KR101281216B1 - 유연성 기판을 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

유연한 기판을 구비하고, 추가적인 접착 물질 없이 상, 하부 기판이 실링된 염료감응 태양전지 및 그 제조방법 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 서로 대향되되, 금속 또는 고분자 중 선택되는 재질로 형성되는 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판 상의 일 영역에 배치된 반도체 산화물 전극; 상기 제2 기판 상에 상기 반도체 산화물 전극과 마주하여 대응 배치된 촉매금속층; 및 상기 반도체 산화물 전극과 상기 촉매금속층 사이에 개재된 전해질층을 포함하며, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 가장자리를 따라 실링재 없이 서로 접합되어 실링된 것을 특징으로 한다.

Description

유연성 기판을 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조방법{DYE-SENSITIZED SOLAR CELL USING FLEXIBLE SUBSTRATE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자 기판과 같은 유연성 기판을 이용한 염료감응 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
1991년 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPEL)의 마이클 그라첼(Michael Grazel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지가 개발된 이후 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 이 염료감응 태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.
일반적으로, 염료감응 태양전지는 서로 대향되는 두 유리기판 사이에 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료가 흡착된 다공성의 전이금속 산화물층과, 상기 전이금속 산화물층과 대향되는 촉매박막전극, 및 이들 사이에 개재된 전해질로 이루어져 있다.
이상의 염료감응 태양전지의 구성요소 중 유리기판은 표면에 도전성 투명전극이 코팅되어 있다. 이 도전성 투명전극으로는 주로 불소가 도핑된 산화주석(fluorine doped tin oxide; FTO)이 사용되고 있는데, 이는 FTO가 전해질과의 반응성이 가장 낮아 장시간의 사용에도 안정하기 때문이다. 그러나 FTO가 코팅된 유리기판은 강성(rigid)의 특성으로 인해 유연한(flexible) 염료감응형 태양전지의 도입을 어렵게 하고 있다.
또한, 종래의 염료감응 태양전지 모듈은 고온(예, 120℃)에서 썰린(Surlyn)과 같은 열경화성 접착 필름의 열압착 공정을 통해 상, 하부 기판을 접합시켰다. 이 경우, 열압착 공정 중 염료가 손상되는 현상을 발생시키고, 접착 필름의 낮은 고온 안정성으로 인해 태양전지의 수명을 크게 떨어뜨리는 문제가 있었다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 등록특허 제10-0786334호(2007.12.17. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 FTO 박막을 증착시킨 유리기판과 접착 필름을 이용한 봉지방법에 대하여 개시하고 있을 뿐, 태양전지 기판에 유연성을 도입하고 추가적인 접착 물질의 필요 없이 상, 하부 기판의 접합에 의한 봉지를 통해 태양전지의 장기적인 내구성 문제를 해결하고자 하는 기술에 대하여 개시하는 바가 없다.
본 발명의 목적은 유연한(flexible) 기판을 구비하고, 추가적인 접착 물질의 필요 없이 상, 하부 기판이 접합되어 실링된 염료감응 태양전지를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 기판에 유연성을 도입함과 동시에 추가적인 접착 물질의 필요 없이 상, 하부 기판의 실링이 가능한 염료감응 태양전지의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지는, 서로 대향되되, 금속 또는 고분자 중 선택되는 재질로 형성되는 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판 상의 일 영역에 배치된 반도체 산화물 전극; 상기 제2 기판 상에 상기 반도체 산화물 전극과 마주하여 대응 배치된 촉매금속층; 및 상기 반도체 산화물 전극과 상기 촉매금속층 사이에 개재된 전해질층을 포함하며, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 가장자리를 따라 실링재 없이 서로 접합되어 실링된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지는 금속 또는 고분자 중 선택되는 재질로 형성되는 상, 하부 기판 사이의 가장자리에서 접착 물질의 사용 없이 이들 두 기판이 접합됨으로써, 태양전지 기판에 유연성을 도입함과 동시에 온도 안정성 확보를 통해 태양전지의 장기적인 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법은 금속 또는 고분자 중 선택되는 재질로 형성되는 상, 하부 기판의 가장자리를 따라 에너지를 가하여 이들 두 기판의 접합을 통한 실링(sealing)을 실시함으로써, 태양전지 기판에 유연성을 도입함과 동시에 접착 물질의 생략 및 저온의 실링 공정을 통한 온도 안정성 확보를 통해 태양전지의 장기적인 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실링 방법을 이용한 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실링 방법을 이용한 도 1의 제조방법을 도시한 공정별 단면도들이다.
