KR101241015B1 - 집전극을 갖는 염료감응 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집전극을 갖는 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광전류를 포집하는 집전극을 사용하면서 광전극 유효면적을 최대로 유지하여 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 작동전극과 상대전극이 접합되어 구성되는 염료감응 태양전지에 있어서,
상기 작동전극은 투명 전도성 기판 위에 다수 열로 코팅되어 있는 광전극 셀로 이루어진 광전극과, 상기 광전극의 외각 및 광전극 셀 사이에 각기 배치되도록 상기 투명 전도성 기판 위에 코팅되는 다수의 집전극 셀과 이 집전극 셀들을 일체로 연결하는 집전극 바텀부로 이루어진 집전극을 포함하여 구성되며,
상기 집전극 셀은 모두 동일한 길이를 갖거나, 또는 최외각에 배치된 집전극 셀과 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀의 길이가 다르게 형성되어 상기 광전극의 유효면적을 증대할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.

Description

집전극을 갖는 염료감응 태양전지 {Dye-sensitized solar cell having collector}
본 발명은 집전극을 갖는 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광전류를 포집하는 집전극을 사용하면서 광전극 유효면적을 최대로 유지하여 광전변환 효율을 향상시킬 수 있는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
최근 친환경 에너지 분야에 대한 관심이 집중됨에 따라 태양전지와 같은 광전변환 소자가 널리 사용되고 있다. 그 중 실리콘 태양전지는 상용화되어 이미 자동차의 선루프 부분에 적용되고 있지만, 불투명한 특성과 고가의 단가로 인해 제한적으로 사용되고 있다.
이에 따른 최근에는 반투명 및 투명 태양전지로서 각광받고 있는 염료감응 태양전지가 상용화 단계까지 발전해 오면서 자동차 및 건물통합형 태양광 발전(Building Integrated Photovoltaics; BIPV) 적용 등 다양한 응용 분야에 적용하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
일반적으로 염료감응 태양전지는 도 1과 같이 투명 전도성 기판 위에 빛을 흡수할 수 있는 Ru계 염료가 흡착된 TiO2 와 같은 광전극(혹은 반도체 산화물 후막)이 코팅되어 있는 작동전극과 Pt을 이용한 촉매 전극이 코팅되어 있는 상대전극이 접합된 구조로 이루어져 있으며, 그 사이에는 I-/I3 - 계의 전해질이 채워지는 전지이다.
이러한 염료감응 태양전지는 제조 단가가 저렴하고, 투명 전극을 제조할 수 있으며, 다양한 디자인의 태양전지를 만들 수 있는 등의 장점을 가지기 때문에 많은 연구가 계속 진행되어지고 있고, 다양한 응용 분야에 적용하려는 시도가 많이 진행되고 있는데, 그 중 대표적인 응용 분야로는 건물통합형 태양광 발전 (BIPV)용으로서 건물의 지붕이나 창문 등에 도입하려는 연구가 활발하다.
또한, 현재 실리콘 태양전지가 적용된 자동차의 루프에 염료감응 태양전지로 대체하여 적용하려는 시도도 진행되고 있다.
한편, 염료감응 태양전지 셀을 응용분야에 적용하여 필요한 전력을 얻기 위해서는 광전극의 유효면적을 충분히 확보할 수 있도록 함과 동시에 광전변환 효율의 감소를 최소화하기 위해 광전극 내에 집전극을 형성하여 광전류를 효율적으로 포집할 수 있는 구조를 적용하고 있다.
이때 동일 공정으로 모듈 형성시 집전극 및 광전극의 크기에 따라 염료감응 태양전지의 전체 효율에 영향을 주게 되며, 따라서 염료감응태양전지 모듈 구조에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
특히, 염료감응 태양전지를 대면적의 응용분야에 적용하기 위해서는 광전류를 포집할 수 있는 집전극의 사용이 필수적이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 염료감응 태양전지의 작동전극(1)은 투명 전도성 기판(2) 위에 코팅된 TiO2 광전극(3) 사이에 보호막(6)으로 둘러싸인 은 소재의 집전극 셀(4)이 라인 형태로 형성되어 있고, 상기 집전극 셀(4)은 투명 전도성 기판(2)의 일측 가장자리를 따라 코팅되어 있는 집전극 바텀부(5)로 연장되어 일체로 연결된다.
그리고, 염료감응 태양전지의 상대전극(7) 역시 투명 전도성 기판 위에 코팅된 촉매 전극 사이에 보호막으로 둘러싸인 소재의 얇은 집전극 셀이 형성되어 있고, 상기 집전극 셀은 투명 전도성 기판의 일측 가장자리를 따라 코팅되어 있는 집전극 바텀부로 연장되어 일체로 연결되어진다.
