KR101237311B1 - 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법 - Google Patents
투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지(DSSC : dye-sensitized solar cell) 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염료감응형 태양전지를 구성함에 있어서, 광전극 및 상대전극을 메쉬(mesh) 구조로 형성하고, 이들 전극 사이에 유기염료가 흡착된 다공성의 반도체 산화물을 형성하여, 투명의 고분자 밀봉재로 밀봉하고, 상기 밀봉재 내부에 전해질이 충진되도록 하는 구성을 통해, 종래의 염료감응형 태양전지에서 전극을 지지하고 전해질을 수용하기 위해 구비되던 유리기판을 생략한 형태로 솔라셀(solar cell)을 구성하여, 가요성을 구비하는 동시에 경량화된 태양전지를 제공함으로써, 제작, 취급 및 설치가 용이하고, 제작 비용을 절감할 수 있는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 메쉬(mesh) 구조로 형성되는 광전극; 메쉬(mesh) 구조로 형성되며, 상기 광전극과 소정 거리 이격되어 배치되는 상대전극; 상기 광전극에 증착되어 다공성의 입자층을 형성하는 반도체 산화물; 상기 반도체 산화물의 입자 표면에 흡착되는 염료; 상기 상대전극에 코팅되는 촉매 매질; 투명한 고분자 재질로 이루어져, 상기 반도체 산화물이 증착된 광전극 및 촉매매질이 코팅된 상대전극의 외부를 감싸는 밀봉재; 및 상기 밀봉재 내부에 주입되어, 상기 광전극 및 상대전극 사이에 충진되는 전해질;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이를 위하여 본 발명은, 메쉬(mesh) 구조로 형성되는 광전극; 메쉬(mesh) 구조로 형성되며, 상기 광전극과 소정 거리 이격되어 배치되는 상대전극; 상기 광전극에 증착되어 다공성의 입자층을 형성하는 반도체 산화물; 상기 반도체 산화물의 입자 표면에 흡착되는 염료; 상기 상대전극에 코팅되는 촉매 매질; 투명한 고분자 재질로 이루어져, 상기 반도체 산화물이 증착된 광전극 및 촉매매질이 코팅된 상대전극의 외부를 감싸는 밀봉재; 및 상기 밀봉재 내부에 주입되어, 상기 광전극 및 상대전극 사이에 충진되는 전해질;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지(DSSC : dye-sensitized solar cell) 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염료감응형 태양전지를 구성함에 있어서, 광전극 및 상대전극을 메쉬(mesh) 구조로 형성하고, 이들 전극 사이에 유기염료가 흡착된 다공성의 반도체 산화물을 형성하여, 투명의 고분자 밀봉재로 밀봉하고, 상기 밀봉재 내부에 전해질이 충진되도록 하는 구성을 통해, 종래의 염료감응형 태양전지에서 전극을 지지하고 전해질을 수용하기 위해 구비되던 유리기판을 생략한 형태로 솔라셀(solar cell)을 구성하여, 가요성을 구비하는 동시에 경량화된 태양전지를 제공함으로써, 제작, 취급 및 설치가 용이하고, 제작 비용을 절감할 수 있는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 산유국을 중심으로 한 자원민족주의로 원유가격 급등과 온실가스 배출 등으로 인해, 미래의 에너지와 환경문제를 극복할 수 있는 신재생에너지 개발 및 상용화가 절실한 상황이다.
특히, 최근에는 다양한 미래 신재생 에너지들 중, 무한한 태양빛을 에너지원으로 사용하는 환경 친화적인 태양전지의 중요성이 더욱 부각되고 있다.
이에 따라, 현재까지 다양한 종류의 태양전지가 개발되었으며, 이 중 상용화되어 가장 널리 사용되는 것이 실리콘계 태양전지이다.
한편, 실리콘계 태양전지는 대형의 고가 제조 장비, 실리콘 원료 가격 및 설치 장소의 한계로 인해 실질적인 대체에너지원으로 경제성이 미진한 실정이다.
따라서, 이러한 태양전지의 대규모 상용화를 실현하기 위하여, 전지의 제조 단가를 낮춰 초기 설치투자비 부담을 줄이는 방향으로서의 광합성 원리를 이용한 염료감응형 태양전지(Dye-sensitized solar cell)가 개발되었다.
광 전기 화학형 염료감응형 태양전지는 식물의 광합성 원리를 응용한 소자로, 엽록체에서 빛에너지를 흡수하는 기능의 색소를 고분자와 결합시켜 태양전지에 적용한 경우이다.
즉, 상술한 바와 같은 염료감응형 태양전지(Dye-sensitized solar cell)는 도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 투명기판(10, 11)이 형성되고, 하나의 투명기판(10) 위에 코팅된 투명전극(20)과, 그 위에 접착되어 다공성의 나노입자층을 구성하는 반도체 산화물(30)과, 상기 반도체 산화물(30) 입자의 표면에 단분자층으로 코팅된 염료(40)와, 두 전극 사이의 공간을 채우고 있는 산화/환원용 전해질(50) 및 전해질 환원용 상대전극(60)으로 구성되며 전반적으로 샌드위치 타입의 형태로 구성된다.
