KR101349197B1 - 기압차를 이용한 태양전지의 염료흡착방법 - Google Patents

Abstract

기압차를 이용한 태양전지의 염료흡착방법이 개시된다. 본 발명은 염료감응 태양전지에 염료를 주입하기 위한 방법에 있어서, 베이스판에 형성된 스테이지에 태양전지를 장착시키는 1단계; 상기 베이스판의 하부에 염료주입관이 연결되며, 상기 염료주입관의 토출구가 상기 스테이지에 통하도록 장착하는 2단계; 상기 염료주입관의 토출구를 통해 미세입자 염료를 주입시켜 스테이지의 저면과 상기 태양전지의 일면 사이의 틈새에 염료가 충진된 후 각 셀에 모세관 현상으로 염료가 스며들도록 하는 3단계를 포함하여 구성된다.
이에 따르면 염료의 표면장력 및 계면장력을 이용하여 셀 내부에 염료가 주입되도록 함으로써 종래 셀을 염료에 침지시키는 방식에 따른 셀의 외부에 묻게 되는 염료의 손실을 절감할 수 있는 효과가 있으며, 태양전지 내의 각 셀에 균일하고 빠른 시간 내에 염료 주입이 이루어질 수 있는 효과가 있다.

Description

기압차를 이용한 태양전지의 염료흡착방법{DYES INJECTION METHOD USING PRESSURE DIFFERENCE FOR DSSC}

본 발명은 태양전지의 염료흡착방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지의 양측에 고압탱크와 진공탱크를 연결하여 압력차이가 발생되도록 하고, 압력차이에 의해 고압탱크의 염료가 태양전지 셀로 주입되도록 하여 염료 주입이 효율적으로 이루어질 수 있고 염료의 낭비를 막을 수 있도록 한 태양전지의 염료흡착방법에 관한 것이다.

일반적으로 석유나 석탄과 같은 화석에너지는 매장량이 한정되어 있어 이를 대체하기 위한 에너지원으로서 풍력, 원자력, 태양광 등을 사용하기 위한 노력이 진행되고 있다.

특히 태양광을 이용하는 태양전지는 무한정하고 환경 친화적이므로 많은 연구가 이루어지고 있으며 실리콘 태양전지가 제안된 바 있다.

그러나 실리콘 태양전지는 비용이 고가이고, 전자 효율을 개선하는데 어려움이 있어 최근에는 염료감응 태양전지가 개발되고 있다.

염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조 단가가 저렴하고, 친환경적이고, 플랙서블(flexible)하게 제작할 수 있다는 이점이 있다.

이에 관한 선행기술로는 대한민국 공개특허 10-2011-0050018호, 동 10-2010-0008584호 및 대한민국 등록특허 제0995073호가 개시되어 있다.

종래 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조가 도 1a 및 1b에 도시되어 있다.

도 1a는 종래 염료감응 태양전지 단위 셀의 단면도이고, 도 1b는 종래 염료감응 태양전지 단위 셀의 평면도이다.

일반적으로 염료감응 태양전지의 기본 구조는 도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 두 개의 판상 투명전도체(10a,10b)가 서로 면 접합된 샌드위치 구조이다.

한 투명전도체(10a)의 이면에는 전이금속 산화물막(11)이 도포되어 제1전극을 이루고 있으며, 전이금속 산화물막(11)에는 광 감응 염료(18)가 흡착되어져 있다.

다른 투명전도체(10b)의 이면에는 백금(Pt)막(12)이 도포되어 제2전극을 이루고 있다. 이러한 두 투명의 제1전극 및 제2전극 사이의 공간은 산화환원용 전해질(13)로 채워져 있다.

상술한 바와 같은 구조의 종래 염료감응 태양전지를 제조하기 위해서는 하나의 투명전도체(10a)위에는 전이금속 산화물막(11)을 형성하고 여기에 염료(18)를 흡착시키며, 다른 하나의 투명전도체(10b)위에는 Pt 막(12)을 형성한다.

다음, 수지(14)를 이용하여 두 투명전도체(10a, 10b)를 서로 대향 접합시킨 후, 미세구멍(15a, 15b, 15c, 15d)를 통해 전해질(13)을 주입하고 미세유리(16a, 16b, 16c, 16d)를 이용하여 봉입함으로써 염료감응 태양전지를 완료한다.

이러한 태양전지 단위 셀은 전도성 테이프(17a, 17b)를 이용하여 이웃끼리 서로 연결함으로써 모듈로 제작한다.