도 6은 초음파 융착기를 이용하여 도 5c의 실링 공정을 실시하는 과정을 도시한 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실링 방법을 이용한 도 2의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 실링 방법을 이용한 도 3의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응 태양전지에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 염료감응 태양전지(100A)는, 서로 대향되되, 금속 또는 고분자 중 선택되는 재질로 형성되는 제1 기판(110) 및 제2 기판(120), 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120) 사이에서 상기 제1 기판(110) 상의 일 영역에 배치된 반도체 산화물 전극(130), 상기 반도체 산화물 전극(130)과 대응되어 상기 제2 기판(120) 상에 배치된 촉매금속층(150) 및 상기 반도체 산화물 전극(130)과 상기 촉매금속층(150) 사이에 개재된 전해질층(electrolyte layer, 170)을 포함하며, 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)은 가장자리를 따라 실링재 없이 서로 접합된다.
상기 제1 및 제2 기판(110, 120)은 금속 또는 고분자 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)은 금속 기판 또는 고분자 필름 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 금속 기판은 스테인리스강(stainless steel; SUS), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 및 니켈(Ni) 중 1종 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 고분자 필름은 적어도 상기 반도체 산화물 전극(130) 또는 촉매금속층(150)과 접촉하는 면에 제1 전도층(미도시) 또는 제2 전도층(미도시)을 포함하여 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 고분자 필름은 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylene naphthalate; PEN), 폴레에틸렌테레프탈레이트(polyethylene terephthalate; PET), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에테르술폰(polyethersulphone; PES), 및 폴리이미드(Polyimide; PI) 중에서 1종 이상을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 제1 또는 제2 전도층 중 적어도 하나는 투명한 전도성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 또는 제2 전도층은 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO)으로 형성될 수 있다.
따라서, 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)은 전도성 기판으로서, 상기 제1 또는 제2 기판(110, 120)은 제1 전극 또는 제2 전극 중 어느 하나로 사용될 수 있다.
여기서, 상기 제1 또는 제2 기판(110, 120) 중 적어도 하나는 태양광을 수광할 수 있도록 투명성을 가지는 투명 기판일 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)은 연성의 특성을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 염료감응 태양전지(100A)는 유연한(flexible) 특성을 가질 수 있다. 즉, 제품의 외형을 변형시킬 수 있는 외력(external force) 하에서도, 상기 염료감응 태양전지(100A)는 실질적인 기능 상실 또는 제품 파손 없이 정상적으로 동작할 수 있다. 상기 염료감응 태양전지(100A)가 유연한 특성을 가질 때, 예를 들어, 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)은 수 마이크로 미터 내지 수 밀리 미터의 두께로 형성될 수 있으며, 더 구체적인 두께는 해당 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다.
상기 반도체 산화물 전극(130)은 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120) 사이에서 상기 제1 기판(110)의 끝단으로부터 내부로 일정간격 이격되어 상기 제1 기판(110) 상에 형성될 수 있다.
상기 반도체 산화물 전극(130)은 작동 전극(working electrode)으로서, 다공성(porous)의 반도체 산화물층(132) 및 상기 반도체 산화물층(132)의 표면에 흡착되는 염료(134)를 포함할 수 있다. 이로써, 상기 염료(134)와 상기 반도체 산화물층(132) 간의 전자 전이를 할 수 있게 된다.
상기 반도체 산화물층(132)은 전이 금속 산화물을 포함하는 금속 산화물들 중 적어도 하나의 산화물 반도체 입자들로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 전이 금속 산화물은 이산화티탄(TiO2), 이산화주석(SnO2), 이산화지르코늄(ZrO2), 이산화규소(SiO2), 산화마그네슘(MgO), 오산화니오븀(Nb2O5) 및 산화아연(ZnO) 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상일 수 있다.
상기 반도체 산화물층(132)은 광 효율 향상을 위하여 아나타제형의 이산화티탄(TiO2)으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 반도체 산화물층(132)의 형성 물질은 상술한 물질들에 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 반도체 산화물층(132)은, 예를 들어, 평균 입경 5 내지 30nm인 나노(nano)급 사이즈의 입자 크기를 가지는 산화물 반도체 입자들로 형성될 수 있다.
상기 염료(134)는 상기 반도체 산화물층(132)에 흡착되어 태양광에 의해 여기 전자를 생성할 수 있는 염료 분자들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 염료(134)는 금속 복합체로 형성될 수 있으며, 이 경우, Ruthenium 535-bisTBA(N719) 또는 Ruthenium 620-1H3TBA(Black dye) 등의 루테늄 착체와 같은 염료 분자들로 이루어질 수 있다. 이와는 다르게, 상기 염료(134)는 유기 염료(organic dye), 양자점(quantum-dot) 또는 자연 염료(natural dye) 중 적어도 하나의 염료 분자들로 이루어질 수 있다. 상기 염료(134)는 태양광에 의해 여기 전자를 생성할 수 있는 염료 분자들이라면 특별히 이에 한정되지 않는다.
