KR101404795B1 - 적층형 병렬 광감응 태양전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적층형 병렬 광감응 태양전지에 관한 것으로 좀 더 자세하세는, 제1 광감응층 및 상기 제1 광감응층 위에 적층된 제1 정공전도층을 포함하는 제1 광전극; 제2 광감응층 및 상기 제2 광감응층 위에 적층된 제2 정공전도층을 포함하는 제2 광전극; 및 상기 제1 정공전도층과 제2 정공전도층 사이에 개재된 상대전극을 포함하는 적층형 병렬 광감응 태양전지에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 광감응 태양전지에서 단위면적 당 광전류 발생량 향상으로 인한 광전변환 효율 개선을 기대할 수 있고, 광전극 및 광감응층 조합에 따라 태양전지의 흡수 파장대 광대역화에도 적용할 수 있으므로 종래 기술 대비 우수한 성능의 광감응 태양전지를 구현할 수 있다.
본 발명에 의하면, 광감응 태양전지에서 단위면적 당 광전류 발생량 향상으로 인한 광전변환 효율 개선을 기대할 수 있고, 광전극 및 광감응층 조합에 따라 태양전지의 흡수 파장대 광대역화에도 적용할 수 있으므로 종래 기술 대비 우수한 성능의 광감응 태양전지를 구현할 수 있다.
Description
본 발명은 적층형 병렬 광감응 태양전지에 관한 것이다.
현재 전 세계적으로 환경오염의 심각성 및 석유자원 고갈에 대한 위기감에 관한 인식 때문에 청정 대체 에너지에 관한 관심이 고조되었으며 무한하며 친환경적인 태양광 발전에 관한 연구 및 실용화에 많은 관심이 집중되고 있다. 현재 상용화 단계까지 이른 대표적인 태양전지는 실리콘 기반 태양전지로서 다른 태양전지에 비해 우수한 효율을 나타내는 장점이 있다. 그러나 실리콘 기반 태양전지의 경우 원재료인 실리콘의 제한성이 문제가 되고 있으며 이에 따라 태양전지의 고가화가 초래되어 문제시되고 있다. 이 때문에 많은 사람들이 저렴한 제조단가를 갖는 유기물 기반 태양전지에 관심을 갖고 있으며, 그 중에서도 상대적으로 높은 효율을 확보한 광감응 태양전지에 많은 관심이 기울여 지고 있는 실정이다.
1991년 스위스의 마이클 그라첼 그룹에서 최초로 보고가 된 광감응 태양전지는 기존의 반도체 접합 태양전지와는 달리 광합성의 원리를 이용한 광 전기 화학적 태양전지로 볼 수 있다. 비정질 실리콘 태양전지와 버금가는 고효율을 나타내기 때문에 학계 및 산업계에서 큰 이목을 끌고 있다.
광감응 태양전지는 광전극부, 상대전극, 두 전극 사이의 전해질의 기본구성을 하고 있으며 광전극부는 투명 전극위에 나노입자형태의 반도체 산화물, 그 표면에 화학적으로 흡착되어있는 광감응제로 구성되어진다. 상대전극는 투명전극 위에 촉매층으로 구성되며 광전극부와 상대전극 사이에 전해질이 위치하며 광감응 태양전지가 구성된다. 광감응제에 태양빛이 흡수되면 광감응제 내에서 전자-정공 쌍을 생성하며, 이 전자는 반도체 산화물로 전달된다. 이렇게 전달된 전자는 회로를 통해 상대전극으로 전달되며 상대전극 표면에서 산화/환원 전해질로 전달이 되며 최종적으로 광감응제에서 생성된 정공으로 전달이 됨으로써 광감응 태양전지의 작동이 이루어진다.
일반적인 광감응 태양전지의 경우 광전극과 상대전극 한 쌍이 마주보는 형태를 가지므로 광전극 방향에서 입사된 태양광에 의해서만 광전류가 발생하게 되며 상대전극 방향에서 입사되는 태양광은 광전류 발생에 기여할 수 없다.
이에 본 발명자는 기존의 일반적인 광감응 태양전지 내부 구조를 달리하여 태양전지 고효율화가 가능한 적층형 병렬 구조의 광감응 태양전지를 개발하기에 이르렀다.