이러한 염료감응 태양전지의 기본 원리에 대해 설명하면 다음과 같다.

염료감응 태양전지 내로 태양광이 입사되면 광양자는 먼저 염료에 흡수되고, 여기상태로 된 염료가 전자를, 다공질막을 이루는 전이금속 산화물의 전도대로 보낸다.

여기서 전자는 전극으로 이동한 후 외부 회로로 흘러가서 전기 에너지를 전달하고 에너지를 전달한 만큼 낮은 에너지 상태가 되어 상대 전극으로 이동한다.

염료는 전이금속 산화물에 전달한 전자의 개수만큼을 전해질 용액으로부터 공급받아 원래의 상태로 돌아가게 된다. 전해질은 산화환원에 의해 상대전극으로부터 전자를 받아 염료에 전달하는 역할을 담당한다.

한편 종래 염료감응 태양전지는 염료를 주입함에 있어, 셀 내부를 진공상태로 한 후 염료 속에 침지시켜 셀의 양 끝단 부분에 형성된 미세한 구멍을 통해 염료가 셀 내부로 주입되도록 하는 방식을 사용하였으나 이는 셀의 모든 공간에 염료가 균일하게 주입되지 않는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 태양전지의 양측에 고압탱크와 진공탱크를 연결하여 압력차이가 발생되도록 하고, 압력차이에 의해 고압탱크의 염료가 태양전지 셀로 주입되도록 하여 염료 주입이 효율적으로 이루어질 수 있고 염료의 낭비를 막을 수 있도록 한 태양전지의 염료흡착방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적은, 염료감응 태양전지에 염료를 주입하기 위한 방법에 있어서, 다수의 셀을 포함하는 연료감응 태양전지의 양측에 고압탱크와 진공탱크를 배치하는 1단계; 다수의 염료주입호스의 일단을 상기 고압탱크와 진공탱크에 각기 연결시키고, 타단을 상기 다수의 셀에 각기 연결시키는 2단계; 상기 고압탱크에 염료를 충진한 후 고압을 형성하는 3단계; 상기 진공탱크에 진공압을 형성시켜 고압탱크의 염료가 염료주입호스를 통해 상기 다수의 셀로 주입되도록 하는 4단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기압차를 이용한 태양전지의 염료흡착방법에 의해 달성될 수 있다.

상기 진공탱크와 고압탱크를 연결하도록 리턴호스를 장착하고, 상기 진공탱크에 장착된 압력기를 작동시켜 진공탱크 내의 염료가 고압탱크로 회수되도록 하는 것을 특징으로 한다.

상기 진공탱크 및 고압탱크에는 온도조절기가 장착된 것을 특징으로 한다.

한편 상기한 본 발명의 목적은, 염료감응 태양전지에 염료를 주입하기 위한 방법에 있어서, 베이스판에 형성된 스테이지에 태양전지를 장착시키는 1단계; 상기 베이스판의 하부에 염료주입관이 연결되며, 상기 염료주입관의 토출구가 상기 스테이지에 통하도록 장착하는 2단계; 상기 염료주입관의 토출구를 통해 미세입자 염료를 주입시켜 스테이지의 저면과 상기 태양전지의 일면 사이의 틈새에 염료가 충진된 후 각 셀에 모세관 현상으로 염료가 스며들도록 하는 3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기압차를 이용한 태양전지의 염료흡착방법에 의해 달성될 수 있다.

상기 염료주입관의 토출구에는 세공이 형성된 노즐이 장착된 것을 특징으로 한다.

상기 태양전지의 타측에 진공펌프가 연결되어 셀 내부를 진공상태로 형성하여 염료 주입이 촉진되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 압력차 또는 계면장력을 이용하여 태양전지의 셀 내부에 직접 염료가 주입되도록 함으로써 종래 태양전지를 염료에 침지시키는 방식을 이용하지 않아 외면에 묻게 되는 염료의 손실을 절감할 수 있는 효과가 있으며, 태양전지 내의 각 셀에 균일하고 빠른 시간 내에 염료 주입이 이루어질 수 있는 효과가 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래 기술을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지의 염료흡착 공정에 대한 흐름도,
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지의 염료흡착 장치를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지의 염료흡착 공정에 대한 흐름도,
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지의 염료흡착 공정을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명에 따른 기압차를 이용한 태양전지의 염료흡착방법의 다른 실시예를 나타낸 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 중에서, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지의 염료흡착 공정에 대한 흐름도, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 태양전지의 염료흡착 장치를 나타낸 도면, 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지의 염료흡착 공정에 대한 흐름도, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 태양전지의 염료흡착 공정을 나타낸 도면, 도 6은 본 발명에 따른 기압차를 이용한 태양전지의 염료흡착방법의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