이 때, 염료감응형 태양전지의 동작 원리는 태양광이 전지에 입사되면 태양광의 흡수에 의해 염료(40)가 여기 상태가 되면서 전자 정공 쌍을 생성하고, 여기서 생성된 전자는 반도체 산화물(30)로 이루어지는 전도대로 이송되어 투명전극(20)을 통해 외부회로로 흘러가서 전기에너지를 전달하게 된다.
또한, 염료(40)에서 생성된 정공은 전해질(50)로부터 전달되는 전자를 공급받아 원래 상태로 환원되며, 이 때 사용되는 전해질(50)은 주로 I_/I3 _ 산화/환원 쌍으로서 상대전극(60)으로부터 전자를 받아 염료(40)에 전달하는 역할을 수행한다.
한편, 상술한 바와 같은 종래의 염료감응형 태양전지는 태양광이 투명전극(20)의 전체면을 통과하는 면 입사 방식을 통해 입사되는데, 이를 위해, 투명전극(20)은 주로 투과성 및 전도성이 우수한 반도체 옥사이드 필름으로 이루어진다.
그러나, 반도체 옥사이드 필름은 그 단가가 상대적으로 고가이며, 대면적 광전지 제작시에는 그 제조 비용이 상당해지기 때문에 경제적 효율면에서는 좋지 않은 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 미국등록특허 제7022910호의 메쉬전극을 이용하는 광전지에서와 같이, 태양광이 입사되는 측의 광전극을 전도성이 우수한 금속성 메쉬 전극으로 구성함으로써, 80% 이상의 투과율을 확보하는 동시에 우수한 전도성을 갖고, 또한, 고가의 반도체 옥사이드 필름 사용을 줄여 제작 비용을 절감할 수 있는 광전지가 개발되었다.
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 태양전지는 전극을 지지하고 전해질을 수용하기 위해 유리 등으로 이루어지는 투명 기판을 사용하고 있으며, 이렇게 사용되는 투명 기판 사이에 전극 및 반응 물질 등이 개재되어 전체적으로 솔리드(solid)한 형태로 제작됨으로써, 그 제작되는 형상이 평면상으로 제작될 수 밖에 없다는 문제점이 있다.
또한, 대면적의 전지를 제작하는 경우, 기판 자체의 무게로 인해 제작, 휴대 및 설치가 용이하지 않은 문제점이 있다.
또한, 유리 등의 투명기판 상에 반도체 산화물을 증착시키기 위한 열 처리 공정 시, 투명기판의 구조적 결함의 발생을 방지하기 위하여 통상 500℃ 이하의 가열 온도 조건이 수반되므로, 적용할 수 있는 제조 방법이 제한적이라는 문제점이 있다.
또한, 대면적으로 제조할 경우, 면저항이 커짐에 따라 전지 효율이 저감되는 문제점이 있으며, 상대적으로 고가인 유리 기판의 사용으로 인해 제작 비용 또한 크다는 문제점도 있다.
또한, 충분한 투과율을 확보하기 위해서는 메쉬 전극의 개방면적을 증가시키는 구성이 필수적으로 요구되며, 이에 따라 상대적으로 광전극의 비(比)표면적이 작아지게 되어 전체적으로 광전변환 효율이 낮아지게 된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은 염료감응형 태양전지를 구성함에 있어서, 메쉬 구조의 광전극 및 상대전극을 형성하고, 상기 전극들 사이에 반도체 산화물 및 전해질 등을 채워 밀봉재로 밀봉하여, 기존에 사용되었던 유리 기판을 생략하여 태양전지를 구성함으로써, 가요성을 가짐은 물론, 경량화에 따른 취급 및 설치가 용이하고, 대면적 제작시, 면저항을 줄여 전지의 광전변환 효율을 높일 수 있는 데에 있다.
또한, 상술한 바와 같은 구성을 통해 제작 공정을 간소화함에 따라 전지 제작시 소모되는 시간 및 제작 비용을 절감할 수 있는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서의 본 발명은, 메쉬(mesh) 구조로 형성되는 광전극; 메쉬(mesh) 구조로 형성되며, 상기 광전극과 소정 거리 이격되어 배치되는 상대전극; 상기 광전극에 증착되어 다공성의 입자층을 형성하는 반도체 산화물; 상기 반도체 산화물의 입자 표면에 흡착되는 염료; 상기 상대전극에 코팅되는 촉매 매질; 투명한 고분자 재질로 이루어져, 상기 반도체 산화물이 증착된 광전극 및 촉매매질이 코팅된 상대전극의 외부를 감싸는 밀봉재; 및 상기 밀봉재 내부에 주입되어, 상기 광전극 및 상대전극 사이에 충진되는 전해질;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지는 광전극 및 상대전극을 메쉬(mesh) 구조로 형성하고, 이들 전극 사이에 유기염료가 흡착된 다공성의 반도체 산화물을 형성하여, 투명한 고분자 밀봉재로 밀봉하고, 상기 밀봉재 내부에 전해질이 충진되도록 하는 구성을 통해, 종래의 염료감응형 태양전지에서 전극을 지지하고 전해질을 수용하기 위해 구비되던 유리기판을 생략한 형태로 솔라셀(solar cell)을 구성함으로써, 가요성을 구비함은 물론, 다양한 용도에 적용할 수 있으며, 전지의 경량화에 따른 제작, 휴대 및 설치가 용이한 효과가 있다.