본 발명은 광감응 태양전지의 구조적 한계를 극복하며 광이용률을 개선하여 최종적으로 태양전지 효율을 향상시키기 위한, 종래의 기술에 비해 고효율을 갖는 광감응 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 구체예에서 제1 광감응층 및 상기 제1 광감응층 위에 적층된 제1 정공전도층을 포함하는 제1 광전극; 제2 광감응층 및 상기 제2 광감응층 위에 적층된 제2 정공전도층을 포함하는 제2 광전극; 및 상기 제1 정공전도층과 제2 정공전도층 사이에 개재된 상대전극을 포함하는 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 상대전극이 패턴화된 개구를 가지는 것을 특징으로 하고, 상기 제 1 광전극 및 제 2 광전극이 각각 독립적으로 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 및 이들의 조합으로 이루어진 금속군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하며, 상기 제 1 광전극 및 제 2 광전극이 각각 독립적으로 나노입자, 나노선, 나노막대, 나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하며, 상기 제 1 광감응층 및 2 광감응층이 각각 독립적으로 유기-금속염료, 금속염료, 유기염료 광감응 화합물 반도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하며, 상기 정공전도층이 정공전도성 고분자, 정공전도성 저분자 유기물, p형 무기반도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하며, 상기 상대전극이 금(Au), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하며, 상기 상대전극이 그리드, 메쉬 및 스트라이프로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 특징으로 한다.
다른 구체예에서, 제 1 광전극, 제 1 광전극 상에 형성된 제 1 광감응층, 제 1 광감응층 상에 형성된 제 1 정공전도층을 포함하는 제 1 단위구조체와 제 2 광전극, 제 2 광전극 상에 형성된 제 2 광감응층, 제 2 광감응층 상에 형성된 정공전도층 제 2부분을 포함하는 제 2 단위구조체 사이에 상대 전극을 두고 합착하여, 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 단위구조체 및 제2 단위구조체가 압력 합착법, 열 용융 합착법, 자외선 경화법 및 용액 용융 합착법으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 방법에 의하여 상대전극에 합착되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 "패턴화된 개구"는, 이에 한정하지 않지만 그리드(grid), 메쉬(mesh) 및 스트라이프(stripe) 등의 패턴을 가지면서 입사광이 투과될 수 있도록 부분 개방되어 있는 구조를 의미한다.
본 발명에 의하면, 광감응 태양전지에서 단위면적당 광전류 발생량 향상으로 인한 광전변환 효율 개선을 기대할 수 있고, 광전극 및 광감응층 조합에 따라 태양전지의 흡수 파장대 광대역화에도 적용할 수 있으므로 종래 기술 대비 우수한 성능의 광감응 태양전지를 구현할 수 있다.
도 1은 적층형 병렬 광감응 태양전지를 나타낸 도면이다.
도 2는 적층형 병렬 광감응 태양전지의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 2는 적층형 병렬 광감응 태양전지의 제조방법을 나타낸 도면이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하며, 본 발명을 기술함에 있어서, 관련된 기술은 동종 업계와 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 충분이 제공함에 목적이 있다. 따라서 도면에서의 형상은 보다 명확한 설명을 위해 과장 또는 단순화하여 표현될 수 있다. 본 발명의 핵심을 이해하는데 있어 불필요하다 여겨지는 구성에 대한 상세한 설명은 생략될 수 있다.
본 발명의 일 구현예는 제1 광감응층 및 상기 제1 광감응층 위에 적층된 제1 정공전도층을 포함하는 제1 광전극; 제2 광감응층 및 상기 제2 광감응층 위에 적층된 제2 정공전도층을 포함하는 제2 광전극; 및 상기 제1 정공전도층과 제2 정공전도층 사이에 개재된 상대전극을 포함하는 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제공한다.
도 1은 본 발명의 구현예에 따른 광감응 태양전지를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 광전극 및 제2 광전극은 기판 위에 적층된 투명 전극 위에 배치되어, 제1 광전극부 및 제2 광전극부를 형성할 수 있다. 도 1은 광감응 태양전지는 빛을 받아들여 전자를 생성시키는 제1 광전극부 및 제 2 광전극부가 태양전지 구조체의 상부 및 하부에 위치하고, 회로를 이동한 전자가 전달되는 상대전극이 태양전지 내부에 포함되어 있는 구조를 도시한다. 도 1에서 제1 및 제2 광전극부 사이에 상대전극이 존재한다.
상기 제1 광감응층 및 상기 제1 광감응층 위에 적층된 제1 정공전도층을 포함하는 제 1 광전극 및 제2 광감응층 및 상기 제2 광감응층 위에 적층된 제2 정공전도층을 포함하는 제2 광전극은 각각 기판 및 투명 전극 상에 형성될 수 있다.
