KR101417524B1 - 염료감응 태양전지 루프패널 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지 루프패널에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 루프패널을 다수의 염료감응 태양전지 모듈을 상호 접합시킨 구조로 구현하되, 각 접합부위의 저항을 감소시켜 염료감응 태양전지 모듈의 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 염료감응 태양전지 루프패널에 관한 것이다.
즉, 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈을 직/병렬로 연결하고, 각 염료감응 태양전지 모듈이 접합되는 전극 부분에 저항을 줄일 수 있도록 와이어 접속 구조를 적용하여, 염료감응 태양전지 모듈의 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 염료감응 태양전지 루프패널을 제공하고자 한 것이다.

Description

염료감응 태양전지 루프패널{Roof panel having dye-sensitized solar cell}
본 발명은 염료감응 태양전지 루프패널에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 루프패널을 다수의 염료감응 태양전지 모듈을 상호 접합시킨 구조로 구현하되, 각 접합부위의 저항을 감소시켜 염료감응 태양전지 모듈의 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 염료감응 태양전지 루프패널에 관한 것이다.
염료감응 태양전지는 투명전극 위에 빛을 흡수할 수 있는 Ru 계 염료가 흡착된 TiO2 전극과 Pt 가 코팅되어 있는 상대 전극이 접합되어 있고, 그 사이에는 I-/I3 -계의 전해질이 적용된 전지를 말한다.
염료감응 태양전지는 제조 단가가 저렴하고, 투명 전극으로 제조할 수 있으며, 다양한 디자인의 태양전지를 만들 수 있는 등의 장점을 가지고 있기 때문에 많은 연구가 계속 진행되고 있고, 특히 다양한 응용 분야에 적용하려는 시도가 많이 진행되고 있는 가운데 건물통합형 태양광 발전(BIPV)용으로서 건물의 지붕이나 창문에 도입하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
이에 맞추어, 현재 실리콘 태양전지가 자동차의 루프에 적용된 경우를 염료 감응형 태양전지로 대체하려는 시도도 진행되고 있다.
그 밖에도, 염료감응 태양전지는 다양한 응용제품에 적용될 수 있을 것으로 전망되고 있고, 그 중 가장 각광 받고 있는 분야는 전자 제품(예. 휴대폰, MP3 player, 게임기 등)과 건축용 창문 등에 적용할 수 있다.
특히, 염료감응 태양전지의 응용 구조로서, 염료감응 태양전지를 단순히 평면 유리 기판위에 제작하거나, 플렉서블한 염료감응 태양전지를 가방이나 옷등 구부러진 곳에 적용하려는 시도만이 진행되고 있는 상황에서 탈피하여, 자동차의 선루프패널 및 파노라마 선루프패널 등에 적용하려는 시도가 진행되고 있다.
그러나, 자동차의 선루프 또는 파노라마 루프에 적용시에는 무게와 두께의 제약이 있기 때문에 염료감응 태양전지 모듈 간의 접합 부분에 대한 연구가 더 진행되고 있다.
종래에는 염료감응 태양전지 단위모듈을 자동차 루프패널에 적용하기 위하여 각 염료감응 태양전지 모듈을 직병렬로 배열하는 동시에 그 접합 부분을 실버 페이스트 등을 매개로 접합하였는 바, 접합 부분의 저항이 커질 경우 태양전지 모듈의 발전 효율이 저하되는 원인이 될 수 있다.
이렇게 염료감응 태양전지 단위모듈의 각 전극을 단순히 실버 페이스트 등을 이용하여 접합시킬 경우, 그 컨택이 충분하지 못하여 저항이 커지게 되고, 이는 결국 염료감응 태양전지 모듈의 발전 효율을 저감시키게 된다.
