KR101458576B1 - 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템과 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법 - Google Patents
밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템과 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템 및 이를 제조하는 방법에 관한 것으로 상기 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템(1)은, 전기적으로 절연성인 기판(2), 작용 전극들(12)을 지탱하도록 배치된 캐리어 영역들(4)을 포함하는 전기적으로 전도성인 패턴(3), 대향 전극들(14)에 연결되는 콘택부들(10), 상기 캐리어 영역들(4)과 제 1 단자(6)를 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로들(5), 및 상기 콘택부들(10)과 제 2 단자(8)를 연결하는 제 2 세트의 콘택 경로들(7)을 포함하며, 또한, 상기 시스템은 기판(2) 상에 배치된 다공성 구조들(111 - 112n)의 어레이, 여기서 각각의 다공성 구조(11)는 작용 전극(12), 절연층(13) 및 대향 전극(14)을 포함하며, 다수의 전자화학 셀들을 형성하기 위해 상기 다공성 구조들(111 - 112n)내에 적어도 부분적으로 충전된 전해질 및 다공성 구조들(111 - 112n)의 상기 어레이를 커버링하는 캡슐을 포함한다.
광 전자화학, 모노리식, 작용 전극, 대향 전극, 병렬 연결
Description
본 발명은 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템(sealed monolithic photo-electrochemical system)에 관한 것이다. 본 발명은 전기적으로 절연성인 기판, 전기적으로 전도성인 패턴을 포함하는 구조에 기초하고 있는바, 전기적으로 전도성인 패턴은 캐리어 영역들, 상기 캐리어 영역들을 제 1 단자에 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로(contact path), 그리고 제 2 단자로부터 콘택부쪽으로 연장되는 제 2 세트의 콘택 경로를 포함한다. 다공성 구조들의 어레이는 캐리어 영역 상에 위치한다. 각각의 다공성 구조는 작용 전극, 절연층 그리고 대향 전극을 포함한다.
또한, 본 발명은 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 전술한 바와 같은 구조를 형성하는 방법에 관한 것인바, 여기서 어레이로 배치되어 기판 상에 위치한 전자화학 셀들은 다공성 구조들로 이루어지며, 상기 다공성 구조는 다공성 작용 전극, 작용 전극 위에 위치하며 작용 전극과 접촉하고 있는 다공성 절연층 그리고 절연층 위에 적어도 부분적으로 위치하며 절연층과 접촉하고 있는 다공성 대향 전극을 포함한다. 상기 전극들과 절연층은 바람직하게는 소결(sintering)에 의해 형성된다.
모노리식 광-전자화학 시스템은 해당 기술분야에서 알려져 있다. 모노리식 광-전자화학 시스템은 작용 전극(working electrode, 이하 "작용 전극" 이라 함)과 대향 전극(counter electrode, 이하 "대향 전극" 이라 함)이 하나의 통합 몸체에 조립되어 있는 전자화학 시스템이다. 작용 전극과 대향 전극은 다공성 절연 물질의 중간층에 의해 분리된다. 작용 전극과 대향 전극은 다공성 구조로 만들어지며 그리고 전해질(electrolyte)이 상기 다공성 구조 내에 적어도 부분적으로 충전되어 모노리식 구조가 되는바, 이는 작용 전극을 형성하는 소정층, 대향 전극을 형성하는 소정층 그리고 작용 전극과 대향 전극을 분리하는 절연층을 포함한다.
모노리식 광-전자화학 시스템의 초기 일례는 PCT 특허출원(공개번호 WO97/16838)에 개시되어 있는바, 상기 초기 사례는 광전지 셀(photovoltaic cell) 배터리에 관한 것이며, 이는 직렬 연결된 다수의 광전지 셀들의 모노리식 조립체를 포함한다.