상기 제1 기판(110) 및 상기 반도체 산화물 전극(130)을 포함하는 반도체 전극(140)이 완성될 수 있다.
상기 촉매금속층(150)은 촉매 전극으로서 상기 반도체 산화물 전극(130)과 대향되어 배치된다. 상기 촉매금속층(150)은 상기 제2 기판(120)의 끝단으로부터 내부로 일정간격 이격되어 상기 반도체 산화물 전극(130)과 대응되도록 상기 제2 기판(120) 상에 형성될 수 있다.
상기 촉매금속층(150)은 전해질의 환원 과정에 참여할 수 있도록 상기 전해질층(180)과 접촉된다. 상기 전해질층(180)이 요오드계 산화환원 전해질(redox iodide electrolyte)을 포함한다면, 상기 촉매금속층(150)은 백금(Pt) 또는 카본 계로 형성될 수 있다.
이로써, 상기 제2 기판(120) 및 상기 촉매금속층(150)을 포함하는 상대전극(counter electrode, 160)이 완성될 수 있다. 상기 상대전극(160)은 양극 역할을 한다.
상기 촉매금속층(150)의 외곽에 대응되는 상기 제2 기판(120)의 적어도 일 영역에는 상기 전해질층(170) 형성 시 주입구로 사용되는 적어도 하나의 전해질 주입구(미도시)가 형성될 수 있다.
상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(110, 120)은 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)의 가장자리를 따라 서로 접합되어 실링(sealing)된다. 이 경우, 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 가장자리에서 상기 제1 기판(110)의 저면과 상기 제1 기판(110)의 저면과 마주보는 상기 제2 기판(120)의 상면이 서로 맞닿는 영역이 실링부로 형성된다. 상기 실링부는 상기 제1 기판(110)을 상기 제2 기판(120)에 고정시키는 접착력을 가진다.
상기 실링부는 상기 반도체 산화물 전극(130)을 둘러싸는 폐루프(closed loop) 형상으로 형성될 수 있다. 상기 실링부에 의해 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120) 사이에 공간이 구획된다.
상기 실링부는 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 양 끝단까지 형성되는 것으로 도시되었으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 말단이 서로 이격되어 형성될 수도 있다.
상기 전해질층(170)은 상기 실링부에 의해 구획된 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120) 사이의 공간에 개재될 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층(170)은 상기 반도체 산화물 전극(130)과 상기 촉매금속층(150) 사이의 공간에서 액체, 준고체 또는 고체 상태의 전해질로 채워질 수 있다.
예를 들어, 상기 전해질층(170)은 요오드계 산화환원 전해질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질층(170)은 0.6M의 3-프로필-1,2-디메틸 이미다졸륨 아이오다이드(3-propyl-1,2-dimethyl imidazolium iodide; DMPImI), 0.1M의 요오드화리튬(LiI) 및 40mM의 I2(Iodine)를 아세토니트릴(acetonitrile) 용액에 용해시킨 I3 -/I-의 전해액일 수 있다. 상기 전해질층(170)은 상기 염료(134)에 산화-환원반응에 의해 전자를 공급할 수 있는 범위 내에서 다양한 전해질 용액을 이용할 수 있음은 물론이다.
상기 전해질층(170)은 상기 제2 기판(120)의 적어도 일 영역에 제공된 적어도 하나의 상기 전해질 주입구를 통해 상기 반도체 산화물 전극(130)과 상기 촉매금속층(150) 사이에 충진될 수 있다.
도시하지는 않았으나, 상기 염료감응 태양전지(100A)는 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120) 각각에 접속된 외부 회로를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 구조를 갖는 상기 염료감응 태양전지(100A) 내로 상기 제1 기판(110)을 통과하여 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 상기 반도체 산화물 전극(130)의 염료(134)에 흡수되고, 이에 따라 염료(134)는 기저상태(ground state)에서 여기상태(excited state)로 전자전이하여 전자-홀 쌍(electron-hole pair)을 만든다. 여기상태의 전자는 상기 반도체 산화물층(132)에서 반도체 나노입자 계면의 전도띠(conduction band)로 주입되고, 주입된 전자는 계면을 통해 상기 제1 기판(110)으로 전달되며, 이후 외부 회로를 통해 상기 제2 기판(120)으로 이동한다.