한편, 대면적의 염료감응 태양전지는 집전극을 사용함으로 인하여 충전율(fill factor, FF) 및 광전류 값이 증가하게 되지만, 집전극이 많이 사용될수록 광전극의 유효면적이 줄어들기 때문에 실효면적(aperture 면적)을 기준으로 볼 때 전체적인 효율이 감소하게 되는 문제가 있다.
구체적으로, 동일한 크기의 염료감응 태양전지 모듈의 경우 집전극의 형태에 따라 광적극의 면적이 약 50%까지 차이가 날 수 있으며, 광전극의 면적이 줄어들수록 광전류가 감소되어 광전변환 효율의 감소 원인이 될 수 있다.
첨부한 도 3은 집전극의 사용 유무에 따른 염료감응 태양전지의 광전류를 나타낸 도면이고, 아래 표 1은 집전극의 사용 유무에 따른 염료감응 태양전지의 광전류 및 충전율을 나타낸 표이다.
도 3 및 표 1에 보이듯이, 투명 전도성 기판 위에 집전극 없이 TiO2를 전면적에 코팅하여 제조한 작동전극을 채택한 염료감응 태양전지의 경우 내부저항의 증가로 인하여 충전율이 29.5%로 거의 일직선에 가깝게 나타난 반면, 투명 전도성 기판 위에 집전극을 적용하여 제조한 작동전극을 채택한 염료감응 태양전지의 경우 충전율이 53%로 증가함을 확인하였다.
Figure 112011068464554-pat00001
일반적으로 염료감응 태양전지에 집전극이 없을 경우 충전율뿐만 아니라 광전류도 감소하게 되며, 이에 염료감응 태양전지 모듈에서 광전류 및 충전율을 높이기 위해서는 광전자를 효율적으로 포집하기 위한 집전극의 설계가 중요함을 알 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 광전변환 효율을 증대하기 위하여 집전극을 사용하되 집전극 셀의 길이 및 형태 변화를 통하여 광전극의 유효면적을 증가시킬 수 있는 염료감응 태양전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 작동전극과 상대전극이 접합되어 구성되는 염료감응 태양전지에 있어서,
상기 작동전극은 투명 전도성 기판 위에 다수 열로 코팅되어 있는 광전극 셀로 이루어진 광전극과, 상기 광전극의 외각 및 광전극 셀 사이에 각기 배치되도록 상기 투명 전도성 기판 위에 코팅되는 다수의 집전극 셀과 이 집전극 셀들을 일체로 연결하는 집전극 바텀부로 이루어진 집전극을 포함하여 구성되며,
상기 집전극 셀은 모두 동일한 길이를 갖거나, 또는 최외각에 배치된 집전극 셀과 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀의 길이가 다르게 형성되어 상기 광전극의 유효면적을 증대할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지를 제공한다.
바람직하게, 상기 집전극 셀은 최외각에 배치된 집전극 셀이 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀에 비해 더 길게 형성되며, 상기 최외각에 배치된 집전극 셀은 각기 광전극의 좌우 양편에 가장자리를 따라 광전극의 모서리까지 일직선으로 연장되어 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 최외각에 배치된 집전극 셀은 광전극의 상단 테두리를 따라 길게 형성되는 집전극 상단 셀이 광전극의 모서리에서 일체로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집전극 상단 셀은 중앙부분이 단절되어 좌우 양편으로 분리된 형태로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집전극 상단 셀은 분리된 중앙부분의 단절간격(h')이 하나의 광전극 셀의 폭 길이와 동일한 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게, 상기 집전극 셀은 집전극 바텀부 측으로 근접할수록 폭이 넓어지는 사다리꼴 모양으로 형성된 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 집전극 셀은 좌우 측면부가 45 ~ 90°의 기울기를 갖는 사다리꼴 모양으로 형성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 광전극 셀은 집전극 바텀부 측으로 근접할수록 폭이 좁아지는 역사다리꼴 모양으로 형성되어 집전극 셀과 광전극 셀 간에 거리가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집전극 셀은 모서리 부분(Φ1)이 각지지 않도록 상단부가 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하며, 구체적으로 상기 집전극 셀은 그 상단부의 0 ~ 3㎜ 구간이 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광전극 셀은 각 모서리 부분이 각지지 않도록 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하며, 구체적으로 상기 광전극 셀은 각 모서리 부분을 포함한 0 ~ 3㎜ 구간이 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀은 최외각에 배치된 집전극 셀에 비하여 0.01 ~ 7.00㎜가 짧은 길이로 형성되거나, 또는 최외각에 배치된 집전극 셀에 비하여 0.01 ~ 15.00㎜가 짧은 길이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광전극 셀의 폭(d)은 5 ~ 20㎜이고, 집전극 셀의 폭(a)은 0.05 ~ 1.00㎜이며, 상기 집전극 셀과 광전극 셀 간의 간격은 0.2 ~ 0.5㎜인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집전극 셀은 가장 좁은 상단의 폭(a')이 0.01 ~ 0.90㎜로 형성되고 가장 넓은 하단의 폭(a)이 0.05 ~ 1.00㎜로 형성되며, 상기 광전극 셀의 가장 넓은 상단의 폭(d)은 5 ~ 20㎜로 형성되고 가장 좁은 하단의 폭(d')은 4.1 ~ 19.9㎜로 형성되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 광전극 셀 사이에는 집전극 셀이 전해질에 노출되는 것을 방지할 수 있는 보호막이 구성된다.