통상적인 광-전자화학 시스템은 제 1 전극이 마련된 제 1 기판과 제 2 전극이 마련된 제 2 기판을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 기판은 서로 마주보도록 위치하되 이들 사이에는 작은 간격(gap : 이하, "간격" 또는 "갭" 이라 함)이 존재한다. 상기 간격을 원하는 범위내의 크기로 만들기 위해서, 스페이서가 이용되어 이들 기판들을 소정 거리만큼 이격시킬 수 있다. 상기 시스템은 제 1 및 제 2 기판의 에지들(edges)에서 밀폐되며 전기적으로 연결된 인접 셀들 사이에서 밀폐되는바, 이는 셀들 사이에서 전해질(electrolyte)이 접촉하는 것을 방지하기 위함이다. 시스템의 전체 활성 영역(전극들의 완성 영역 위에 있는)에 대해서 균일한 특성들을 갖는 광-전자화학 시스템을 제조하기 위해서는, 전극들 간의 거리를 좁게 유지하는 것이 필수적인바, 이는 제품 제조를 어렵게 만든다. 인접한 셀들 사이에서 전해질이 접촉하는 것을 방지하기 위해서는, 상기 2개의 기판들의 수평 위치제어가 매우 높은 정밀도로 수행되어야만 하는바, 이 역시 제품 제조를 어렵게 만든다. 이러한 종래의 bilithic 유형의 광-전자화학 시스템의 또 다른 단점은, 시스템의 조립이 끝난 후에 통상적으로 전해질이 주입되어야만 한다는 점이다. 전해질이 주입되는 통로의 입구는, 전해질이 새는 것을 방지하고 그리고 예컨대 셀 안으로 물이 침투하는 것을 방지하기 위해서, 전해질이 주입된 이후에 양호하게 밀폐되어야만 한다. 각각의 셀들마다 별도의 입구가 필요하므로, 많은 셀들을 갖는 시스템의 경우에는 많은 수의 입구들이 필요하며, 따라서 제품 제조가 어려워진다. 좁은 통로를 통해, 기판들 사이의 본질적으로는 닫힌 공간 속으로 전해질을 주입한다는 것은, 시스템 내에서 에어 포켓(air pocket)이 발생하는 것을 야기할 수도 있으며 또는 전해질의 불균일한 분포를 야기할 수도 있는바, 이들 모두는 시스템의 품질을 열화시킨다.
도시된 모노리식 전자화학 시스템은 매우 컴팩트하고 간단한 디자인을 제공하는바, 여기서는 제 2 기판으로부터 소정 거리에 위치한 제 1 기판이 없이도 전자화학 시스템이 형성될 수 있다. 이러한 경우, 기판에 적용되는 다층 구조에 의해 전자화학 시스템이 구성될 수 있으며, 이 이후에 상기 전자화학 시스템이 폐쇄된다. 광 흡수 염료 및 전해질은 전자화학 시스템을 폐쇄하기 전에 주입되는 것이 바람직하다. 상기 구조는, 적어도 하나의 폴리머층을 포함하는 구부릴 수 있는 시트에 의해서 적절하게 폐쇄될 수 있는바, 이는 바람직하게는 대기압 이하 압력(sub-atmospheric pressure)과 열의 존재하에서 상기 구조에 적용된다.
모노리식 광-전자화학 시스템들에 대한 실험들에 의하면, 전자화학 셀들이 동일한 기판상에서 동시에 제조되는 경우에도, 이들 셀들이 소정 범위 내에서 동일한 특성(들)을 갖도록, 모노리식 광-전자화학 셀들의 어레이를 기판상에 제조하기는 어려운 것으로 알려졌다. 하나의 광-전자화학 셀은 그것의 전류-전압 특성에 의해 특징될 수 있다. 셀의 전류-전압 특성은 빛의 세기 및 빛의 스펙트럼에 따라 변한다. 광-전자화학 셀의 전류-전압 특성들을 기술할 수 있는 중요한 데이터는 단락-회로 전류(short-circuit current : Isc), 개방-회로 전압(open-circuit voltage : Uoc) 및 최대 전력 포인트(Pmax) 인데, 최대 전력 포인트는 측정에 이용되었던 특정한 광 조건들하에서 전자화학 셀이 산출해낼 수 있는 최대 에너지 출력이다. 커브 ff = Pmax / (Uoc * Isc)를 설명하기 위해서 필-팩터(fill-factor : ff) 항이 종종 이용된다. 공통 기판 상에 배치되는 개별 셀들의 전류-전압 특성들에서의 차이를 감소시키기 위해서, 제조 요건들은 고품질의 화학 성분들의 순도, 고품질의 제조 환경 및 제조 공정을 좀더 엄격하게 요구하는 경향이 있다. 이러한 기준들은 제조 비용의 상승을 야기한다. 중요한 일례는, 작용 전극, 절연층, 그리고 대향 전극을 형성함에 있어 완벽한 제어를 할 필요성에 관한 것인데, 이는 대향 전극이 절연층을 부분적으로 관통하여 작용 전극과 접촉하게 되는 것이나 및/또는 기판 상의 중간 전도층과 접촉하게 되는 것을 방지하기 위함인바, 왜나하면 이러한 점은 에너지 손실을 야기하며 따라서 공통 기판상의 개별 셀들의 전류-전압 특성들의 변동을 야기하기 때문이다. 작용 전극과 대향 전극 사이에서 산화환원 쌍(redox-couple)을 함유한 전해질의 확산은 얇은 절연 스페이서층에 의해 단순화되기 때문에, 최적의 셀 성능을 얻기 위하여 이러한 얇은 절연 스페이서층이 요구되는 경우에는 이런 현상이 좀더 심각해진다.