따라서, 염료감응 태양전지 단위모듈의 전극 간을 접합시킬 때, 전극 부분의 저항을 줄일 수 있는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈을 직/병렬로 연결하고, 각 염료감응 태양전지 모듈이 접합되는 전극 부분에 저항을 줄일 수 있도록 와이어 접속 구조를 적용하여, 염료감응 태양전지 모듈의 발전 효율을 향상시킬 수 있도록 한 염료감응 태양전지 루프패널을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 매트릭스 배열을 갖는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈의 각 전극을 와이어 접속 구조물을 사이에 두고 접합시킴과 함께 각 염료감응 태양전지 단위모듈을 직병렬로 연결시킨 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 루프패널을 제공한다.
본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 매트릭스 배열을 갖는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈 중, 종방향의 염료감응 태양전지 단위모듈을 직렬라인으로 연결하고, 각 직렬라인을 병렬라인으로 연결함으로써, 매트릭스 배열을 갖는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈이 직병렬로 연결되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 직렬라인 중 선택된 2개 이상의 직렬라인에 바이패스 라인이 병렬로 더 연결된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 와이어 접속 구조물은 구리, 금, 실버, 알루미늄, 알로이(alloy)중 선택된 어느 하나의 재질을 이용하여 소프트 와이어로 만들어진 것임을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈의 각 전극에 전도성 페이스트가 도포되고, 그 사이에 소프트 와이어가 적층되어, 각 전극이 접합되는 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈의 각 전극에 소프트 와이어가 직접 본딩되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 와이어 접속 구조물로 채택된 소프트 와이어는 단일의 직선라인, 이중의 직선 라인, 지그재그 라인, 메쉬, 물결 라인 중 선택된 하나로 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 와이어 접속 구조물로 채택된 소프트 와이어는 염료감응 태양전지 단위모듈의 전극 사이에 배치되어 접합될 때, 접합 가압력에 의하여 플랫한 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면, 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈을 접합하여 루프패널을 구성할 때, 각 염료감응 태양전지 단위모듈이 접합되는 전극 부분에 와이어 접속 구조, 즉 소프트 와이어를를 적용함으로써, 전극 컨택 부분에서 생기는 저항을 줄일 수 있다.
이렇게 각 염료감응 태양전지 단위모듈의 전극 부분에 소프트 와이어를 적용하면, 각 단위모듈간 접합시 금속 와이어의 전도도가 우수하기 때문에, 두 모듈간 전극 컨택을 향상시켜줄 수 있고, 전극간 접합 부분의 저항 감소 효과로 인하여 염료감응 태양전지 단위모듈의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 각 염료감응 태양전지 단위모듈을 직/병렬로 연결하여, 목표로 하는 출력, 전류, 전압 값을 얻을 수 있다.
또한, 염료감응 태양전지 단위모듈 중 어느 것이 루프 작동중 손상되더라도, 바이패스라인을 통하여 정상적인 단위모듈로부터의 출력, 전류, 전압 값을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 염료감응 태양전지 루프패널 구조를 나타낸 개략적 단면도,
도 2는 본 발명의 염료감응 태양전지 루프패널을 구성하는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈이 접합되어 매트릭스 배열을 이루는 것을 나타낸 평면도,
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 염료감응 태양전지 루프패널을 구성하는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈이 직/병렬로 연결된 것을 나타낸 결선도,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 염료감응 태양전지 루프패널을 구성하는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈이 직/병렬로 연결됨과 함께 바이패스 라인이 더 연결된 것을 나타낸 결선도,
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 염료감응 태양전지 루프패널을 구성하는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈의 전극에 소프트 와이어로 접합되는 예를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 염료감응 태양전지 루프패널을 구성하는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈의 전극을 소프트 와이어를 매개로 상호 접합시키는 구조를 설명하는 개략도,
도 7은 염료감응 태양전지 단위모듈을 소프트 와이어로 접합한 것과 소프트 와이어 없이 접합한 것을 비교한 개략적 단면도,
도 8a 및 도 8b는 동일 성능 및 서로 다른 성능을 갖는 염료감응 태양전지 단위모듈을 직렬 및 병렬로 연결하여 그 성능을 테스트한 결과의 그래프,
도 9는 본 발명의 루프패널을 제작하기 위한 염료감응 태양전지 단위모듈 제작 공정을 설명하는 공정도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 염료감응 태양전지 단위모듈에 대한 제조 공정을 첨부한 도 9를 참조로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 준비된 곡면 유리기판 중 하나의 곡면 유리기판의 오목한 면과 다른 하나의 곡면 유리기판의 볼록한 면에 SPD(Spray prolysis deposition) 방법을 이용하여 각기 FTO 전도성 막을 코팅한다(도 9의 (a) 참조).