한편, 상기 상대전극은 투명 전도성 기판 위에 다수 열로 코팅되어 있는 촉매전극 셀로 이루어진 촉매전극과, 상기 촉매전극의 외각 및 촉매전극 셀 사이에 각기 배치되도록 상기 투명 전도성 기판 위에 코팅되는 다수의 집전극 셀과 이 집전극 셀들을 일체로 연결하는 집전극 바텀부로 이루어진 집전극을 포함하여 구성되며,
상기 집전극 셀은 모두 동일한 길이를 갖거나, 또는 최외각에 배치된 집전극 셀이 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀에 비해 더 길게 형성되어 상기 촉매전극의 유효면적을 증대할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 최외각에 배치된 집전극 셀은 각기 촉매전극의 좌우 양편에 가장자리를 따라 광전극의 모서리까지 일직선으로 연장되어 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 최외각에 배치된 집전극 셀은 촉매전극의 상단 테두리를 따라 길게 형성되는 집전극 상단 셀이 촉매전극의 모서리에서 일체로 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집전극 상단 셀은 중앙부분이 단절되어 좌우 양편으로 분리된 형태로 형성될 수 있으며, 분리된 중앙부분의 단절간격(h')이 하나의 광전극 셀의 폭 길이와 동일한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집전극 셀은 집전극 바텀부 측으로 근접할수록 폭이 넓어지는 사다리꼴 모양으로 형성될 수 있으며, 구체적으로 좌우 측면부가 45 ~ 90°의 기울기를 갖는 사다리꼴 모양으로 형성된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 광전극 셀은 집전극 바텀부 측으로 근접할수록 폭이 좁아지는 역사다리꼴 모양으로 형성되어 집전극 셀과 광전극 셀 간에 거리가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 집전극 셀은 모서리 부분(Φ1)이 각지지 않도록 상단부가 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하며, 상기 광전극 셀은 각 모서리 부분이 각지지 않도록 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 집전극을 갖는 염료감응 태양전지는 작동전극 및 상대전극의 투명 전도성 기판에 집전극을 코팅하여 내부저항을 줄이고 광전류 포집율을 증대시킴과 동시에, 광전극의 유효면적을 최대화할 수 있는 구조로 집전극을 형성하여 광전변환 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 종래의 염료감응 태양전지를 나타낸 도면
도 2는 일반적인 종래의 염료감응 태양전지의 작동전극을 개략적으로 나타낸 평면도
도 3은 집전극의 사용 유무에 따른 염료감응 태양전지의 단위면적당 광전류를 나타낸 도면
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 작동전극을 개략적으로 나타낸 평면도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 염료감응 태양전지의 상대전극을 개략적으로 나타낸 평면도
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하며, 각 실시예에 대한 설명에서 동일한 설명은 생략되는 것도 있다.
본 발명은 작동전극과 상대전극이 접합되어 제작 구성되는 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 특히 광전자의 효율적인 포집이 가능한 집전극을 갖는 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
본 발명은 작동전극 및 상대전극에 집전극을 적용하여 광전자의 포집성능을 높임과 동시에 광전극 및 촉매전극의 유효면적을 증대시키는데 특징이 있다.
그리고, 본 발명에서 언급되는 광전극 셀 및 집전극 셀은 각기 광전극 및 집전극의 일부분을 지칭하는 것임을 밝혀둔다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 작동전극(10)은 투명 전도성 기판(11), 이 투명 전도성 기판(11) 위에 코팅되는 광전극(12) 및 집전극(14)을 포함하여 구성된다.
도 4를 참조하면, 상기 광전극(12)은 투명 전도성 기판(11) 위에 다수 열로 나란하게 코팅되어 있는 다수의 광전극 셀(13)로 이루어지고, 상기 집전극(14)은 광전극(12)의 외각 및 광전극 셀(13) 사이에 각기 배치되도록 상기 투명 전도성 기판(11) 위에 코팅되는 다수의 집전극 셀(15,16)과 이 집전극 셀(15,16)들을 일체로 연결하는 집전극 바텀부(17)로 이루어진다.