이 때, 상기 기판은 빛을 투과시킬 수 있는 투명 기판이 바람직하며, 예를 들면 유리기판 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리스티렌(polystyrene), 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate), 폴리이마이드(polyimide) 등과 같이 광투과율이 높은 플라스틱 기판 등 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 기판 중에서 선택하여 사용할 수 있다.
상기 투명전극은 생성된 전자의 이동시키는 역할을 하며, 플루오린 틴 옥사이드(FTO), 인듐 틴 옥사이드(ITO), 알루미늄 아연 옥사이드(AZO), 안티몬 틴 옥사이드(ATO) 등의 금속 산화물계 투명 전극 및 이들의 혼합물로 이루어진 군 등에서 선택 될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 광전극은 전자 전달 역할을 하는 것으로, 상기 제 1 및 제2 광전극은 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 등으로 이루어진 금속군 등에서 선택되는 금속 산화물을 사용할 수 있으며 바람직하게는 산화 티타늄(TiO2)을 사용 할 수 있으나 상기 반도체 산화물은 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고 상기 반도체 산화물은 일반적인 박막 형태 이외에 나노입자, 나노선, 나노막대, 나노튜브 등 다양한 형태의 구조를 포함할 수 있으며 그 형태를 특별히 한정하지 않는다.
상기 제 1 및 제 2 광감응층은 광전극 표면에 흡착이 가능하며 빛을 받아 전자를 생성 시킬 수 있는 유기-금속 화합물 염료, 금속 염료, 유기 염료, 고분자 염료, 광감응 화합물 반도체 등 어느 것 중에서도 선택이 가능하며 이들을 단독 또는 두 가지 이상을 혼합하여 사용할 수 있으며 특별히 한정하지 않는다.
상기 제 1 및 제 2 정공전도층은 P3HT(poly(3-hexylthiophene)), PCPDTBT(poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,1-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,1,3-benzothiadiazole)]), PCDTBT(poly[N-9″-heptadecanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole)]), PFDTBT(poly(2,7-(9-(2'-ethylhexyl)-9-hexyl-fluorene)-alt-5,5-(4',7'-di-2-thienyl-2',1',3'-benzothiadiazole))), MEHPPV(poly-[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) 또는 MDMO-PPV(poly[2-methoxy-5-(3,7-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylene vinylene]) 등의 고분자이거나 CuPc(copper phthalocyanine), ZnPc(zinc phthalocyanine), PtOEP ((2,3,7,8,12,13,17,18-octaethyl-21H,23Hporphyrin) platinum(Ⅱ)) 등의 저분자 유기반도체 화합물, 또는 CIS(CuInSe), CIGS(CuInGaSe) 등의 p형 무기 화합물 반도체 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 태양전지에서 제1광전극 및 제2 광전극은 서로 대향하여 상대전극을 사이에 두고 배치된다. 더욱 구체적으로, 상기 상대 전극은 제1 정공전도층과 제2 정공전도층 사이에 배치된다.
상기 태양전지 내부에서, 제1 광전극와 제2 광전극 사이에 위치하는 상대전극은 금(Au), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 등의 금속 및 산화물 군으로부터 하나 혹은 두가지 이상의 혼합물 중 선택될 수 있으나 상대전극의 역할을 수행 할 수 있는 물질이면 특별히 한정하지 않는다. 상기 상대전극은 패턴화된 구조를 가지며, 그 구조의 형태는 그리드(grid), 메쉬(mesh) 및 스트라이프(stripe)일 수 있으나, 그 형태를 특별히 한정하지 않는다. 본 발명의 다른 구현예는 적층형 병렬 광감응 태양전지의 제조방법을 제공한다.이상과 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 적층형 병렬 광감응 태양전지 제조과정에 대해 도 2를 참고하여 설명한다.
본 발명의 일 구현예에서, 적층형 병렬 광감응 태양전지는제 1 광전극, 상기 제 1 광전극 상에 형성된 제 1 광감응층, 상기 제 1 광감응층 상에 형성된 제 1 정공전도층을 포함하는 제 1 단위구조체와 제 2 광전극, 상기 제 2 광전극 상에 형성된 제 2 광감응층, 제 2 광감응층 상에 형성된 정공전도층 제 2부분을 포함하는 제 2 단위구조체 사이에 상대 전극을 두고 제1 단위구조체, 제2 단위구조체 및 상대전극을 합착하여, 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조한다.
즉, 도 2에 도시된 바와 같이 상대전극이 중간에 위치하고 광전극 2개가 상부 및 하부에 위치한 병렬 구조의 태양전지를 제조하기 위하여 우선 기판, 투명 전극, 광전극, 광감응층, 정공전도층이 차례로 적층된 형태의 단위구조체 1 및 2를 제조한 후 각각의 단위구조체 1 및 2를 상대전극 양측에 배열한 후 합착하는 방법을 사용한다.