모노리식 광-전자화학 시스템의 다공성 대향 전극은, 1) 대향 전극을 통해 전자가 운송되는 동안에 에너지 손실을 회피하기 위해서 양호한 전기 전도체가 되어야만 하며, 2) 전해질의 산화환원 쌍에 대해서 양호한 촉매성을 가져야 하며, 3) 기판 상의 중간 전도층에 대해 양호한 접착성을 가져야 한다. 모노리식 광-전자화학 시스템에 대한 실험들에 의하면, 이들 3개의 특성들을 하나의 대향 전극 물질에 결합시키는 것은 용이하지 않다고 알려져 있다. 이들 3개의 특성들을 하나의 다공성 대향 전극 물질에 결합시키고자 하는 경우, 이들 3개의 특성들 중 적어도 하나는 항상 불충분하게 구현되었는바, 이는 에너지 손실을 야기하고 따라서 모노리식 광-전자화학 시스템의 효율을 감소시킨다.
모노리식 광-전자화학 시스템의 전극들은, 예컨대 스크린-프린팅 공정에서 페이스트들(pastes)의 선택적인 퇴적(deposition)을 통해 일반적으로 형성되며, 이후 페이스트의 유기 잔류물들을 날려버리고 다공성 전극들의 입자들 사이에서 전기적인 콘택을 형성하기 위해서 상기 전극들은 소결된다. 종래기술에서는 전극층들이 증착된 다음에 하나의 소결 공정에서 상기 과정이 수행되었다. 모노리식 광-전자화학 시스템에 대한 실험들은, 작용 전극과 대향 전극의 특성들이 소결 온도에 좌우됨을 보여주며 서로 다른 층들은 서로 다른 최적 소결 온도를 가짐을 보여주고 있다.
본 발명의 목적은, 공통 기판 상에 배치된 다수의 셀들을 구비한 모노리식 광-전자화학 시스템을 제공하는 것이다. 상기 모노리식 광-전자화학 시스템은 생산 공정에 엄격한 요건들을 부과하지 않으면서도, 종래기술에 따른 시스템에 비하여 개선된 효율을 갖는바, 따라서 이러한 전자화학 시스템을 비용 효율적으로 제조하는 것이 가능해진다.
본 발명의 상기 목적은, 본원의 청구항 제1항에 기재된 바에 따른 밀폐형 모노리식 시스템에 의해 달성된다. 종래기술의 해결책인 셀들을 직렬로 연결하는 것과는 달리, 본 발명은 다수의 광-전자화학 셀들을 기판 상에 병렬로 연결하는 것에 기초하고 있다.
본 발명은 다음과 같은 3개의 견해(observation)에 기초한다.
1) 단락-회로 전류 및 필-팩터는, 비록 광-전자화학 셀들이 동시에 제조되었다 하더라도, 동일한 기판 상에 제조된 이들 개별 모노리식 광-전자화학 셀들 사이에서 차이가 있으며, 반면에 이들 셀들에 대한 개방-회로 전압의 변동은 매우 작다.