상기 집전극 바텀부(17)는 투명 전도성 기판(11)의 일측 가장자리에 코팅되어 형성되고, 집전극 셀(15,16)과 직각을 이루게 되며 각 집전극 셀(15,16)의 일단부가 일체로 연결되어진다.
도 4와 같이 상기 집전극 셀(15,16)은 최외각(광전극의 외각)에 배치된 집전극 셀(15)에서 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀(16)까지 모두 동일한 길이로 형성될 수 있으며, 상기 집전극 바텀부(17)와 광전극(의 하단)(12) 사이에는 일정 거리가 유지된다.
또한, 광전극 셀(13) 사이에는 집전극 바텀부(17)와 연결되어 있는 하단부 측을 제외하고 집전극 셀(15,16)을 감싼 형태로 형성되는 보호막(19)이 구성되며, 이 보호막(19)은 작동전극(10)과 상대전극(20) 사이의 전해질에 집전극 셀(15,16)이 노출되는 것을 방지하여 액체 전해질로부터 집전극 셀(15,16)을 보호하고 집전극(14)이 부식되는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 보호막(19)은 글라스 프릿, 자외선 경화제, 설린 등의 소재 형성될 수 있다.
상기 광전극(12)은 주로 염료가 흡착된 TiO2 전극이 사용되고 빛을 받았을 경우 광전자를 생성하며, 상기 집전극(14)은 주로 실버 소재가 사용되고 상기 광전극(12)에서 생성된 광전류를 포집하는 역할을 한다.
또한, 유효면적(Active area)은 광전극 셀(13)의 유효면적의 합, 즉 광전극(12)의 유효면적이고, 실효면적(Aperture area)은 광전극(12)의 면적과 집전극(14) 및 보호막(19)의 면적의 합이다. 그리고, 광전극(12) 외의 면적은 집전극(14)과 보호막(19)의 면적 및 이 보호막(19)과 광전극 셀(13) 사이의 간격을 합한 면적으로, 데드 스페이스(dead space)에 해당하며, 염료감응 태양전지 모듈의 설계시 최소화함에 의해 광전변환 효율 향상에 기여할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 집전극 셀(15,16)은 최외각에 배치된 집전극 셀(15)과 그 내부(혹은 광전극 셀 사이)에 배치된 집전극 셀(16)의 길이가 다르게 형성될 수 있으며, 바람직하게는 최외각에 배치된 집전극 셀(15)이 그 내부에 배치된 집전극 셀(16)에 비해 길이가 더 길게 형성될 수 있다.
그리고, 상기 최외각에 배치된 집전극 셀(15)은 광전극(12)의 외각 가장자리를 따라 (집전극 바텀부에서 멀리 떨어진) 광전극(12)의 모서리까지 일직선으로 연장되도록 형성될 수 있으며, 이에 상기 집전극 셀(15)은 그 길이가 광전극 셀(13)의 길이와 거의 동일하게 되고 광전극(12) 내부에 배치된 집전극 셀(16)은 그 길이가 최외각에 배치된 집전극 셀(15) 및 광전극 셀(13)보다 짧아 광전극(12)의 상단 테두리까지 도달하지 못한다.
이에 따라 투명 전도성 기판(11)의 일측에서 광전극 셀(13)들이 일체로 연결되어지며, 이에 내부저항이 감소되고 광전극(12)의 전체 유효면적이 증대되는 효과를 얻을 수 있게 된다.
또한, 충전효율을 높이기 위하여, 상기 집전극 셀(15,16)은 상단부(집전극 바텀부의 맞은편 부분)의 모서리 부분(Φ1)이 각지지 않도록 상단부가 라운드 형상으로 형성됨이 바람직하며, 모서리 부분을 포함한 상단부의 0 ~ 3㎜의 구간이 라운드 형상으로 형성됨이 가능하다.
상기 광전극(12) 혹은 광전극 셀(13)도 각 모서리 부분이 각지지 않도록 라운드 형상으로 형성됨이 바람직하며, 각 모서리 부분을 포함한 0 ~ 3㎜의 구간이 라운드 형상으로 형성됨이 가능하다.
그리고, 상기 집전극 셀(15,16)은 집전극 바텀부(17)와 연결되는 하단의 모서리 부분(Φ2)이 각지지 않도록 대략 삼각 형상으로 확장 형성되는 것이 바람직하며, 0 ~ 3㎜ 구간으로 적용됨이 가능하다.
