하도록 전면 전극기판에 보호층을 형성한다.
단계 S125는 광 감응 염료 도포장치(240)가 보호층이 형성된 전면 전극기판을 광 감응 염료가 저장된 염료저장배스에 디핑하여 광 감응 염료를 도포하는 단계이다. 광 감응 염료 도포장치(240)는 광 감응 염료가 저장된 제1 염료저장배스를 히팅하고, 제1 염료저장배스로부터 공급되는 광 감응 염료가 저장되는 제2 염료저장배스 내부로 복수개의 전면 전극기판이 탑재된 기판탑재부를 이동시키고, 제1 염료저장배스로부터 제2 염료저장배스로 광 감응 염료를 공급하면서 제2 염료저장배스를 히팅하고, 제2 염료저장배스에 저장된 광 감응 염료를 상하로 순환시키는 단계를 포함한다. 광 감응 염료 도포장치(240)는 제2 염료저장배스에 저장된 광 감응 염료를 상하로 순환시키는 단계에서 제2 염료저장배스를 회전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
단계 S126은 세척장치(250)가 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판에서 염료찌거기를 제거하는 단계이다. 단계 S127은 후면 전극기판 제조장치(260)가 레이저를 이용하여 후면 전극기판에 전해액 주입홀을 형성하는 단계이다. 단계 S128은 스크린 프린터(220)가 전해액 주입홀이 형성된 후면 전극기판에 전해액의 산화환원을 촉진하는 촉매 페이스트를 나노프린팅하고, 노(FURNANCE)(230)에서 예컨대 350℃ 이상, 450℃ 이하의 온도 분위기로 소성하여 촉매층을 형성하는 단계이다.
단계 S129는 전면 전극기판과 후면 전극기판 자동부착장치(270)가 촉매층이 형성된 후면 전극기판과 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판을 부착하는 단계이다. 단계 S129는 일례로, 후면 전극기판의 촉매층과 전면 전극기판의 보호층에 UV경화수지층을 형성하고, 후면 전극기판의 촉매층에 형성된 UV경화수지층이 전면 전극기판의 보호층에 형성된 UV경화수지층과 서로 맞닿도록 한 후 자외선을 가하는 단계로 구현될 수 있다. 다른 예로, 단계 S129는 후면 전극기판의 촉매층과 전면 전극기판의 보호층에 열가소성 수지층을 형성하고, 후면 전극기판의 촉매층에 형성된 열가소성 수지층이 전면 전극기판의 보호층에 형성된 열가소성 수지층과 서로 맞닿도록 한 후 열과 압력을 가하는 단계로 구현될 수 있다.
단계 S130은 전해액 주입장치(280)가 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 통해 전해액을 주입하는 단계이다. 단계 S131은 전해액 주입홀 실링장치(290)가 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 실링하는 단계이다. 단계 S131은 후면 전극기판에 형성된 전해액 주입홀에 고체상태의 밀폐부재를 삽입하고, 밀폐부재가 삽입된 후면 전극기판의 전해액 주입홀에 페이스트 상태의 실런트를 삽입하는 단계로 구현될 수 있다.
도 13 은 본 발명의 제2실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조장치에서 실행되는 제조방법을 도시한 흐름도이고, 도 14 는 도 13에 따른 염료 감응형 태양전지 제조방법에 포함된 전면 전극기판과 후면 전극기판을 접합하는 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명의 제2실시예에 따른 염료 감응형 태양전지 제조시스템은 도 2b에 도시한 바와 같이, 전면 전극기판 제조장치(210)와, 스크린 프린터(220)와, 노(FURNANCE)(230)와, 광 감응 염료 도포장치(240)와, 세척장치(250)와, 후면 전극기판 제조장치(260)와, 전해액 주입장치(300)와, 전해액 주입홀 실링장치(290)를 포함한다. 도 13에서, 단계 S221 내지 S228은, 도 12에 도시한 단계 S121 내지 S128과 동일하다.