실시예 1

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 기압차를 이용한 태양전지의 염료흡착방법은, 염료감응 태양전지(이하 '태양전지'라 함)에 염료를 주입하기 위한 방법에 있어서, 다수의 셀(21)을 포함하는 태양전지(2)의 양측에 고압탱크(HT)와 진공탱크(VT)를 배치하는 1단계(S1); 다수의 염료주입호스(P)의 일단을 상기 고압탱크(HT)와 진공탱크(VT)에 각기 연결시키고, 타단을 상기 다수의 셀(21)에 각기 연결시키는 2단계(S2); 상기 고압탱크(HT)에 염료를 충진한 후 고압을 형성하는 3단계(S3); 상기 진공탱크(VT)에 진공압을 형성시켜 고압탱크(HT)의 염료가 염료주입호스(P)를 통해 상기 다수의 셀(21)로 주입되도록 하는 4단계(S4)를 포함하여 구성된다.

1단계(S1)

지그에 태양전지(2)를 안착시킨 후 별도의 고정수단을 이용하여 고정시킨다.

이후 태양전지(2)의 일측에는 고압탱크(HT)를 배치하고, 타측에는 진공탱크(VT)를 배치한다.

2단계(S2)

고압탱크(HT)와 일단이 연결된 1차측 염료주입호스(P1)의 타단을 태양전지(2)의 각 셀(21)의 일측에 연결하여 통하도록 한다.

그리고 진공탱크(VT)에도 2차측 염료주입호스(P2)를 연결하고, 이 2차측 염료주입호스(P)를 태양전지(2)의 각 셀(21)의 타측에 연결한다.

상기 1차측 및 2차측 염료주입호스(P1,P2)는 직경이 셀(21) 보다 작게 형성되며, 1차측 염료주입호스(P1)와 고압탱크(HT)의 연결부위에 개폐를 위한 1차 밸브(V1)가 장착된다.

마찬가지로 2차측 염료주입호스(P2)와 진공탱크(VT)의 연결부위에도 개폐를 위한 2차 밸브(V2)가 장착된다.

한편 진공탱크(VT)와 고압탱크(HT)를 연결하도록 리턴호스(P3)를 장착하고, 상기 진공탱크(VT)에 장착된 압력기(VT-2)를 작동시켜 진공탱크(VT) 내의 염료가 고압탱크(HT)로 회수되도록 한다.

상기 진공탱크(VT) 및 고압탱크(HT)에는 온도조절기(미도시)가 장착되어 염료를 가온시켜 적정 온도를 맞출 수 있도록 한다. 염료의 온도를 높이게 되면 기포가 생겨서 위험하기 때문이다.

3단계(S3)

고압탱크(HT) 내에 염료를 충진시킨 후 가압시키고, 아울러 진공탱크(VT)에 진공압을 형성한다.

4단계(S4)

1차측 및 2차측 염료주입호스(P1,P2)에 장착된 1차 및 2차밸브(V1,V2)를 개방시킨다.

따라서 고압탱크(HT)와 진공탱크(VT) 간의 압력차에 의해 고압탱크(HT) 측의 염료가 1차측 및 2차측 염료주입호스(P1,P2)를 통해 태양전지(2)의 각 셀(21)에 주입된다.

상기 태양전지(2)의 각 셀(21)에 주입된 염료 중 일부는 다시 진공탱크(VT)로 회수된다.

이후 진공탱크(VT)로 회수된 염료를 다시 고압탱크(HT)로 이송시킨다.

즉, 진공탱크(VT)의 압력기(VT-2)를 작동시켜 진공탱크(VT)의 압력을 고압탱크(HT) 보다 상승시켜 염료가 리턴호스(P3)를 통해 고압탱크로 회수되도록 함으로써 염료를 계속 순환시키면서 셀(21)에 연속 주입할 수 있다.

실시예 2

첨부된 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따른 기압차를 이용한 태양전지의 염료흡착방법은, 베이스판(1)에 형성된 스테이지(10)에 태양전지(2)를 장착시키는 1단계(S1); 베이스판(1)의 하부에 염료주입관(3)이 연결되며, 상기 염료주입관(3)의 토출구(32)가 상기 스테이지(10)에 통하도록 장착하는 2단계(S2); 염료주입관(3)의 토출구(32)를 통해 미세입자 염료를 주입시켜 스테이지(10)의 저면과 상기 태양전지(2)의 일면 사이의 틈새(5)에 염료가 충진된 후 각 셀(21)에 모세관 현상으로 염료가 스며들도록 하는 3단계(S3)를 포함하여 구성된다.