또한, 대면적 제작시, 면저항을 줄여 전지의 효율을 높일 수 있으며, 간소화된 제조 공정을 통해 전지 제작시 소모되는 시간 및 제작 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 염료감응형 태양전지의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 구성을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 구성을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 구성을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 구성을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지는 메쉬 구조(mesh type)로 이루어지는 광전극(100) 및 상대전극(200), 상기 광전극(100) 외면에 형성되는 차단막(900), 상기 광전극(100)에 증착되는 반도체 산화물(300), 상기 반도체 산화물(300)의 입자 표면에 흡착되는 염료(400), 상기 상대전극(200)에 코팅되는 촉매 매질(500), 상기 광전극 및 상대전극 사이에 배치되는 절연막(600), 상기 광전극(100) 및 상대전극(200) 사이에 충진되는 전해질(700) 및 상기 반도체 산화물(300)이 증착된 광전극(100) 및 촉매 매질(500)이 코팅된 상대전극(200)의 외부를 감싸는 밀봉재(800)로 구성된다.
광전극(100) 및 상대전극(200)은 소정 간격 이격되어 평행하게 배치되며, 전기 전도성 물질로 이루어지는 와이어 메쉬 또는 전기 전도성 물질이 코팅된 섬유메쉬 등, 전기 전도성 물질을 재질로 하여 플렉서블(flexible) 하게 형성된 메쉬 타입으로 형성된다.
이 때, 전기 전도성 물질은 전기 전도성 금속(팔라듐, 백금, 티타늄, 스테인레스 스틸 등), 전기 전도성 합금 또는 전기전도성 중합체(폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜), 폴리티오펜 유도체, 폴리아닐린 등), 탄소나노튜브(CNT: Carbon nanotube), 그래핀(Graphene) 등 다양한 물질로 이루어질 수 있다.
한편, 상기한 전기 전도성 물질이 코팅된 섬유(직물 섬유 또는 광학 섬유)를 이용하여 메쉬 구조를 형성하는 경우, 상기 섬유는 합성 중합체 섬유(나일론 등) 및 천연 섬유(예, 아마, 면, 양모 및 실크 등) 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 광전극(100) 및 상대전극(200)은 팽창된(expaned) 메쉬 또는 직조된(woven) 메쉬 구조로 이루어질 수 있으며, 메쉬를 구성하는 와이어(또는 섬유) 직경 및 메쉬 밀도(즉, 메쉬 단위 면적 당 와이어(또는 섬유) 수)에 대하여 특별한 제한을 받는 것은 아니다.
차단막(900)은 반도체 산화물로 이루어져, 광전극(100)의 표면을 감싸는 형태로 증착되어 형성되며, 태양광의 입사에 의해 염료(400)로부터 생성되는 전자가 반도체 산화물(300)로 이루어지는 전도대를 통해 광전극(100)으로 이송되는 과정에서, 이송되는 전자가 다공성의 반도체 산화물(300) 입자들 사이로 스며든 전해질(액체 또는 젤 전해질 등)(700)과 접촉되어 산화, 환원 반응하는 소위, 역 전자전달 반응(Back electron transfer reaction)의 발생을 억제함으로써, 광전변환 효율이 저하되는 것을 방지하는 역할을 수행한다.
이 때, 차단막(900)은 화학식 MxOy 에 해당되는 나노입자로 이루어질 수 있으며, 여기서, M에 적용될 수 있는 물질들로는 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr), 징크(Zn), 칼슘(Ca), 인듐(In), 란타넘(La), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 틴(Sn), 니오븀(Nb), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 이트늄(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 갈륨(Ga), 탄탈륨(Ta), 테르븀(Tb) 및 스트론튬타이타늄(SrTi) 등이 적용될 수 있고, 상기 화학식에서 x와 y는 0보다 큰 정수이다.
한편, 상술한 바와 같은 차단막(900)은 이산화 타이타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 삼산화텅스텐(WO3), 스트론튬 티타네이트(SrTi03), 칼슘 티타네이트(CaTi03), 이산화 지르코늄(Zr02), 산화란탄(La203), 니오븀 펜톡사이드(Nb205) 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 차단막(900)은 1nm 내지 100nm 사이의 두께로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 20nm 내지 30nm의 두께를 갖는 것이 좋다.