상기 태양전지 제조방법에서 단위구조체 1 및 2를 합착시키기 위하여 압력, 열용융, 자외선경화 또는 용액용융 등의 다양한 방법을 사용한 수 있으나 단위구조체 1 및 2의 정공전도층이 접합될 수 있는 방법이라면 특별히 한정하지 않는다. 상기 합착방법은 기존의 공지된 방법으로 사용하며, 이에 대해서는 상세하게 설명하지 않는다.
기존의 광감응 태양전지는 광전극과 상대전극의 쌍으로 구성된 형태를 가지며, 광전극 측으로 입사된 태양광 만이 광전류 발생에 기여하였다. 그러나 이상과 같이, 본 발명에 따르면 하나의 태양전지 내에 공통의 투과도가 높은 정공전도층을 배치하고 상하부에 광감응층을 배치함으로써 태양광 입사 방향과 상관없이 상, 하부 광감응층에서 모두 광전류를 발생시킬 수 있으므로 태양광의 효율적 활용이 가능하며 단위면적당 광전류 발생량을 배가시킬 수 있다.
또한, 제 1 단위구조체와 제 2 단위구조체에 광감음층은 서로 다른 광감응층을 사용할 수 있는데 이는 하나의 태양전지에서 각각의 광감응층이 흡수하는 파장대의 태양광을 모두 흡수할 수 있으므로 흡광영역 확대에 따른 흡수파장대 광대역화를 가능하게 하기 위함이다. 이와 같이 광감응층의 조합을 통하여 다양한 흡수파장대를 갖는 광감응 태양전지를 용이하게 제조할 수 있다. 또한, 기존의 광대역화의 경우 공정 및 소자 구조가 복잡한 단점이 있으나, 상기의 서로 다른 광감응층을 사용하는 방법은 소자 구조 및 공정이 단순하기 때문에 광대역 광감응 태양전지로의 적용에 유리하다고 판단된다.
또한, 태양전지 내부의 상대전극은 도 1에서와 같이 패턴화된 개구를 가지는 형태로서, 양측에서 입사된 광이 투과할 수 있기 때문에 한쪽 광전극에 입사된 태양광이 반대측 광전극에도 도달하므로 태양광의 입사방향과 무관하게 광전류의 발생량이 증가하는 효과를 나타낼 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 상술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
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- 제1 단위구조체, 제2 단위구조체 및 이들 사이에 개재된 상대 전극을 포함하는 적층형 병렬 광감응 태양전지의 제조방법으로서,
제 1 광전극 상에 제 1 광감응층을 형성하고, 상기 제 1 광감응층 상에 제 1 정공전도층을 형성하여, 제 1 단위구조체를 제조하는 단계;
제 2 광전극 상에 제 2 광감응층을 형성하고, 상기 제 2 광감응층 상에 제 2 정공전도층을 형성하여, 제 2 단위구조체를 제조하는 단계;
상기 제1 단위구조체 및 제2 단위구조체 사이에 상대 전극을 두고 제1 단위구조체 및 제2 단위구조체를 합착하여, 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조하는 방법. - 제9항에 있어서,
제 1 단위구조체 및 제2 단위구조체가 압력변동, 열 용융, 용액 용융 및 자외선 경화법으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 방법에 의하여 상대전극에 합착되는 것을 특징으로 하는 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 상대전극이 패턴화된 개구를 가지는 것을 특징으로 하는 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 제 1 광전극 및 제 2 광전극이 각각 독립적으로 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 및 이들의 조합으로 이루어진 금속군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 제 1 광전극 및 제 2 광전극이 각각 독립적으로 나노입자, 나노선, 나노막대, 나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 제 1 광감응층 및 2 광감응층이 각각 독립적으로 유기-금속염료, 금속염료, 유기염료 광감응 화합물 반도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 제1 및 제2 정공전도층이 각각 독립적으로 정공전도성 고분자, 정공전도성 저분자 유기물, p형 무기반도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 상대전극이 금(Au), 백금(Pt), 몰리브덴(Mo), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 아연(Zn), 실리콘(Si), 주석(Sn), 텅스텐(W), 지르코늄(Zr) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조하는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 상대전극의 패턴화된 개구가 그리드(grid), 메쉬(mesh) 및 스트라이프(stripe)의 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 적층형 병렬 광감응 태양전지를 제조하는 방법.
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