한편, 전자전이 결과로 산화된 염료(134)는 상기 전해질층(170) 내의 산화 ·환원 커플의 이온에 의해 전자를 받아 다시 환원되고, 산화된 상기 이온은 전하중성(charge neutrality)을 이루기 위해 상기 제2 기판(120)의 계면에 도달한 전자와 환원 반응을 함으로써 상기 염료감응 태양전지(100A)가 작동하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 상기 염료감응 태양전지(100A)는 금속 또는 고분자 중 어느 하나를 포함하는 상기 제1 및 상기 제2 기판(110, 120)을 통해 태양전지 기판에 유연성을 도입할 수 있다. 또한, 실링재 없이 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 가장자리가 서로 접합됨으로써 낮은 고온 안정성을 가지는 접착 물질을 생략하여 태양전지의 장기적인 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 염료감응 태양전지를 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 및 제3 실시예들에 따른 염료감응 태양전지들(100B, 100C)은, 서로 대향되되, 금속 또는 고분자 중 선택되는 재질로 형성되는 제1 기판(110) 및 제2 기판(120), 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120) 사이에서 상기 제1 기판(110) 상의 일 영역에 배치된 반도체 산화물 전극(130), 상기 반도체 산화물 전극(130)과 대응되어 상기 제2 기판(120) 상에 배치된 촉매금속층(150) 및 상기 반도체 산화물 전극(130)과 상기 촉매금속층(150) 사이에 개재된 전해질층(170)을 포함하며, 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)은 가장자리를 따라 실링재 없이 서로 접합된다.
바람직하게, 상기 제1 기판(110)은 금속으로 형성될 수 있고, 상기 제2 기판(120)은 고분자로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 기판(110)은 금속 기판으로 형성될 수 있고, 상기 제2 기판(120)은 고분자 필름으로 형성될 수 있다.
이를 제외한 나머지 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)과, 상기 제2 기판(120), 상기 반도체 산화물 전극(130), 상기 촉매금속층(150) 및 상기 전해질층(170)의 형성 물질은 본 발명의 제1 실시예와 동일할 수 있으므로 이에 대한 설명은 생략하며, 이하에서는 차이점에 대해서만 설명하기로 한다.
구체적으로, 도 2를 참조하면, 상기 제2 기판(120)은 상기 제1 기판(110)과 대향되는 수평부(120a), 가장자리에서 상기 수평부(120a)의 상면으로부터 상기 제1 기판(110)의 상면까지 연장된 수직부(120b), 및 상기 수직부(120b)로부터 연장되어 상기 제1 기판(110)의 가장자리를 덮는 곡면돌출부(120c)를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 제1 기판(110) 가장자리의 상면과 상기 곡면돌출부(120c)의 수평면이 서로 접합되어 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)이 실링(sealing)된다. 이 경우, 상기 제1 기판(110)의 상면과 상기 제2 기판(120)의 상기 곡면돌출부(120c)의 수평면이 서로 맞닿는 영역이 실링부로 형성된다. 상기 실링부는 상기 제1 기판(110)을 상기 제2 기판(120)에 고정시키는 접착력을 가진다.
이때, 상기 곡면돌출부(120c)의 노출면은 반반원 형상을 포함하여 형성될 수 있다.
상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 실링에 의해 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120) 사이에 상기 전해질층(170)이 충진될 수 있는 공간이 구획된다.
이와는 다르게, 도 3을 참조하면, 상기 제1 기판(110)은 가장자리를 따라 배치된 홀(112)을 포함하여 형성될 수 있다. 상기 홀(112)은 폐루프(closed loop) 형상일 수 있다. 상기 홀(112)은 상기 반도체 산화물 전극(130)의 외곽에 제공된다.
상기 제2 기판(120)은 상기 제1 기판(110)과 대향되는 수평부(120a), 일 가장자리 영역에서 상기 수평부(120a)의 상면으로부터 상기 제1 기판(110)의 상기 홀(112)을 관통하여 상기 제1 기판(110)의 상면까지 연장된 수직부(120b), 및 상기 수직부(120b)로부터 연장되어 상기 홀(112) 상부 및 상기 홀(112)의 주변부를 덮는 곡면돌출부(120c)를 포함하여 형성될 수 있다.
상기 홀(112)의 주변부에 위치한 상기 제1 기판(110)의 상면과 상기 곡면돌출부(120c)의 수평면은 서로 접합되어 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)이 실링(sealing)된다. 이 경우, 상기 홀(112)의 주변부에 위치한 상기 제1 기판(110)의 상면과 상기 제2 기판(120)의 상기 곡면돌출부(120c)의 수평면이 서로 맞닿는 영역이 실링부로 형성된다. 상기 실링부는 상기 제1 기판(110)을 상기 제2 기판(120)에 고정시키는 접착력을 가진다.
상기 곡면돌출부(120c)의 노출면은 엠보싱(embossing) 형상일 수 있다.
상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 실링에 의해 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120) 사이에 상기 전해질층(170)이 충진될 수 있는 공간이 구획된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제2 및 제3 실시예들에 따른 염료감응 태양전지들(100B, 100C)은 상기 제2 기판(120)이 상기 수직부(120b) 및 상기 곡면돌출부(120c)를 더 포함하고, 상기 제1 기판(110) 가장자리의 상면과 상기 제2 기판(120)의 상기 곡면돌출부(120c)의 수평면이 서로 접합되어 실링되거나, 혹은 상기 홀(112) 주변부에 위치한 제1 기판(110)의 상면과 상기 제2 기판(120)의 상기 곡면돌출부(120c)의 수평면이 서로 접합되어 실링되는 것이 본 발명의 제1 실시예에 따른 상기 염료감응 태양전지(100A)와 상이할 뿐, 이들의 작동 원리는 상기 염료감응 태양전지(100A)와 동일할 수 있다.