상술한 차단막(900)은 본 발명의 태양전지를 구성함에 있어서, 필수적으로 요구되는 구성은 아니나, 이와 같이 광전극(100)의 표면에 차단막(900)을 증착함으로써 전해질(700) 물질로의 역 전자전달 반응(Back electron transfer reaction)의 발생을 억제하여, 전하의 불필요한 반응이나 소모를 줄여 셀 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
반도체 산화물(300)은 표면에 광감응성 염료(400)가 흡착되고, 다공성의 나노 입자층을 이루어, 상술한 바와 같은 메쉬 구조의 광전극(100) 외면에 형성된다.
이 때, 반도체 산화물(300)은 메쉬 구조의 광전극(100) 표면을 앞, 뒤로 감싸는 형태로 형성되어 입사되는 광선을 효과적으로 변환할 수 있도록 구성된다.
즉, 이미 앞에서 종래기술의 문제점을 설명함에 있어 기술한 바와 같이, 메쉬 전극이 적용된 태양전지에서는, 입사되는 광선이 메쉬 구조로 형성된 전극을 통과한 후에야 반도체 산화물층에 도달할 수 있도록 구성되어 있는 관계로, 메쉬 전극의 개방면을 증가시킴으로써 빛의 투과도를 확보하고 있으나, 이와 같이 메쉬 전극의 개방면이 증가하는 경우, 상대적으로 메쉬 전극의 비표면적이 작아지게 되므로 광전변환 효율이 저하되는 문제점이 발생하게 된다.
반면에, 본 실시예에서는 상술한 바와 같이, 메쉬 구조의 광전극(100) 표면에 반도체 산화물(300)층을 형성시키되, 반도체 산화물(300)이 광전극의 표면 전체를 감싸는 형태로 형성함으로써, 메쉬 구조의 광전극의 비표면적이 어느 정도 증가하게 되더라도 그에 관계없이 충분한 광전변환 효율을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
여기서, 상술한 바와 같은 반도체 산화물(300)은 상기 차단막(900)과 마찬가지로, 화학식 MxOy 에 해당되는 나노입자로 이루어질 수 있으며, 여기서, M에 적용될 수 있는 물질들로는 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 스트론튬(Sr), 징크(Zn), 칼슘(Ca), 인듐(In), 란타넘(La), 바나듐(V), 몰리브데넘(Mo), 텅스텐(W), 틴(Sn), 니오븀(Nb), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 이트늄(Y), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 갈륨(Ga), 탄탈륨(Ta), 테르븀(Tb) 및 스트론튬타이타늄(SrTi) 등이 적용될 수 있고, 상기 화학식에서 x와 y는 0보다 큰 정수이다.
한편, 이러한 반도체 산화물(300) 역시, 타이타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 삼산화텅스텐(WO3), 스트론튬 티타네이트(SrTi03), 칼슘 티타네이트(CaTi03), 이산화 지르코늄(Zr02), 산화란탄(La203), 니오븀 펜톡사이드(Nb205) 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
광전극(100)에 증착되는 반도체 산화물(300)은, 입자들이 밀집(dense)되어 형성된 박막으로 형성되는 차단막(900)과는 달리 다공성 구조로 형성되는데, 이렇게 구성되는 반도체 산화물(300)층을 구성하는 입자의 크기는 통상 2nm 내지 100nm 사이의 크기를 가질 수 있으며, 바람직하게는 약 20nm의 평균 입자 크기를 갖는 것이 좋다.
한편, 상술한 바와 같은 차단막(900) 및 반도체 산화물(300)은 다양한 방법을 통해 광전극(100)에 증착되는바, 이 때, 본 발명에 따른 광감응형 태양전지는 종래의 태양전지에서 전극을 지지하고 전해질을 수용하기 위해 사용되었던 유리 기판을 생략하여 구성됨으로써, 열처리 공정시 수반되었던 기존의 500℃ 이하의 가열 온도 제한에서 벗어나, 보다 다양한 공정방법을 적용할 수 있게 된다.
염료(400)는 화학흡착 및/또는 물리흡착을 통해 반도체 산화물(300) 입자의 표면에 흡착되며, 태양광이 광전극(100)을 통해 입사되면, 여기 상태가 되어 전자를 발생시키는 역할을 수행한다.
이 때, 상술한 바와 같은 염료(400)로는 루테늄 복합체, 안토시아닌, 포르피린, 프탈로시아닌, 메로시아닌, 시아닌, 스쿠아레이트, 에오신 등이 사용될 수 있으며, 전하 분리기능을 갖고 감응 작용을 나타내는 염료라면 어느 것이나 다양하게 적용될 수 있다.
촉매 매질(500)은 상대전극(200) 외부에 코팅되어 전해질(700)과 전기적으로 접촉하여 이온, 환원 효율을 증대시키는 역할을 수행한다.