이때, 곡면 유리기판의 오목한 면에 코팅된 전도성 막은 작동전극으로 사용되고, 반대쪽 유리기판의 볼록한 면에 코팅된 전도성 막은 상대전극으로 사용된다.
이어서, 유리기판의 작동전극 및 상대전극 위에 집전극 기능을 하는 실버 전극이 코팅되고(도 9의 (b) 참조), 그 위에는 글라스 프릿을 사용하여 실버 전극 보호층이 코팅된다(도 9의 (c) 참조).
다음, 유리기판의 오목한 면에 코팅된 전도성 막 위에 TiO2 를 코팅하되, 예를 들어 15 um 두께의 TiO2 를 코팅하여 광전극 역할을 하는 TiO2 전극막이 형성되고, 아래쪽 유리기판의 볼록한 면에 코팅된 전도성 막 위에 백금(Pt) 전극이 코팅된다(도 9의 (d) 참조).
이때, 백금 전극이 코팅된 곡면 전도성 기판은 백금 처리 전 미리 전해질 주입구를 생성한 후 백금 전극이 코팅된다.
다음으로, 상기 TiO2 전극막에 기존과 동일한 공정으로 염료를 흡착시키고(도 9의 (e) 참조), 도전부재로 된 실링을 사용하여 상부 및 하부 유리기판의 작동전극과 상대전극이 상호 접합된다(도 9의 (f) 참조).
이어서, 상기 상대전극의 곡면 기판에 뚫어놓은 전해질 주입구를 통해 모듈 내부에 전해질을 주입하고(도 9의 (g) 참조), 마지막으로 전해질 주입구를 실링함으로써 단위모듈의 염료감응 태양전지가 완성된다(도 9의 (h) 참조).
이렇게 완성된 반투명의 염료감응 태양전지 단위모듈(10)의 실링(12)과 실링 (12)간을 접착제로 부분 접합하면 여러개의 염료감응 태양전지 단위모듈(10)이 도전 가능하게 연결되는 구조로 제작되고, 외부에서 보았을 때 집전극 역할을 하는 그리드(20) 즉, 집전극 기능을 하는 실버 전극이 일방향을 향하여 배열된 상태가 된다.
상기와 같이 제조되는 염료감응 태양전지 단위모듈을 루프패널로 구성하는 예를 첨부한 도 1을 참조로 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1에 도시된 바와 같이, 염료감응 태양전지 단위모듈(10)은 전극 역할을 하는 모듈 실링(12)에 의하여 서로 연결되고, 상면에는 접착수단인 PVB 필름(14)이 접착되며, 저면에는 모듈 보호필름(16)이 부착되며, 상기 PVB 필름(14) 위에는 본래의 루프패널(예: 파노라마 선루프) 재질로 채택되는 강화유리(18)가 접합된다.
이렇게 구비된 각 염료감응 태양전지 단위모듈(10)이 모듈 실링(12) 즉, 전극 접합부에 의하여 상호 연결되면, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈(10)이 매트릭스 배열을 이루며 상호 연결된 루프패널(20)로 완성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기와 같이 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈을 상호 접합하여 루프패널로 구성하되, 매트릭스 배열을 갖는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈의 각 전극을 와이어 접속 구조물을 사이에 두고 접합시키는 점, 그리고 각 염료감응 태양전지 단위모듈을 직병렬로 연결시킨 점에 특징이 있다.
먼저, 본 발명의 루프패널 구성을 위하여 각 염료감응 태양전지 단위모듈을 직병렬로 연결하는 이유를 살펴보면 다음과 같다.