상기 각 단계를 설명하면 다음과 같다.

1단계(S1)

고무판과 같이 탄성을 갖는 재질로 일정 면적을 갖는 베이스판(1)를 마련하고 상면에 일정 깊이로 파내어 스테이지(10)가 형성된다.

스테이지(10)는 태양전지(2)를 결합시키기 위한 것이므로 태양전지(2)의 일면과 동일한 크기와 형상으로 형성된다.

스테이지(10)에 태양전지(2)를 결합시키면, 베이스판(1)의 탄성에 의해 태양전지(2)가 스테이지(10)에 협지될 수 있고, 아울러 스테이지(10) 내에 삽입된 태양전지(2)의 일면이 가급적 스테이지(10)의 내면과 밀착되도록 상부로부터 눌러 가압시킨다.

이렇게 태양전지(2)를 스테이지(10)에 억지 끼움으로 결합시키더라도 태양전지(2)의 일면과 스테이지(10)의 내면 사이에는 미세한 틈새(5)가 형성된다.

그리고 스테이지(10)와 통하는 홀(12)이 내측에 형성되고, 이 홀(12)에 염료주입관(3)의 토출구(32)가 결합된다.

2단계(S2)

베이스판(1)에 형성된 결합공(18)을 통해 염료주입관(3)을 끼워넣고, 염료주입관(3)의 토출구(32)가 스테이지(10)의 홀(12)에 결합되도록 한다. 이때 토출구(32)의 끝단이 스테이지(10)의 내측으로 인입되지 않도록 함이 바람직하다.

또한 염료주입관(3)의 토출구(32)에는 세공이 형성된 노즐(14)이 장착될 수도 있다. 이 노즐(14)의 세공에 의해 염료의 분산이 효과적으로 이루어질 수 있고, 분출 속도가 증가될 수 있다.

염료주입관(3)은 모세관 현상을 발휘할 수 있도록 미세 직경으로 형성된다. 예를들어 염료주입관(3)의 직경은 마이크로미터 단위로 형성된다.

3단계(S3)

염료주입관(3)으로 염료를 공급시킨다. 염료는 미세입자화 된 상태로 공급되어야 한다. 염료주입관(3)의 직경이 마이크로미터 단위로 미세하므로 염료 입자는 이보다 더 작은 나노 단위가 바람직하다.

토출구(32)를 통해 미세입자 염료를 주입시켜 스테이지(10)의 저면과 상기 태양전지(2)의 일면 사이의 틈새(5)에 염료가 충진된 후 각 셀(21)에 모세관 현상으로 염료가 스며들도록 한다.

또한 염료는 표면장력과 계면장력에 의해 셀(21)의 하부에서부터 상부까지 빨려 올라가게 되어 충진이 이루어질 수 있다.

한편 도 6은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 염료의 주입을 더욱 촉진시키기 위해 염료주입관(3)의 토출구(32)에 대향되는 태양전지(2)의 타측에 진공펌프(7)가 연결된다.

따라서 진공펌프(7)의 작동에 의해 셀(21)의 내부를 진공상태로 함으로써 염료가 셀(21)의 내부로 빨려들어가는 속도가 더욱 빨라질 수 있다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 청구의 범위에 속함은 자명하다.

1 : 베이스판 2 : 태양전지
3 : 염료주입관 5 : 틈새
10 ; 스테이지 12 : 홀
14 : 노즐 21 : 셀

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 염료감응 태양전지에 염료를 주입하기 위한 방법에 있어서,
   베이스판에 형성된 스테이지에 태양전지를 장착시키는 1단계;
   상기 베이스판의 하부에 염료주입관이 연결되며, 상기 염료주입관의 토출구가 상기 스테이지에 통하도록 장착하는 2단계;
   상기 염료주입관의 토출구를 통해 미세입자 염료를 주입시켜 스테이지의 저면과 상기 태양전지의 일면 사이의 틈새에 염료가 충진된 후 각 셀에 모세관 현상으로 염료가 스며들도록 하는 3단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 염료흡착방법.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 염료주입관의 토출구에는 세공이 형성된 노즐이 장착된 것을 특징으로 하는 태양전지의 염료흡착방법.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 태양전지의 타측에 진공펌프가 연결되어 셀 내부를 진공상태로 형성하여 염료 주입이 촉진되도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 염료흡착방법.
   

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