이처럼, 상술한 구조를 갖는 상기 염료감응 태양전지들(100B, 100C)은 상기 염료감응 태양전지(100A)와 동일한 이유로 인해 태양전지 기판에 유연성을 도입할 수 있고, 태양전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있음은 물론이다.
이하, 전술한 본 발명의 제1 내지 제3 실시예들에 따른 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실링 방법을 이용한 염료감응 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 5a 내지 도 5d는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실링방법을 이용한 도 1의 제조방법을 도시한 공정별 단면도들이며, 도 6은 초음파 융착기를 이용하여 도 5c의 실링공정을 실시하는 과정을 도시한 사시도이다.
도 4 및 도 5a를 참조하면, 제1 기판(110) 상에 반도체 산화물층(132)을 형성하고, 제2 기판(120) 상에 촉매금속층(150)을 형성한다(S10).
상기 제1 및 제2 기판(110, 120)은 금속 또는 고분자 중 어느 하나로 형성할 수 있다. 바람직하게, 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)은 금속 기판 또는 고분자 필름 중 어느 하나로 형성할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)은 스테인리스강(SUS), 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 백금(Pt) 및 니켈(Ni) 중 1종 이상을 포함하는 금속 기판으로 형성할 수 있다.
이와는 다르게, 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)은 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴레에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르술폰(PES), 및 폴리이미드(PI) 중에서 1종 이상을 포함하는 고분자 필름의 표면에 스크린 인쇄(screen printing)법, 닥터 블레이딩(doctor blading)법, 스프레이 코팅(spray coating)법 등을 이용하여 전도성 물질을 포함하는 전도층을 코팅하여 제조할 수 있다.
상기 전도층은 반도체 산화물 전극과 접촉될 면 또는 상기 촉매금속층(150)과 접촉될 면에 제공될 수 있다. 상기 전도층은 투명한 전도성 물질로 형성할 수 있으며, 예를 들어, 산화인듐주석(Indium Tin Oxide; ITO)으로 형성할 수 있다.
상기 제1 또는 제2 기판(110, 120) 중 적어도 하나는 태양광을 수광할 수 있도록 투명성을 가지는 투명 기판으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)은 수 마이크로 미터 내지 수 밀리 미터의 두께로 형성하여 유연한(flexible) 특성을 갖도록 형성할 수 있으며, 더 구체적인 두께는 해당 물질의 종류에 따라 달라질 수 있다.
상기 반도체 산화물층(132)은 전이 금속 산화물을 포함하는 금속 산화물들 중 적어도 하나의 산화물 반도체 입자들로 형성할 수 있다.
상기 반도체 산화물층(132)은 상기 제1 기판(110) 상에 평균 입경 5 내지 30nm, 바람직하게 평균 입경 20nm 크기의 나노입자를 가지는 이산화티탄(TiO2)을 포함하는 산화물 반도체 입자 페이스트(paste)를 약 100 내지 200㎛의 두께로 도포한 후, 약 400 내지 500℃의 온도로 20 내지 60분 동안 열처리하여 약 10 내지 30㎛의 두께로 형성할 수 있다.
상기 산화물 반도체 입자 페이스트의 도포 방법으로는 상기 스크린 인쇄법, 상기 닥터 블레이딩법 및 상기 스프레이 코팅법 등을 사용할 수 있다.
상기 반도체 산화물층(132)은 상기 제1 기판(110)의 끝단으로부터 내부로 일정간격 이격되도록 형성할 수 있다.
상기 촉매금속층(150)은 상기 반도체 산화물층(132)와 마주하여 대응될 상기 제2 기판(120)의 일면 상에 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 촉매금속층(150)은 백금(Pt) 또는 카본계로 형성할 수 있다.
상기 촉매금속층(150)은 페이스트를 상기 제2 기판(120) 상에 도포한 후, 100 내지 500℃의 온도에서 20 내지 60분 동안 열처리하여 형성할 수 있다. 상기 백금 페이스트의 도포 방법으로는 상기 스크린 인쇄법, 상기 닥터 블레이딩법 및 상기 스프레이 코팅법 등을 사용할 수 있다.
이로써, 상기 제2 기판(120) 및 상기 촉매금속층(150)을 포함하는 상대전극(counter electrode, 160)이 완성될 수 있다.