2) 장기-안정성(long-term stability) 즉, 시간경과에 대한 셀들의 성능은, 비록 이들 셀들이 동시에 제조되었다 하더라도, 동일한 기판 상에 제조된 이들 개별 모노리식 광-전자화학 셀들 사이에서 차이가 있다. 개별 셀들에서의 이러한 차이는 단락-회로 전류 및/또는 필 팩터의 상이한 진화(evolution)때문인 것으로 여겨지며, 반면에 이러한 셀들에 대한 개방-회로 전압은 대체적으로 동일하도록 변화된다.
3) 모노리식 광-전자화학 셀의 일부가 셀의 나머지 부분보다 더 적은 세기의 빛에 노출되는 경우(예컨대, 그늘(shading)에 의해), 셀의 상기 개방-회로 전압은 일정하게 남아있거나 또는 아주 약간만 감소한다. 다른 한편으로, 셀의 단락-회로 전류는, 적은 세기의 빛에 노출된 면적에 비례하여 감소한다. 이러한 점은, 모노리식 광-전자화학 셀의 단락-회로 전류는 빛의 세기에 따라 선형적으로 증가하는 반면에, 개방-회로 전압은 빛의 세기에 따라 대수적(logarithmically)으로 증가한다라는 사실로부터 부분적으로 설명될 수 있다. 하지만, 실험에서 개방-회로 전압의 작은 변동폭은 예상했던 것보다 더 적었으며, 이는 시스템의 예상치 못한 유용한 특성을 나타낸다.
광-전자화학 시스템의 개별 셀들이 병렬로 연결되는 경우, 즉 셀들의 작용 전극은 제 1 단자에 연결되고 대향 전극은 제 2 단자에 연결되는 경우에, 시스템의 전류-전압 특성은, 상기 단자들 양단의 각각의 특정 전압에 대하여 각 셀로부터의 전류를 합산함으로써 얻어진다. 반대로, 광-전자화학 시스템의 개별 셀들이 직렬로 연결되는 경우, 즉 소정 셀의 대향 전극이 다른 셀의 작용 전극에 연결되는 경우, 시스템의 전류-전압 특성은, 셀을 흐르는 각각의 전류에 대하여 각각의 셀에 대한 전압을 합산함으로써 얻어진다.
본 출원의 발명자들이 관찰한 결과, 동일한 기판 상에 제조된 모노리식 광-전자화학 셀들은, 이미 제조 당일로부터 또는 시간경과에 따른 셀의 변화들로 인해, 상이한 전류-전압 특성을 가지며(변동되는 단락-회로 전류 및 필 팩터의 관점에서 보면), 에너지 손실(즉, 시스템 내의 각 셀들의 최대 파워 출력들을 합한 것에 대한 시스템의 최대 파워 출력)은, 직렬 연결에 비하여 상기 셀들을 병렬로 연결하는 경우에 더 작아질 것이다. 즉, 병렬로 연결된 이러한 셀들의 최대 파워 포인트는 직렬 연결에 비하여 더 커질 것이다. 전류-전압 특성에 있어 이러한 변동을 갖는 모노리식 광-전자화학 시스템(병렬로 배치된 셀들을 구비한)은, 직렬로 배치된 셀들을 구비한 광-전자화학 시스템보다 좀더 효율적이라는 점이 본 발명의 발명자들에 의해서 실험적으로 입증되었다.
공통 기판 상의 개별 셀들의 특성 차이들을 감소시키기 위해, 더 고심하여 만들어낸(more elaborate) 제조 방법을 개발하는 대신에, 본 발명의 발명자들은 종래기술의 해결책들에서 제시되었던것 처럼 직렬로 셀들을 연결하기 보다는, 셀들을 병렬로 배치할 것을 제안하였다.