이러한 촉매 매질(500)은 루테늄, 오스뮴, 코발트, 로듐, 이리듐, 니켈, 활성 탄소, 탄소나노튜브(CNT: Carbon nanotube), 그래핀(Graphene), 팔라듐, 백금, 및 전도성 중합체(폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜), 폴리티오펜 유도체 및 폴리아닐린 등) 등으로 구성될 수 있으며, 바람직하게는 광흡수 효율이 좋은 백금으로 구성되는 것이 좋다.
절연막(600)은 광전극(100) 및 상대전극(200) 사이에 배치되어, 전기 전도성이 좋은 광전극(100)과 상대 전극(200) 간의 접촉을 막아 합선(Short)을 방지하는 역할을 수행한다.
이 때, 절연막(600)은 광전극(100)과 상대전극(200) 사이에서 전해질(600)이 통과할 수 있도록 다공성으로 이루어지며, 전해질(600)과 반응하지 않는 물질로 구성된다.
한편, 상술한 바와 같은 절연막(600)은 불소수지(PTFE, FEP, PFA, MFA, ETFE, ECTFE, PCTFE, PVDF), 폴리 염화비닐(PVC), 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리미드(PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 중합체 탄화수소, 셀룰로스 화합물 등의 고분자화합물 또는 이들의 조합물질로 이루어질 수 있으며, 1㎛ 내지 50㎛의 두께로 형성된다.
상술한 절연막(600)은 필수적으로 요구되는 구성은 아니며, 광전극(100)과 상대전극(200) 간의 이격이 보장되는 경우 생략될 수도 있다. 다만, 상기와 같이 광전극(100)과 상대전극(200) 간에 절연막(600)을 배치함으로써, 합선(short)으로 인한 태양전지의 동작 오류나 손상을 효과적으로 예방할 수 있다.
전해질(700)은 광전극(100) 및 상대전극(200) 사이에 충진되어, 상대전극(200)에서 나오는 전하가 반도체 산화물(300)에 흡착된 염료(400)로 전달되는 것을 촉진하는 역할을 수행하며, 용매계 액체 전해질, 중합체 전해질, 고체 전해질, n-타입 및 p-타입 수송 재료(전도성 중합체) 및 젤 전해질 등으로 이루어질 수 있고, 일반적으로는 요오드계 산화환원 전해질(redox iodide electrolyte)로 이루어진다.
밀봉재(800)는 태양광이 투과 가능하도록 투명의 고분자 재질로 이루어지며, 상기 반도체 산화물(300)이 형성된 광전극(100) 및 촉매매질(500)이 코팅된 상대전극(200) 외부를 감싸 보호하는 동시에, 전해질(700)을 내부에 가두는 역할을 수행한다.
이 때, 밀봉재(800)는 폴리 염화비닐(PVC), 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리미드(PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 중합체 탄화수소, 셀룰로스 화합물 또는 이들의 조합물질로 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 광전극(100) 및 상대전극(200)을 메쉬(mesh) 구조로 형성하고, 이들 전극 사이에 염료(400)가 흡착된 다공성의 반도체 산화물(300)을 형성하여, 투명의 고분자 밀봉재(800)로 밀봉하고, 상기 밀봉재(800) 내부에 전해질(700)이 충진되도록 하는 구성을 통해, 종래의 염료감응형 태양전지에서 전극을 지지하고 전해질을 수용하기 위해 구비되던 유리기판을 생략한 형태로 솔라셀(solar cell)을 구성함으로써, 가요성을 구비함은 물론, 경량화에 따른 취급 및 설치가 용이하고, 대면적 제작시, 면저항을 줄여 전지의 광전변환 효율을 높일 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 구성을 보여주는 도면이다.
도 3(a) 및 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지는 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응형 태양전지와 기본적인 구성은 동일하며, 다만, 반도체 산화물(300)이 증착된 두 개의 투명 전극(100) 사이에 촉매 매질(500)이 코팅된 하나의 상대 전극(200)을 배치한다는 점에서 차이가 있다.
한편, 본 발명에 따른 태양전지에서는 전술한 바와 같이, 투명한 고분자 재질의 밀봉재(800)를 사용하여 광전극(100), 상대전극(200) 및 전해질(700) 등을 패킹(packing)하였기 때문에, 한쪽 면이 불투명한 기존 구조의 태양전지와 달리 사방에서 들어오는 빛을 모두 사용할 수 있게 된다.
따라서, 본 실시예에서와 같이, 상대전극(200) 양쪽으로 광전극(100)을 위치시키는 경우, 태양광이 충분히 전지의 내부까지 투과되어, 광전극(100)의 비(比)표면적을 증가시켜, 반도체 산화물(300)에 흡착된 염료(400)로부터의 전자 생성 효율을 높임으로써 태양전지의 광전변환 효율을 증가시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4(a) 및 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지는 전술한 바와 같은 제1 실시예에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지와 그 기본적인 구성은 동일하다.