또한, 상기 촉매금속층(150) 형성 전, 상기 촉매금속층(150)이 형성될 영역의 외곽에 제공된 상기 제2 기판(120)에 미세 드릴(drill) 또는 레이저(laser) 등을 사용하여 적어도 하나의 전해질 주입구(미도시)를 형성할 수 있다.
도 4 및 도 5b를 참조하면, 상기 반도체 산화물층(132)의 표면에 염료(134)를 흡착시킨다(S20).
상기 염료(134)는 상기 반도체 산화물층(132)에 흡착되어 태양광에 의해 여기 전자를 생성할 수 있는 염료 분자들 중 적어도 하나일 수 있다. 예를 들어, 상기 염료(134)는 금속 복합체일 수 있으며, 이 경우, Ruthenium 535-bisTBA(N719) 또는 Ruthenium 620-1H3TBA(Black dye) 등의 루테늄 착제와 같은 염료 분자들로 이루어질 수 있다. 이와는 다르게, 상기 염료(134)는 유기 염료(organic dye), 양자점(quantum-dot) 또는 자연 염료(natural dye) 중 적어도 하나의 염료 분자들로 이루어질 수 있다.
상기 반도체 산화물층(132)에 염료를 포함하는 분산액을 분사, 도포 또는 침지액에 6 내지 24시간 동안 함침(impregnate)하여 상기 반도체 산화물층(132)의 표면에 상기 염료(134)를 흡착시킬 수 있다.
상기 염료를 분산시키는 용매는 아세토나이트릴, 디클로로메탄, 알코올계 용매 등을 사용할 수 있으며, 일례로, 0.05mM인 에탄올(ethanol)과 n-부탄올(butanol)의 혼합액일 수 있다.
이때, 염료(134)가 흡착된 상기 반도체 산화물층(132)이 반도체 산화물 전극(130)으로 형성된다. 이로써, 상기 제1 기판(110) 및 상기 반도체 산화물 전극(130)을 포함하는 반도체 전극(140)을 완성할 수 있다.
도 4, 도 5c 및 도 6을 참조하면, 상기 반도체 산화물 전극(130)이 형성된 상기 제1 기판(110)과 상기 촉매금속층(150)이 형성된 상기 제2 기판(120)을 대향시킨 후, 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)을 접합시킨다(S30).
상기 접합은 상기 반도체 산화물 전극(130)과 상기 촉매금속층(150)을 마주하도록 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)을 고정한 상태에서, 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 가장자리를 따라 에너지를 가하여 수행할 수 있다.
상기 에너지를 가하는 방법으로는 초음파 융착(ultrsonic fusion)법을 사용할 수 있다. 일반적으로, 초음파 융착법은 초음파의 진동을 이용하여 가공대상물에 마찰을 일으켜 두 가공대상물을 융착결합토록 하는 접착방법으로, 융착에 필요한 접착제를 사용하지 않고, 초음파 융착기로 압착하여 두 가공대상물을 융착시킨다. 이러한 초음파 융착법은 용제의 용해로 두 가공대상물이 붙어있게 된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 접합은, 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)을 대향하도록 밀착시킨 상태에서, 초음파 융착기(600)를 사용하여 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 가장자리를 따라 초음파의 진동을 통한 에너지를 가하여 수행할 수 있다.
상기 접합은 상기 제1 기판(110) 또는 상기 제2 기판(120) 중 적어도 하나가 용융될 수 있는 온도에서 상기 초음파 융착기(600)를 사용하여 수행하는 것이 바람직하다.
그 결과, 예를 들어, 진동 마찰열이 가해진 상기 제1 기판(110)이 약간 녹아 내려서 상기 제2 기판(120)의 표면에 접합될 수 있다. 즉, 추가적인 접착 물질 없이 상기 제1 기판(110)의 일면과 상기 제1 기판(110)의 일면과 마주보는 상기 제2 기판(120)의 일면이 접합되는 것이다. 상기 접합은 초음파 융착 기술을 응용한 것에 기인하여 융착이라고도 일컬어진다.
이러한 접합에 의한 실링방법은 동종 재질 또는 이종 재질의 접합에 사용 가능하며, 예를 들어 금속-금속, 고분자-고분자, 금속-고분자로 구성된 기판의 접합에 사용할 수 있다.
도 4 및 도 5d를 참조하면, 접합된 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120) 사이의 빈 공간에 전해질을 주입하여 전해질층(170)을 형성한다(S40).
상기 전해질층(170)은 주사기 등을 사용하여 상기 제2 기판(120)에 제공된 적어도 하나의 상기 전해질 주입구를 통해 상기 반도체 전극(140)과 상기 상대 전극(160) 사이의 공간에 채워 넣을 수 있다.