염료감응 태양전지 단위 모듈을 직렬 및 병렬 배열하여 성능 평가를 진행하였는 바, 도 8a의 실험 결과 그래프에서 보듯이 동일한 성능을 갖는 모듈을 연결할 경우, 직렬과 병렬 구조 모두 동일한 성능을 나타내었으며, 병렬 구조 적용시 광전류가 증가하고, 직렬 구조 적용시 광전압 증가로 나타내기 때문에, 결국 얻고자 하는 전류, 전압값을 산출하여 직/병렬 구조가 적용된 자동차용 태양전지 루프 패널을 제작할 수 있음을 알 수 있었다.
반면, 도 8b의 실험 결과 그래프에서 보듯이 성능이 서로 다른 두 단위 모듈을 직렬로 연결한 경우, 성능 높은 셀로부터 낮은 셀로 과전류가 흘러 셀 성능 저하로 초래하고, 이는 곧 전체적인 모듈 효율 감소로 나타나며, 또한 병렬 연결시 리버스 바이어스(Reverse bias) 부분에서 셀 디그레이션(Cell degradation)으로 인한 전류 감소 현상이 관찰되어, 루프패널에 적합하지 않음을 알 수 있었다.
따라서, 염료감응 태양전지 단위모듈이 루프패널로 구성될 경우, 목표로 하는 출력, 전류, 전압 값을 얻을 수 있도록 동일한 성능의 모듈을 직/병렬 구조를 연결하는 것이 바람직하다.
이를 위해, 본 발명은 첨부한 도 3a 내지 도 3c에 나타낸 바와 같이, 루프패널(20)을 위하여 매트릭스 배열을 이루며 상호 연결된 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈(10) 중, 종방향의 염료감응 태양전지 단위모듈(10)을 직렬라인(22)으로 연결하고, 각 직렬라인(22)을 병렬라인(24)으로 연결함으로써, 매트릭스 배열을 갖는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈(10)이 직병렬로 연결되는 상태가 되도록 한다.
이때, 첨부한 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 상기 직렬라인(22) 중 선택된 2개 이상의 직렬라인(22)에 바이패스 라인(26)을 병렬로 더 연결함으로써, 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈 중 특정의 것이 루프패널의 작동중 손상되더라도, 바이패스라인을 통하여 손상되지 않은 정상적인 염료감응 태양전지 단위모듈로부터의 출력, 전류, 전압 값을 지속적으로 얻을 수 있다.
여기서, 본 발명의 루프패널을 구성하는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈이 도전 가능하게 접합되는 구조를 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 루프패널 구성을 위하여 매트릭스 배열을 갖는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈의 각 전극이 상호 접합될 때, 와이어 접속 구조물을 사이에 두고 접합되는 점에 특징이 있다.
바람직하게는, 상기 와이어 접속 구조물은 구리, 금, 실버, 알루미늄, 알로이(alloy)중 선택된 어느 하나의 재질을 이용하여 얇은 세선으로 가공된 소프트 와이어로 만들어진 것이다.
따라서, 도 6에서 보는 바와 같이 상기 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈(10)의 각 전극(11)에 전도성 페이스트(미도시됨, 예를 들어 실버 페이스트, 카본 페이스트 등)를 얇게 도포한 다음, 그 사이에 소프트 와이어(30)를 적층하여 각 전극(11)을 도전 가능하게 접합시킨다.
바람직하게는, 상기 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈(11)의 각 전극(11)에 소프트 와이어(30)를 미리 본딩시키면 전도성 페이스트의 소모량을 절감할 수 있거나, 다시 전도성 페이스트를 더 도포하는 등의 작업상 오류를 방지할 수 있다.
이때, 고열을 이용하여 와이어를 녹이면서 각 전극에 본딩시키는 등의 통상의 와이어 본딩 방법을 이용하여 소프트 와이어를 전극에 미리 고정시킬 수 있다.