다만, 본 실시예에서는 반도체 산화물(300)이 증착된 광전극(100) 양쪽에 상대전극(200)을 위치시켜, 상대전극(200)으로부터 나오는 전자와 반도체 산화물(300)에 흡착된 염료(400)에서 생성되는 정공과의 결합 효율을 증대시킴으로써 전지의 광전변환 효율을 높일 수 있게 된다.
이 때, 상술한 바와 같은 광전극(100) 및 상대전극(200)의 배치 구조는 태양광이 입사될 수 있는 범위 내에서 다양한 형태의 구조로 형성될 수 있음은 물론이다.
도 5는 본 발명에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 먼저 전기 전도성 물질을 재질로 하여 메쉬 구조의 광전극 및 상대전극을 형성(S100)한다.
이 때, 전기 전도성 물질로는 금속성 와이어나 금속 코팅된 섬유 등 메쉬 구조를 형성할 수 있는 다양한 재질들로 이루어질 수 있다.
이후, 메쉬 구조의 광전극에 차단막을 형성(S110)한 다음, 그 외면에 반도체 산화물을 형성(S120)시키며, 이 때, 상기 차단막은 경우에 따라 생략이 가능하다.
한편, 상술한 바와 같은 차단막 및 반도체 산화물은 나노 입자를 페이스트 형태로 만들어 바르는 스크린 인쇄(screen printing) 또는 닥터 블레이드(doctor blade), 회전하는 원판에 코팅 대상 물질을 고정시켜 놓고 슬러리를 중앙에 떨어뜨려 원심력으로 슬러리가 퍼져 나가면서 막이 코팅되는 스핀(Spin)코팅법, 나노 입자 소스가 녹아있는 액체에 담그어 건지는 침지 방법(Dipping method), 세라믹이나 반도체 소재 등에 전자 회로를 만들기 위해 고진공 상태에서 고체를 증발시켜 박막(thin film)이나 후막(thick film)을 형성하는 스퍼터링 (Sputtering), 금속의 알콜시드등을 원료로 용매에 적정 용해 한 후 물과 산, 알칼리를 촉매로 가수분해 시키고 탈수-탈알콜 중-축합에 의해 입자를 성장시키는 졸겔법(Sol-Gel method) 및 에어로졸 통이나 분사 노즐을 이용하여 가스 압력 또는 압축 공기에 의하여 분무하여 적용하는 분무법 (Spray method) 등을 적용하여 형성할 수 있다.
또한, 여러 액체 및 고체 소스의 화학반응을 통해 증착시키는 화학적 방법(Wet chemical method), 전해질에 나노 입자를 풀어 전하를 띄게 한 후 전장(電場)을 가하여 나노 입자가 어느 한쪽 극으로 이동하여 증착하게 하는 전기영동증착법(EPD : Electrophoretic deposition), 물리적 증기 증착법(PVD : Physical Vapor Deposition), 화학적 증기 증착법(CVD : Chemical vapor deposition) 및 원자층 화학 증착법(ALD : atomic layer deposition) 등 다양한 방법을 통하여 형성할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같은 반도체 산화물 형성 방법들 중, 스핀 코팅법 또는 침지 방법 등을 적용하는 경우에는 열처리 공정이 추가로 진행될 수 있는바, 일 예로, 이산화티탄 나노입자들을 포함하는 점성의 콜로이드(viscous colloid having nano particles TiO2)를 상기 광전극에 코팅한 경우, 소정의 열처리 단계를 통해 티타늄 산화물 입자들만 남김으로써 반도체 산화물을 형성하게 된다.
이 때, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 기존에 사용되었던 유리기판을 생략하여 구성되었기 때문에, 종래에서와 같이 열처리 공정 시의 유리 기판의 구조적 결함을 방지하기 위해 제한된 가열 온도의 조건범위에서 벗어나 자유롭게 공정할 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이, 광전극에 반도체 산화물을 형성한 이후에는, 반도체 산화물층이 형성된 광전극을 염료(dye)를 포함하는 알코올 용액 내에 담금으로써 상기 반도체 산화물 나노입자의 표면에 염료를 흡착(S130)시킨다.
또한, 상대전극에는 촉매 매질을 코팅(S140)시켜, 상기 광전극과 소정 거리 이격하여 배치(S150)시키고, 이들 광전극 및 상대전극 사이에는 절연막을 배치(S160)시킨다.
이 때, 절연막은 광전극과 상대전극 간의 이격이 보장되는 경우 생략될 수도 있다.
이후, 상술한 과정을 통해 구성된 반도체 산화물이 형성된 광전극 및 촉매 매질이 코팅된 상대전극의 외부를 투명의 고분자 밀봉재로 밀봉(S170)한다.
이 때, 밀봉재 내부에는 전해질을 주입(S180)하여 상기 광전극 및 상대전극 사이에 충진시킨다.