단계 S229는 전해액 주입장치(300)가 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판의 나노입자 산화물층에 전해액을 토출하는 단계이다. 전해액 주입장치(300)는 전면 전극기판에 미리 설정된 양, 예컨대 5㎖의 전해액을 분무형태로 뿌리거나 액체방울형태로 떨어드리도록 구현된다.
단계 S230은 전해액이 묻은 전면 전극기판에 촉매층이 형성된 후면 전극기판을 올려놓고 접합하는 단계이다. 단계 S230은 도 14에 도시한 바와 같이, 전해액 주입장치(300)가 전면 전극기판과 후면 전극기판 사이에 실링재를 도포하는 단계(S331)와, 도포된 실링재에 레이저를 조사하는 단계(S332)와, 전면 전극기판과 후면 전극기판을 가압하는 단계(S333)로 구현될 수 있다. 실링재는 에폭시 수지, UV 경화 에폭시, 레이저 경화 에폭시, 글래스 프릿트(Glass Prit) 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
단계 S231은 전해액 주입장치(300)가 전면 전극기판과 접합된 후면 전극기판에 형성된 전해액 주입홀에 진공밸브가 형성된 공기 배출부를 연결하고, 진공밸브를 개방하여 접합된 전면 전극기판과 후면 전극기판 사이에 전해액을 충진하는 단계이다. 단계 S232는 전해액 주입홀 실링장치(290) 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 실링하는 단계이다.
지금까지, 본 명세서에는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자가 본 발명을 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 도면에 도시한 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
Claims (12)
- 전면 전극기판에 금속 페이스트를 나노프린팅하여 버스 바(Bus bar)와 상기 버스 바(Bus bar)와 연결되는 그리드(grid)를 형성하는 단계;
상기 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 전면 전극기판을 노(FURNANCE)에서 소성하는 단계;
상기 소성된 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 부분 이외의 부분에 나노입자 산화물을 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 나노입자 산화물층을 형성하는 단계;
상기 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)에 보호물질을 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 보호층을 형성하는 단계;
상기 보호층이 형성된 전면 전극기판을 광 감응 염료가 저장된 염료저장배스에 디핑하여 광 감응 염료를 도포하는 단계;
상기 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판에서 염료찌거기를 제거하는 단계;
후면 전극기판에 전해액 주입홀을 형성하는 단계;
상기 전해액 주입홀이 형성된 후면 전극기판에 전해액의 산화환원을 촉진하는 촉매 페이스트를 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 촉매층을 형성하는 단계;
상기 촉매층이 형성된 후면 전극기판과 상기 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판을 부착하는 단계;
상기 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 통해 전해액을 주입하는 단계; 및
상기 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 실링하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 보호층이 형성된 전면 전극기판을 광 감응 염료가 저장된 염료저장배스에 디핑하여 광 감응 염료를 도포하는 단계가:
광 감응 염료가 저장된 제1 염료저장배스를 히팅하는 단계;
상기 제1 염료저장배스로부터 공급되는 광 감응 염료가 저장되는 제2 염료저장배스 내부로 복수개의 전면 전극기판이 탑재된 기판탑재부를 이동시키는 단계;
상기 제1 염료저장배스로부터 제2 염료저장배스로 광 감응 염료를 공급하면서 상기 제2 염료저장배스를 히팅하는 단계; 및
상기 제2 염료저장배스에 저장된 광 감응 염료를 상하로 순환시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 제 2 항에 있어서, 상기 제2 염료저장배스에 저장된 광 감응 염료를 상하로 순환시키는 단계가:
상기 제2 염료저장배스를 회전시키는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 후면 전극기판에 전해액 주입홀을 형성하는 단계가:
상기 후면 전극기판에 레이저 빔을 조사하여 전해액 주입홀을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 촉매층이 형성된 후면 전극기판과 상기 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판을 부착하는 단계가:
상기 후면 전극기판의 촉매층과 전면 전극기판의 보호층에 UV경화수지층 또는 열가소성 수지층을 형성하는 단계; 및
상기 후면 전극기판의 촉매층에 형성된 UV경화수지층 또는 열가소성 수지층이 상기 전면 전극기판의 보호층에 형성된 UV경화수지층 또는 열가소성 수지층과 서로 맞닿도록 한 후 자외선 또는 열과 압력을 가하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 실링하는 단계가:
상기 후면 전극기판에 형성된 전해액 주입홀에 고체상태의 밀폐부재를 삽입하는 단계; 및
상기 밀폐부재가 삽입된 후면 전극기판의 전해액 주입홀에 페이스트 상태의 실런트를 삽입하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 전면 전극기판에 금속 페이스트를 나노프린팅하여 버스 바(Bus bar)와 상기 버스 바(Bus bar)와 연결되는 그리드(grid)를 형성하는 단계;
상기 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 전면 전극기판을 노(FURNANCE)에서 소성하는 단계;
상기 소성된 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)가 형성된 부분 이외의 부분에 나노입자 산화물을 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 나노입자 산화물층을 형성하는 단계;
상기 전면 전극기판의 버스 바(Bus bar)와 그리드(grid)에 보호물질을 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 보호층을 형성하는 단계;
상기 보호층이 형성된 태양전지용 전면 전극기판을 광 감응 염료가 저장된 염료저장배스에 디핑하여 광 감응 염료를 도포하는 단계;
상기 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판에서 염료찌거기를 제거하는 단계;
후면 전극기판에 전해액 주입홀을 형성하는 단계;
상기 전해액 주입홀이 형성된 후면 전극기판에 전해액의 산화환원을 촉진하는 촉매 페이스트를 나노프린팅하고 노(FURNANCE)에서 소성하여 촉매층을 형성하는 단계;
상기 광 감응 염료가 도포된 전면 전극기판의 나노입자 산화물층에 전해액을 토출하는 단계;
상기 전해액이 묻은 전면 전극기판에 상기 촉매층이 형성된 후면 전극기판을 올려놓고 접합하는 단계;
상기 전면 전극기판과 접합된 후면 전극기판에 형성된 전해액 주입홀에 진공밸브가 형성된 공기 배출부를 연결하는 단계;
상기 진공밸브를 개방하여 상기 접합된 전면 전극기판과 후면 전극기판 사이에 전해액을 충진하는 단계; 및
상기 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 실링하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 제 7 항에 있어서, 상기 전면 전극기판과 후면 전극기판을 접합하는 단계가:
상기 전면 전극기판과 후면 전극기판 사이에 실링재를 도포하는 단계;
상기 도포된 실링재에 레이저를 조사하는 단계; 및
상기 전면 전극기판과 후면 전극기판을 가압하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 제 7 항에 있어서, 상기 보호층이 형성된 전면 전극기판을 광 감응 염료가 저장된 염료저장배스에 디핑하여 광 감응 염료를 도포하는 단계가:
광 감응 염료가 저장된 제1 염료저장배스를 히팅하는 단계;
상기 제1 염료저장배스로부터 공급되는 광 감응 염료가 저장되는 제2 염료저장배스 내부로 복수개의 전면 전극기판이 탑재된 기판탑재부를 이동시키는 단계;
상기 제1 염료저장배스로부터 제2 염료저장배스로 광 감응 염료를 공급하면서 상기 제2 염료저장배스를 히팅하는 단계; 및
상기 제2 염료저장배스에 저장된 광 감응 염료를 상하로 순환시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 제 9 항에 있어서, 상기 제2 염료저장배스에 저장된 광 감응 염료를 상하로 순환시키는 단계가:
상기 제2 염료저장배스를 회전시키는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 제 7 항에 있어서, 상기 후면 전극기판에 전해액 주입홀을 형성하는 단계가:
상기 후면 전극기판에 레이저 빔을 조사하여 전해액 주입홀을 형성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법. - 제 7 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 전면 전극기판과 부착된 후면 전극기판의 전해액 주입홀을 실링하는 단계가:
상기 후면 전극기판에 형성된 전해액 주입홀에 고체상태의 밀폐부재를 삽입하는 단계; 및
상기 밀폐부재가 삽입된 후면 전극기판의 전해액 주입홀에 페이스트 상태의 실런트를 삽입하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료 감응형 태양전지 제조방법.
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