또한, 첨부한 도 6에서 보듯이 상기 소프트 와이어(30)는 염료감응 태양전지 단위모듈(10)의 전극(11) 사이에 배치되어 접합될 때, 접합 가압력에 의하여 플랫한 형상으로 변형됨으로써, 결과적으로 루프패널의 두께는 플랫한 형상으로 변형된 와이어에 의하여 최대(Max) 0.1mm 이내 수준으로 미미하게 증가될 뿐, 서로 접합된 염료감응 태양전지 단위모듈(10)을 루프패널로 적용하는데 문제가 없게 된다.
한편, 첨부한 도 5a 내지 도 5e에 도시된 바와 같이 본 발명의 염료감응 태양전지 루프패널을 구성하는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈(10)의 전극(11)에 소프트 와이어(30)를 적용할 때, 전극의 길이 및 폭, 면적 등을 고려하여 단일의 직선라인, 이중의 직선 라인, 지그재그 라인, 메쉬, 물결 라인 중 선택된 하나를 적용할 수 있다.
첨부한 도 7은 염료감응 태양전지 단위모듈을 소프트 와이어로 접합한 것과 소프트 와이어 없이 접합한 것을 비교한 개략적 단면도이다.
도 7의 소프트 와이어로 접합한 것과 소프트 와이어 없이 접합한 것에 대한 광전류, 필 팩터를 측정한 결과, 광전류 (0.5A → 2.0A), 필 팩터(Fill factor) (24% → 49%)로 증가한 것을 확인하였다. 이를 통하여 발전을 위한 작동 효율이 소프트 와이어를 적용하지 않은 경우에 비하여 모두 증가한 것을 알 수 있었으며, 이는 소프트 와이어를 도입함에 따라 전극간 접합 부분의 저항 감소 효과가 있기 때문이다.
이와 같이, 각 염료감응 태양전지 단위모듈의 전극 부분에 소프트 와이어를 적용하면, 각 단위모듈간 접합시 금속 와이어의 전도도가 우수하기 때문에, 두 모듈간 전극 컨택을 향상시켜줄 수 있고, 전극간 접합 부분의 저항 감소 효과로 인하여 염료감응 태양전지 단위모듈의 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
10 : 염료감응 태양전지 단위모듈
11 : 전극
12 : 모듈 실링
14 : PVB 필름
16 : 모듈 보호필름
18 : 강화유리
20 : 루프패널
22 : 직렬라인
24 : 병렬라인
26 : 바이패스 라인
30 : 소프트 와이어

Claims (8)

  1. 매트릭스 배열을 갖는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈의 각 전극을 와이어 접속 구조물을 사이에 두고 접합시킴과 함께 각 염료감응 태양전지 단위모듈을 직병렬로 연결시키고, 상기 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈의 각 전극에 전도성 페이스트가 도포되고, 그 사이에 소프트 와이어가 적층되어, 각 전극이 접합되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 루프패널.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 매트릭스 배열을 갖는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈 중, 종방향의 염료감응 태양전지 단위모듈을 직렬라인으로 연결하고, 각 직렬라인을 병렬라인으로 연결함으로써, 매트릭스 배열을 갖는 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈이 직병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 루프패널.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 직렬라인 중 선택된 2개 이상의 직렬라인에 바이패스 라인이 병렬로 더 연결된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 루프패널.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 와이어 접속 구조물은 구리, 금, 실버, 알루미늄, 알로이(alloy)중 선택된 어느 하나의 재질을 이용하여 소프트 와이어로 만들어진 것임을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 루프패널.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 다수의 염료감응 태양전지 단위모듈의 각 전극에 소프트 와이어가 직접 본딩되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 루프패널.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 와이어 접속 구조물로 채택된 소프트 와이어는 단일의 직선라인, 이중의 직선 라인, 지그재그 라인, 메쉬, 물결 라인 중 선택된 하나로 구비된 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 루프패널.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 와이어 접속 구조물로 채택된 소프트 와이어는 염료감응 태양전지 단위모듈의 전극 사이에 배치되어 접합될 때, 접합 가압력에 의하여 플랫한 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 루프패널.
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