한편, 상술한 바와 같이, 반도체 산화물이 형성된 광전극 및 촉매매질이 코팅된 상대전극의 외부를 밀봉재로 밀봉한 다음, 밀봉재 내부에 전해질을 주입하는 방법 이외에도, 상기 광전극 및 상대전극의 외부를 밀봉재를 통해 밀봉하는 동시에 이들 전극들 사이에 전해질을 주입하는 등의 다양한 방법을 적용하여, 광전극 및 상대전극 사이에 전해질을 주입하고, 이들 전극의 외부를 패킹할 수 있음은 물론이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지는 광전극 및 상대전극을 메쉬 구조로 형성하고, 이들 전극 사이에 반도체 산화물, 전해질 등의 반응 물질들을 형성하여, 투명의 고분자 밀봉재로 밀봉하여 구성함으로써, 종래의 염료감응형 태양전지에서 전극을 지지하고 전해질을 수용하기 위해 구비되던 유리기판을 생략한 형태로 솔라셀(solar cell)을 구성하여, 가요성을 구비함은 물론, 제작, 취급 및 설치가 용이하고, 제작 비용을 절감할 수 있다.
또한, 대면적 제작시, 면저항을 줄여 전지의 효율을 높일 수 있으며, 간소화된 제조 공정을 통해 전지 제작시 소모되는 시간 및 제작 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.
10, 11 : 투명 기판 20 : 투명전극
30, 300 : 반도체 산화물 40, 400 : 염료
50, 700 : 전해질 60, 200 : 상대전극
500 : 촉매 매질 600 : 절연막
100 : 광전극 800 : 밀봉재
900 : 차단막
30, 300 : 반도체 산화물 40, 400 : 염료
50, 700 : 전해질 60, 200 : 상대전극
500 : 촉매 매질 600 : 절연막
100 : 광전극 800 : 밀봉재
900 : 차단막
Claims (24)
- 염료감응형 태양전지에 있어서,
메쉬(mesh) 구조로 형성되는 광전극;
메쉬(mesh) 구조로 형성되며, 상기 광전극과 소정 거리 이격되어 배치되는 상대전극;
상기 광전극에 증착되어 다공성의 입자층을 형성하는 반도체 산화물;
상기 반도체 산화물의 입자 표면에 흡착되는 염료;
상기 상대전극에 코팅되는 촉매 매질;
투명한 고분자 재질로 이루어져, 상기 반도체 산화물이 증착된 광전극 및 촉매매질이 코팅된 상대전극의 외부를 감싸는 밀봉재; 및
상기 밀봉재 내부에 주입되어, 상기 광전극 및 상대전극 사이에 충진되는 전해질;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 염료감응형 태양전지에 있어서,
메쉬(mesh) 구조로 형성되는 한 쌍의 광전극;
메쉬(mesh) 구조로 형성되며, 상기 한 쌍의 광전극 사이에 배치되되, 상기 한 쌍의 광전극과 각각 소정 거리 이격되어 배치되는 상대전극;
상기 한 쌍의 광전극 각각에 증착되어 다공성의 입자층을 형성하는 반도체 산화물;
상기 반도체 산화물의 입자 표면에 흡착되는 염료;
상기 상대전극에 코팅되는 촉매 매질;
투명한 고분자 재질로 이루어져, 상기 반도체 산화물이 형성된 한 쌍의 광전극 및 상기 촉매매질이 코팅된 상대전극의 외부를 감싸는 밀봉재; 및
상기 밀봉재 내부에 주입되어, 상기 한 쌍의 광전극 및 상대전극 사이에 충진되는 전해질;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 염료감응형 태양전지에 있어서,
메쉬(mesh) 구조로 형성되는 광전극;
메쉬(mesh) 구조로 형성되며, 상기 광전극 양측에 각각 소정거리 이격되어 배치되는 한 쌍의 상대전극;
상기 광전극에 증착되어 다공성의 입자층을 형성하는 반도체 산화물;
상기 반도체 산화물의 입자 표면에 흡착되는 염료;
상기 한 쌍의 상대전극에 각각에 코팅되는 촉매 매질;
투명한 고분자 재질로 이루어져, 상기 반도체 산화물이 형성된 광전극 및 상기 촉매매질이 코팅된 한 쌍의 상대전극의 외부를 감싸는 밀봉재; 및
상기 밀봉재 내부에 주입되어, 상기 광전극 및 한 쌍의 상대전극 사이에 충진되는 전해질;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 광전극 및 상대전극은 전기 전도성 물질로 이루어지는 와이어 메쉬 또는 전기 전도성 물질이 코팅된 섬유 메쉬로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 반도체 산화물은 이산화 타이타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 삼산화텅스텐(WO3), 스트론튬 티타네이트(SrTi03), 칼슘 티타네이트(CaTi03), 이산화 지르코늄(Zr02), 산화란탄(La203) 및 니오븀 펜톡사이드(Nb205) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 반도체 산화물의 입자 크기는 2 nm 내지 100 nm 인 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 염료는,
루테늄 복합체, 안토시아닌, 포르피린, 프탈로시아닌, 메로시아닌, 시아닌, 스쿠아레이트 및 에오신 중의 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 촉매 매질은,
루테늄, 오스뮴, 코발트, 로듐, 이리듐, 니켈, 활성 탄소, 탄소나노튜브, 그래핀, 팔라듐, 백금, 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜), 폴리티오펜 유도체 및 폴리아닐린 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 전해질은,
용매계 액체 전해질, 중합체 전해질, 고체 전해질, 전도성 중합체 및 젤 전해질 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 밀봉재는,