상기 전해질층(170)은 요오드계 산화환원 전해질을 포함할 수 있으며, 예를 들어, 0.6M의 3-프로필-1,2-디메틸 이미다졸륨 아이오다이드(3-propyl-1,2-dimethyl imidazolium iodide; DMPImI), 0.1M의 요오드화리튬(LiI) 및 40mM의 I2(Iodine)를 아세토니트릴(acetonitrile) 용액에 용해시킨 I3 -/I-의 전해액일 수 있다.
이후, 상기 전해질 주입구를 밀봉하여 염료감응 태양전지(100A)를 완성한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 상기 염료감응 태양전지(100A)의 제조방법은 금속 또는 고분자 중 어느 하나를 이용하여 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)을 형성하므로 기판에 유연성을 도입할 수 있다.
또한, 저온에서의 초음파 융착법을 이용하여 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)을 접합시켜 실링함으로써, 이들 두 기판(110, 120)의 접합과정에서 낮은 고온 안정성을 가지는 접착 물질을 생략하여 온도 안정성을 확보하고, 염료가 손상되는 것을 방지하여 태양전지의 장기적인 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 실링방법을 이용한 도 2의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 촉매금속층(150)이 형성된 제2 기판(120)의 트렌치(T) 내에 반도체 산화물 전극(130)이 형성된 제1 기판(110)을 고정시킨 후 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)을 접합시킨다.
상기 제2 기판(120)의 상기 트렌치(T) 내에 상기 제1 기판(110)을 고정하는 단계에서 상기 제2 기판(120)의 가장자리 상부가 돌출된다.
상기 접합은 상기 제2 기판(120)의 가장자리를 따라 에너지를 가하여 수행할 수 있다. 상기 에너지를 가하는 방법으로는 상술한 초음파 융착법을 사용할 수 있다.
상기 접합은 초음파 융착기를 사용하여 상기 제1 기판(110)의 상면보다 높게 돌출된 상기 제2 기판(120)의 가장자리에 초음파 진동을 가하여 수행할 수 있다. 이때, 상기 초음파 융착기는 바닥면이 양 가장자리에 반반원 형상을 갖는 혼(700A)을 구비할 수 있다.
상기 접합은 상기 제2 기판(120)이 용융될 수 있는 온도에서 상기 초음파 융착기를 사용하여 수행하는 것이 바람직하다.
그 결과, 도 7b에서와 같이 진동 마찰열이 가해진 상기 제2 기판(120)의 가장자리 상부가 융해되어 상기 혼(700A)의 바닥면 형상대로 곡면돌출부(120c)가 형성됨에 따라 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)이 접합(융착)된다.
즉, 추가적인 접착 물질 없이 상기 제1 기판(110) 상의 가장자리와 상기 곡면돌출부(120c)의 수평면이 서로 접합되어 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)이 실링된다.
이러한 접합에 의한 실링방법은 이종 재질의 접합에 응용 가능하며, 예를 들어 금속-고분자로 구성된 기판의 접합에 사용할 수 있다. 상기의 경우, 상기 제1 기판(110)이 금속으로 구성되고, 상기 제2 기판(120)이 고분자로 구성될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 실링방법을 이용한 도 3의 제조방법을 도시한 단면도들이다.
도 8a 및 8b를 참조하면, 촉매금속층(150)이 형성된 제2 기판(120)의 돌출부(A)가 반도체 산화물 전극(130)이 형성된 제1 기판(110)의 홀(112)을 관통하여 돌출되게 한 후 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)을 접합시킨다.
여기서, 상기 돌출부(A)는 상기 제1 및 제2 기판(110, 120)의 가장자리를 따라 형성되는 것이다.
따라서, 상기 접합은 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)의 가장자리를 따라 상기 돌출부(A)에 에너지를 가하여 수행할 수 있다. 상기 에너지를 가하는 방법으로는 상술한 초음파 융착법을 사용할 수 있다.
상기 접합은 초음파 융착기를 사용하여 상기 돌출부(A)에 초음파 진동을 가하여 수행할 수 있다. 이때, 상기 초음파 융착기는 바닥면이 엠보싱 형상을 갖는 혼(700B)을 구비할 수 있다.
상기 접합은 상기 돌출부(A)가 용융될 수 있는 온도에서 상기 초음파 융착기를 사용하여 수행하는 것이 바람직하다.
그 결과, 도 8b에서와 같이 진동 마찰열이 가해진 상기 제2 기판(120)의 상기 돌출부(도 8a의 A 참조)가 융해되어 상기 혼(700B)의 바닥면 형상대로 곡면돌출부(120c)가 형성되면서 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)이 접합(융착)된다.
즉, 추가적인 접착 물질 없이 상기 홀(112) 주변부에 위치한 상기 제1 기판(110)의 상면과 상기 곡면돌출부(120c)의 수평면이 서로 접합되어 상기 제1 기판(110)과 상기 제2 기판(120)이 실링된다.