도 4와 같은 구조로 작동전극(10)을 제조할 시, 염료감응 태양전지의 효율을 증대하기 위하여, 각 광전극 셀(13)의 폭(d)은 5 ~ 20㎜로 형성하고, 광전극 셀(13) 사이에 배치된 집전극 셀(16)의 길이는 최외각에 배치된 집전극 셀(15)에 비하여 0.01 ~ 7.00㎜가 짧은 길이로 형성할 수 있으며, 집전극 셀(15,16)의 폭(a)은 0.05 ~ 1.00㎜로 형성하고, 보호막(19)의 상단과 집전극 셀(15,16)의 상단 사이에 거리(e)는 0.01 ~ 2.00㎜, 보호막(19)의 폭(b)은 a+2*e의 길이로 형성할 수 있다. 그리고, 집전극 셀(15,16)과 광전극 셀(13) 간의 간격은 0.2 ~ 0.5㎜이며, 광전극 셀(13)의 길이는 광전극의 유효면적에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기 사이즈는 바람직한 예로서 설명한 것으로, 본 발명이 이에 의해 한정되는 것은 아니며, 태양전지 모듈의 충전율 손실을 최소화하면서 광전극의 유효면적을 최대화할 수 있는 구조이면 모두 적용 가능하다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 집전극(14)은 최외각에 배치된 양측의 집전극 셀(15)이 서로 연결된 형태로 구성됨이 가능하다.
즉, 최외각의 집전극 셀(15)은 각기 도 5와 같이 광전극(12)의 좌우 양측 가장자리를 따라 (집전극 바텀부에서 멀리 떨어진) 광전극(12)의 모서리까지 일직선으로 형성되고 상기 모서리 부분에서 직각으로 절곡되어 연장됨으로써 서로 연결된 일체형으로 형성될 수 있다.
다시 말해, 상기 최외각의 집전극 셀(15)은 각기 광전극(12)의 좌우 양측 테두리를 따라 일직선 형태로 연장되고 광전극(12)의 모서리 부분에서 절곡되어 광전극(12)의 상단 테두리를 따라 연장되는 대략 П 형태로 일체화되어 형성될 수 있다.
도 5와 같은 구조로 작동전극(10)을 제조할 시, 염료감응 태양전지의 효율 증대를 위하여, 각 광전극 셀(13)의 폭(d)은 5 ~ 20㎜로 형성하고, 광전극 셀(13) 사이에 배치된 집전극 셀(16)의 길이는 최외각에 배치된 집전극 셀(15)에 비하여 0.01 ~ 15.00㎜ 짧은 길이로 형성할 수 있으며, 집전극 셀(15,16)의 폭(a)은 0.05 ~ 1.00㎜로 형성하고, 보호막(19)의 상단과 집전극 셀(15,16)의 상단 사이에 거리(e)는 0.01 ~ 2.00㎜, 보호막(19)의 폭(b)은 a+2*e의 길이로 형성할 수 있다.
광전극(12) 내측에 집전극 셀(16)을 최외각의 집전극 셀(15)에 비하여 0.01 ~ 15.00㎜ 짧은 길이로 형성하여 광전극(12)의 유효면적을 증대하고자 하는 경우, 도 5와 같이 최외각의 집전극 셀(15)을 광전극(12)의 상단 테두리까지 연장하여 광전변환 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 상기 최외각의 집전극 셀(15)에서 연장되어 광전극(12)의 상단 테두리에 길게 형성되는 집전극 셀을 집전극 상단 셀(18)이라고 한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 집전극 상단 셀(18)은 중앙부분이 단절된 형태로 형성될 수 있고, 좌우 양편으로 분리된 집전극 상단 셀(18)의 단절간격(h')은 하나의 광전극 셀(13)의 폭 길이와 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 집전극 셀(15,16)은 집전극 바텀부(17) 측에 근접할수록 폭이 넓어지는 사다리꼴 모양으로 형성될 수 있다.
집전극(14)은 집전극 바텀부(17) 쪽으로 갈수록 포집할 수 있는 광전류 양이 증가하게 되므로, 집전극 바텀부(17)에 근접할수록 폭이 넓어지는 사다리꼴 모양을 집전극 셀(15,16)에 적용하여 광전류 포집 효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 집전극 셀(15,16)은 좌우 측면부(광전극 셀과 마주하는 좌우 측면부임)가 45 ~ 90°의 기울기를 갖는 사다리꼴 모양으로 형성됨이 바람직하다.
또한, 상기 집전극 셀(15,16)의 형상에 따라 광전극 셀(13)도 사다리꼴 모양으로 형성하여 집전극 셀(15,16)과 광전극 셀(13) 간에 거리를 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.
이를 위하여, 상기 광전극 셀(13)은 집전극 바텀부(17) 측으로 근접할수록 폭이 좁아지는 역사다리꼴 모양으로 형성되며, 이에 집전극 셀(15,16)과 광전극 셀(13) 간에 거리가 일정하게 유지된다.