폴리 염화비닐(PVC), 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리미드(PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 중합체 탄화수소, 셀룰로스 화합물 또는 이들의 조합물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 태양전지를 구성하는 광전극 및 상대전극 사이에는 절연막이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 11항에 있어서,
상기 절연막은,
불소수지(PTFE, FEP, PFA, MFA, ETFE, ECTFE, PCTFE, PVDF), 폴리 염화비닐(PVC), 폴리아미드(PA), 폴리에틸렌(PE) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리미드(PI), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 열가소성 폴리우레탄(TPU), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 중합체 탄화수소, 셀룰로스 화합물 또는 이들의 조합물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 11항에 있어서,
상기 절연막은 1㎛ 내지 50㎛ 두께의 다공성 막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 1항, 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
상기 광전극의 표면에는 역 전자전달 반응(Back electron transfer reaction)을 억제하기 위한 차단막이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 14항에 있어서,
상기 차단막은 이산화 타이타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2), 삼산화텅스텐(WO3), 스트론튬 티타네이트(SrTi03), 칼슘 티타네이트(CaTi03), 이산화 지르코늄(Zr02), 산화란탄(La203), 니오븀 펜톡사이드(Nb205) 중 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 제 14항에 있어서,
상기 차단막은 1nm 내지 100nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지. - 염료감응형 태양전지의 제조방법에 있어서,
메쉬 구조의 광전극 및 상대전극을 형성하는 단계;
상기 광전극에 반도체 산화물을 증착하는 단계;
상기 반도체 산화물 입자의 표면에 염료를 흡착시키는 단계;
상기 상대전극에 촉매 매질을 코팅하는 단계;
상기 광전극 및 상대전극을 소정 거리 이격시켜 배치하는 단계;
투명한 고분자 재질의 밀봉재를 이용하여 상기 반도체 산화물이 증착된 광전극 및 상기 촉매 매질이 코팅된 상대전극의 외부를 밀봉하는 단계; 및
상기 밀봉재 내부에 전해질을 충진하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법. - 제 17항에 있어서,
상기 반도체 산화물의 입자는 2nm 내지 100nm의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법. - 제 17항에 있어서,
상기 반도체 산화물은 스크린 인쇄(screen printing), 닥터 블레이드(doctor blade), 스핀(Spin)코팅법, 스퍼터링(Sputtering), 졸겔법(Sol-Gel method), 분무법(Spray method), 침지 방법(Dipping method), 화학적 방법(Wet chemical method), 전기영동증착법(EPD : Electrophoretic deposition), 물리적 증기 증착법(PVD : Physical Vapor Deposition), 화학적 증기 증착법(CVD : Chemical vapor deposition) 및 원자층 화학 증착법 중 어느 하나의 방법을 통해 상기 광전극에 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법. - 제 17항에 있어서,
상기 광전극에 반도체 산화물을 증착하는 단계 이전에,
상기 메쉬 구조로 형성된 광전극의 표면에 차단막을 형성하는 단계;
를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법. - 제 20항에 있어서,
상기 차단막은,
스크린 인쇄(screen printing), 닥터 블레이드(doctor blade), 스핀(Spin)코팅법, 스퍼터링(Sputtering), 졸겔법(Sol-Gel method), 분무법(Spray method), 침지 방법(Dipping method), 화학적 방법(Wet chemical method), 전기영동증착법(EPD : Electrophoretic deposition), 물리적 증기 증착법(PVD : Physical Vapor Deposition), 화학적 증기 증착법(CVD : Chemical vapor deposition) 및 원자층 화학 증착법 중 어느 하나의 방법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법. - 제 20항에 있어서,
상기 차단막은 1nm 내지 100nm 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법. - 제 17항에 있어서,
상기 광전극 및 상대전극을 소정 거리 이격시켜 배치하는 단계 이후에,
상기 이격되어 배치된 광전극 및 상대전극 사이에 절연막을 추가로 구비하는 단계;
를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법. - 제 23항 있어서,
상기 절연막은 1㎛ 내지 50㎛ 두께의 다공성 막으로 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 고분자막을 이용한 가요성 염료감응형 태양전지의 제조 방법.
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