이러한 접합에 의한 실링방법은 이종 재질의 접합에 응용 가능하며, 예를 들어 금속-고분자로 구성된 기판의 접합에 사용할 수 있다. 상기의 경우, 상기 제1 기판(110)이 금속으로 구성되고, 상기 제2 기판(120)이 고분자로 구성될 수 있다.
도 7a 및 도 7b와 도 8a 및 도 8b에 언급된 염료감응 태양전지(100B, 100C)의 제조방법은 전술한 염료감응 태양전지(100A)의 제조방법과 동일한 효과를 얻을 수 있음은 물론이다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100A, 100B, 100C : 염료감응 태양전지
110 : 제1 기판 112 : 홀
120 : 제2 기판 120a : 수평부
120b : 수직부 120c : 곡면돌출부
130 : 반도체 산화물 전극 132 : 반도체 산화물층
134 : 염료 140 : 반도체 전극
150 : 촉매금속층 160 : 상대전극
170 : 전해질층 600 : 초음파 융착기
700A, 700B : 혼

Claims (10)

  1. 서로 대향되되, 금속 또는 전도층이 코팅된 고분자 중 선택되는 재질로 형성되는 전극용 제1 기판 및 제2 기판;
    상기 제1 기판 상의 일 영역에 배치된 반도체 산화물 전극;
    상기 제2 기판 상에 상기 반도체 산화물 전극과 마주하여 대응 배치된 촉매금속층; 및
    상기 반도체 산화물 전극과 상기 촉매금속층 사이에 개재된 전해질층을 포함하며,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 가장자리를 따라 실링재 없이 서로 접합되어 실링된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 스테인리스강, 티타늄, 알루미늄, 백금 및 니켈 중 1종 이상을 포함하는 금속 기판인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자는 적어도 일면에 상기 전도층이 형성된 폴리에틸렌나프탈레이트, 폴레에틸렌테레프탈레이트, 폴리카보네이트, 폴리에테르술폰, 및 폴리이미드 중 적어도 1종을 포함하는 고분자 필름인 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 기판은 상기 제1 기판과 대향되는 수평부, 가장자리에서 상기 수평부의 상면으로부터 상기 제1 기판의 상면까지 연장된 수직부 및 상기 수직부로부터 연장되어 상기 제1 기판의 가장자리를 덮는 곡면돌출부를 포함하되, 상기 제1 기판 가장자리의 상면과 상기 곡면돌출부의 수평면이 서로 접합되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 기판은 상기 제1 기판과 대향되는 수평부, 일 가장자리 영역에서 상기 수평부의 상면으로부터 상기 제1 기판의 홀을 관통하여 상기 제1 기판의 상면까지 연장된 수직부 및 상기 수직부로부터 연장되어 상기 홀 위 및 상기 홀의 주변부를 덮는 곡면돌출부를 포함하되, 상기 홀의 주변부에 위치한 상기 제1 기판의 상면과 상기 곡면돌출부의 수평면이 서로 접합되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 유연성을 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
  7. 금속 또는 전도층이 코팅된 고분자 중 선택되는 재질로 형성되는 전극용 제1 기판 및 제2 기판을 준비하는 단계;
    상기 제1 기판 상에 반도체 산화물층을 형성하는 단계;
    상기 반도체 산화물층에 염료를 흡착시켜 반도체 산화물 전극을 형성하는 단계;
    상기 제2 기판 상에 상기 반도체 산화물 전극과 대응되는 촉매금속층을 형성하는 단계;
    상기 반도체 산화물 전극이 형성된 제1 기판과 상기 촉매금속층이 형성된 제2 기판의 가장자리를 따라 에너지를 가하여 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 서로 접합시키는 단계; 및
    접합된 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이의 공간에 전해질층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 에너지는 초음파 융착법을 사용하여 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판 중 적어도 하나가 용융될 수 있는 온도로 가하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 접합시키는 단계는,
    상기 제2 기판의 가장자리 상부가 돌출되도록 상기 제2 기판의 트렌치 내에 상기 반도체 산화물 전극이 형성된 제1 기판을 고정시키는 단계; 및
    돌출된 상기 제2 기판의 가장자리 상부에 상기 에너지를 가하는 단계를 더 포함하며,
    상기 에너지는 바닥면의 가장자리에 반반원 형상을 갖는 혼을 포함하는 초음파 융착기를 사용하여 가하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 접합시키는 단계는,
    상기 제2 기판의 돌출부가 상기 제1 기판의 홀을 관통하도록 상기 제2 기판과 상기 산화물 반도체 전극이 형성된 제1 기판을 고정시키는 단계; 및
    상기 제2 기판의 돌출부에 상기 에너지를 가하는 단계를 더 포함하며,
    상기 에너지는 바닥면이 엠보싱 형상인 혼을 구비하는 초음파 융착기를 사용하여 가하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지의 제조방법.
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