다시 말해, 상기 광전극 셀(13)은 집전극 바텀부(17)에 근접한 하단에서 이격된 상단으로 갈수록 폭이 넓어지는 역사다리꼴 모양으로 형성될 수 있으며, 이때 집전극 셀(15,16)은 최외각 및 그 내측의 집전극 셀(15,16) 모두 동일한 길이로 형성되거나, 또는 앞서 설명한 실시예에서와 같이 최외각의 집전극 셀(15)과 내측의 집전극 셀(16)이 서로 다른 길이로 형성될 수 있다.
도 7과 같은 형태로 작동전극을 제조할 시, 염료감응 태양전지의 효율 증대를 위하여, 상기 집전극 셀(15,16)은 가장 좁은 상단의 폭(a')이 0.01 ~ 0.90㎜로 형성되고 가장 넓은 하단의 폭(a)이 0.05 ~ 1.00㎜로 형성될 수 있으며, 광전극 셀(13)의 가장 넓은 상단의 폭(d)은 5 ~ 20㎜로 형성되고 가장 좁은 하단의 폭(d')은 4.1 ~ 19.9㎜로 형성될 수 있다. 그리고, 집전극 셀(15,16)을 보호하는 보호막(19)은 집전극 셀(15,16)보다 넓은 0.01 ~ 2.00㎜의 폭을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 상기 작동전극(10)과 접합되어 염료감응 태양전지 모듈을 구성하게 되는 상대전극(20)은, 작동전극(10)과 동일한 집전극 구조를 갖도록 형성되며, 작동전극(10)의 광전극(12)을 상대전극(20)의 촉매전극(22)으로 대치함으로써 그 구조를 설명할 수 있다.
도 8을 참조하면, 상기 상대전극(20)은 투명 전도성 기판(21), 이 투명 전도성 기판(21) 위에 코팅되는 촉매전극(22) 및 집전극(24)을 포함하여 구성된다.
상기 촉매전극(22)은 투명 전도성 기판(21) 위에 다수 열로 나란하게 코팅되어 있는 촉매전극 셀(23)로 이루어지고, 상기 집전극(24)은 촉매전극(22)의 외각 및 촉매전극 셀(23) 사이에 각기 배치되도록 상기 투명 전도성 기판(21) 위에 코팅되는 다수의 집전극 셀(25,26)과 이 집전극 셀(25,26)들을 일체로 연결하는 집전극 바텀부(27)로 이루어진다.
상기 집전극 바텀부(27)는 투명 전도성 기판(21)의 일측 가장자리에 코팅되어 형성되고, 집전극 셀(25,26)과 직각을 이루게 되며 각 집전극 셀(25,26)의 일단부가 일체로 연결되어진다.
상기 집전극 셀(25,26)은 모두 동일한 길이를 갖거나, 또는 상기 촉매전극(22)의 최외각에 배치된 집전극 셀(25)과 그 내부(혹은 촉매전극의 셀 사이)에 배치된 집전극 셀(26)의 길이가 다르게 형성되어 상기 촉매전극(22)의 유효면적을 증대할 수 있도록 구성된다.
바람직하게는, 최외각에 배치된 집전극 셀(25)이 촉매전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀(26)에 비해 길이가 더 길게 형성될 수 있다.
또한, 상기 집전극 셀(25,26)은 최외각에 배치된 좌우 양편의 집전극 셀(25)이 서로 연결된 형태로 구성될 수 있으며, 도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 최외각의 집전극 셀(25)에서 연장되어 광전극(22)의 상단 테두리에 형성되는 집전극 상단 셀은 중간이 단절된 형태로 형성될 수 있다.
또한 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 집전극 셀(25,26)은 집전극 바텀부(27) 측으로 갈수록 폭이 좁아지는 사다리꼴 모양으로 형성될 수 있다.
상기 집전극 셀(25,26)의 형상에 따라 촉매전극 셀(23)도 사다리꼴 모양으로 형성하여 집전극 셀(25,26)와 촉매전극 셀(23) 간에 거리를 일정하게 유지할 수 있도록 구성되며, 상대전극(20)과 작동전극(10)의 접합시 각각의 집전극 바텀부(17,27)가 서로 맞은편에 배치되도록 접합되므로, 상기 촉매전극 셀(23)은 집전극 바텀부(27)와 근접한 상단에서 이격된 하단으로 갈수록 폭이 좁아지는 역사다리꼴 모양으로 형성된다.
이때, 집전극 셀(25,26)은 최외각 및 내측의 집전극 셀(25,26) 모두 동일한 길이로 형성되거나, 또는 최외각의 집전극 셀(25)과 촉매전극 셀(23) 사이의 집전극 셀(26)이 서로 다른 길이로 형성될 수도 있다.
상기의 실시예들은 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
아울러, 상기와 같은 집전극 및 광전극 또는 촉매전극 구조는 평면형 및 곡면형 염료감응 태양전지 모듈 제작시에 모두 적용될 수 있다.
한편, 동일한 면적의 염료감응 태양전지 모듈(실효면적 100㎠) a,b,c에 각기 다른 구조의 실버 집전극을 형성하여 광전변환 효율 특성을 측정하였다.
그 결과, a,b,c 모듈은 광전극 유효면적이 각기 52, 87.8, 91㎠로서 집전극 구조에 따라 광전극의 유효면적이 크게 달라짐을 확인할 수 있었다.
그리고, 광전극의 유효면적을 증가시켜줌에 따라 충전율 및 광전압은 유사하게 측정되었으나, 실효면적 대비 광전변환 효율은 아래 표 2와 같이 증가함을 확인하였다.
Figure 112011068464554-pat00002
참고로, 염료감응 태양전지에서 사용하는 효율은 실효면적을 기준으로 한다.
또한, 최외각의 집전극 셀과 그 내측에 배치되는 집전극 셀의 길이를 서로 다르게 형성한 경우 각각의 광전극 유효면적을 측정하였으며(실효면적 100㎠ 기준), 그 결과 아래 표 3과 같이 집전극 셀의 길이를 모두 동일하게 적용한 경우(종래 기술에 해당함)에 비해 집전극 셀의 길이를 다르게 적용한 경우(본 발명에 해당함)의 광전극 유효면적이 증가되었음을 확인하였다.
Figure 112011068464554-pat00003
10 : 작동전극
11 : 투명 전도성 기판
12 : 광전극
13 : 광전극 셀
14 : 집전극
15 : 최외각에 배치된 집전극 셀
16 : 광전극 셀 사이(내측)에 배치된 집전극 셀
17 : 집전극 바텀부
18 : 집전극 상단 셀
19 : 보호막
20 : 상대전극
21 : 투명 전도성 기판
22 : 촉매전극
23 : 촉매전극 셀
24 : 집전극
25 : 최외각에 배치된 집전극 셀
26 : 촉매전극 셀 사이(내측)에 배치된 집전극 셀
27 : 집전극 바텀부
29 : 보호막

Claims (30)

  1. 작동전극과 상대전극이 접합되어 구성되는 염료감응 태양전지에 있어서,
    상기 작동전극은 투명 전도성 기판 위에 다수 열로 코팅되어 있는 광전극 셀로 이루어진 광전극과, 상기 광전극의 외각 및 광전극 셀 사이에 각기 배치되도록 상기 투명 전도성 기판 위에 코팅되는 다수의 집전극 셀과 이 집전극 셀들을 일체로 연결하는 집전극 바텀부로 이루어진 집전극을 포함하여 구성되며,
    상기 집전극 셀은 최외각에 배치된 집전극 셀과 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀의 길이가 다르게 형성되어 상기 광전극의 유효면적을 증대할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전극 셀은 최외각에 배치된 집전극 셀이 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀에 비해 더 길게 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 최외각에 배치된 집전극 셀은 각기 광전극의 좌우 양편에 가장자리를 따라 광전극의 모서리까지 일직선으로 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 최외각에 배치된 집전극 셀은 광전극의 상단 테두리를 따라 길게 형성되는 집전극 상단 셀이 광전극의 모서리에서 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 집전극 상단 셀은 중앙부분이 단절되어 좌우 양편으로 분리된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 집전극 상단 셀은 분리된 중앙부분의 단절간격(h')이 하나의 광전극 셀의 폭 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전극 셀은 집전극 바텀부 측으로 근접할수록 폭이 넓어지는 사다리꼴 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전극 셀은 좌우 측면부가 45 ~ 90°의 기울기를 갖는 사다리꼴 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 광전극 셀은 집전극 바텀부 측으로 근접할수록 폭이 좁아지는 역사다리꼴 모양으로 형성되어 집전극 셀과 광전극 셀 간에 거리가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전극 셀은 모서리 부분(Φ1)이 각지지 않도록 상단부가 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  11. 청구항 1 또는 10에 있어서,
    상기 집전극 셀은 그 상단부의 0 ~ 3㎜ 구간이 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 광전극 셀은 각 모서리 부분이 각지지 않도록 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  13. 청구항 1 또는 12에 있어서,
    상기 광전극 셀은 각 모서리 부분을 포함한 0 ~ 3㎜ 구간이 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀은 최외각에 배치된 집전극 셀에 비하여 0.01 ~ 7.00㎜가 짧은 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀은 최외각에 배치된 집전극 셀에 비하여 0.01 ~ 15.00㎜가 짧은 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  16. 청구항 1 또는 14에 있어서,
    상기 광전극 셀의 폭(d)은 5 ~ 20㎜이고, 집전극 셀의 폭(a)은 0.05 ~ 1.00㎜이며, 상기 집전극 셀과 광전극 셀 간의 간격은 0.2 ~ 0.5㎜인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  17. 청구항 1 또는 7 내지 9에 있어서,
    상기 집전극 셀은 가장 좁은 상단의 폭(a')이 0.01 ~ 0.90㎜로 형성되고 가장 넓은 하단의 폭(a)이 0.05 ~ 1.00㎜로 형성되며, 상기 광전극 셀의 가장 넓은 상단의 폭(d)은 5 ~ 20㎜로 형성되고 가장 좁은 하단의 폭(d')은 4.1 ~ 19.9㎜로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 광전극 셀 사이에는 집전극 셀이 전해질에 노출되는 것을 방지할 수 있는 보호막이 구성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  19. 청구항 1에 있어서,
    상기 상대전극은 투명 전도성 기판 위에 다수 열로 코팅되어 있는 촉매전극 셀로 이루어진 촉매전극과, 상기 촉매전극의 외각 및 촉매전극 셀 사이에 각기 배치되도록 상기 투명 전도성 기판 위에 코팅되는 다수의 집전극 셀과 이 집전극 셀들을 일체로 연결하는 집전극 바텀부로 이루어진 집전극을 포함하여 구성되며,
    상기 집전극 셀은 최외각에 배치된 집전극 셀이 광전극 셀 사이에 배치된 집전극 셀에 비해 더 길게 형성되어 상기 촉매전극의 유효면적을 증대할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 최외각에 배치된 집전극 셀은 각기 촉매전극의 좌우 양편에 가장자리를 따라 광전극의 모서리까지 일직선으로 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  21. 청구항 19에 있어서,
    상기 최외각에 배치된 집전극 셀은 촉매전극의 상단 테두리를 따라 길게 형성되는 집전극 상단 셀이 촉매전극의 모서리에서 일체로 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 집전극 상단 셀은 중앙부분이 단절되어 좌우 양편으로 분리된 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  23. 청구항 21에 있어서,
    상기 집전극 상단 셀은 분리된 중앙부분의 단절간격(h')이 하나의 광전극 셀의 폭 길이와 동일한 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  24. 청구항 19에 있어서,
    상기 집전극 셀은 집전극 바텀부 측으로 근접할수록 폭이 넓어지는 사다리꼴 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  25. 청구항 19에 있어서,
    상기 집전극 셀은 좌우 측면부가 45 ~ 90°의 기울기를 갖는 사다리꼴 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  26. 청구항 19에 있어서,
    상기 광전극 셀은 집전극 바텀부 측으로 근접할수록 폭이 좁아지는 역사다리꼴 모양으로 형성되어 집전극 셀과 광전극 셀 간에 거리가 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  27. 청구항 19에 있어서,
    상기 집전극 셀은 모서리 부분(Φ1)이 각지지 않도록 상단부가 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  28. 청구항 19에 있어서,
    상기 광전극 셀은 각 모서리 부분이 각지지 않도록 라운드 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  29. 작동전극과 상대전극이 접합되어 구성되는 염료감응 태양전지에 있어서,
    상기 작동전극은 투명 전도성 기판 위에 다수 열로 코팅되어 있는 광전극 셀로 이루어진 광전극과, 상기 광전극의 외각 및 광전극 셀 사이에 각기 배치되도록 상기 투명 전도성 기판 위에 코팅되는 다수의 집전극 셀과 이 집전극 셀들을 일체로 연결하는 집전극 바텀부로 이루어진 집전극을 포함하여 구성되며,
    상기 집전극 셀은 모두 동일한 길이를 갖도록 형성되어 상기 광전극의 유효면적을 증대할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  30. 작동전극과 상대전극이 접합되어 구성되는 연료감응 태양전지에 있어서,
    상기 상대전극은 투명 전도성 기판 위에 다수 열로 코팅되어 있는 촉매전극 셀로 이루어진 촉매전극과, 상기 촉매전극의 외각 및 촉매전극 셀 사이에 각기 배치되도록 상기 투명 전도성 기판 위에 코팅되는 다수의 집전극 셀과 이 집전극 셀들을 일체로 연결하는 집전극 바텀부로 이루어진 집전극을 포함하여 구성되며,
    상기 집전극 셀은 모두 동일한 길이를 갖도록 형성되어 상기 촉매전극의 유효면적을 증대할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.


KR1020110088558A 2011-09-01 2011-09-01 집전극을 갖는 염료감응 태양전지 KR101241015B1 (ko)

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US13/295,310 US8907208B2 (en) 2011-09-01 2011-11-14 Dye-sensitized solar cell including a collector
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