직렬-연결된 광-전자화학 셀들의 어레이에서, 다른 셀들에 비해 하나 이상의 셀들이 더 낮은 단락-회로 전류를 갖지만 다른 셀들과 같이 대체적으로 동일한 개방-회로 전압을 갖는 경우, 미스매칭된(mismatched) 셀들과 같은 다른 셀들은, 미스매칭된 셀들의 단락-회로 전류보다 더 큰 전류에서 동작할 수도 있다. 따라서, 이들 셀들은 네가티브 바이어스(negative bias)에서 동작할 것이며 그리고 에너지를 방산(dissipate)할 것이다. 병렬로 연결된 시스템에서는, 이러한 경우가 존재하지 않는바, 왜나하면, 전류-전압 특성의 전압 레벨들에 대해서 각각의 셀들을 흐르는 전류들을 합산함으로써, 시스템의 전류-전압 특성이 주어지기 때문이다. 이와 반대로, 병렬-연결된 광-전자화학 셀들의 어레이에서, 하나 이상의 셀들은 다른 셀들에 비해 더 낮은 개방-회로 전압을 갖지만 다른 셀들과 같이 대체적으로 이상적인 단락-회로 전류를 갖는 경우, 낮은 개방-회로 전압을 갖는 상기 셀은, 미스매칭된 셀의 개방-회로 전압보다 더 높은 전압에서 동작할 수도 있다. 따라서, 상기 셀들은 음(negative)의 전류에서 동작할 수도 있으며 에너지를 방산할 수도 있다. 직렬-연결된 시스템에서 이러한 상황은 존재하지 않는바, 이는 셀을 흐르는 각각의 전류에 대해서 각각의 셀 양단의 전압을 합산함에 의해서, 시스템의 전류-전압 특성이 주어지기 때문이다. 본 발명의 발명자들이 관찰한 바에 따르면, 동일한 기판 상에 제조된 모노리식 광-전자화학 셀들은, 이미 제조 당일로부터 또는 시간경과에 따른 셀의 변화들로 인해, 상이한 전류-전압 특성을 갖지만(단락-회로 전류 및 필 팩터가 변동된다는 관점에서 보면), 매우 유사한 개방-회로 전압들을 가지므로, 셀이 에너지를 방산하는 사태(situation)는, 직렬-연결된 시스템에 비하여 병렬-연결된 시스템에서 매우 적게 발생할 것이다.
빛을 전기 에너지로 변환시키기 위해서 광-전자화학 시스템이 실외에 설치되는 경우, 공통 기판 상에 배치된 태양 전지들(solar cells) 중 일부는 일시적으로 그늘에 위치하게 될 수도 있으며 반면에 나머지 태양 전지들은 태양빛에 직접 노출될 수 있다. 본원발명의 발명자들의 관찰결과, 셀이 부분적으로 또는 완전히 그늘진 경우, 개방-회로 전압은 일정하거나 또는 매우 적게 감소하며, 셀 어레이를 동일 기판 상에 구비한 모노리식 광-전자화학 시스템이 부분적으로 그늘진 경우, 병렬 연결된 셀들은 직렬 연결된 셀들에 비하여, 더 적은 에너지 손실을 유도하게 될 것이다. 이는 본 발명의 발명자들에 의해 실험적으로 입증되었는바, 연결된 셀들의 어레이에서 하나 이상의 셀들이 부분적으로 그늘지는 경우, 셀들이 직렬로 연결된 경우보다 셀들이 병렬로 연결된 경우에, 개별 셀들에 의해 생성된 더 많은 에너지가 시스템 출력으로서 이용가능해질 것이다.
더 나아가, 빛을 전기 에너지로 변환하는 디바이스로서 이용되는 광 전자화학 시스템(셀들이 공통 기판 상에 직렬 연결되는 경우)에서, 하나의 셀 또는 몇몇 셀들이 그늘에 적어도 부분적으로 위치하게 되는 경우 또는 하나 이상의 셀들이 다른 셀들보다 더 낮은 단락-회로 전류를 갖는 경우(셀들의 제조원(origin)으로부터의 차이 때문이거나 또는 셀들의 서로 다른 연령 때문에), 상기 시스템이 상기 셀(들)의 단락-회로 전류보다 더 높은 전류에서 동작하는 때에, 상기 전류는 역 바이어스(즉, 음의 극성)하에서 상기 셀(들)을 통해 흐르게 될 것이다. 이러한 점은, 셀의 품질열화를 야기할 수도 있으며 그리고 역 바이어스인 셀들에서는 에너지가 방산되기 때문에 시스템의 효율을 틀림없이 감소시키게 될 것이다. 셀들이 병렬로 연결된 모노리식 광-전자화학 시스템에서, 이러한 문제점이 발생할 위험은, 본원발명의 발명자에 의한 하기의 3개의 관찰결과 때문에 매우 작다. 1) 부분적으로 그늘진 모노리식 광-전자화학 셀의 개방-회로 전압은 상수로 남거나 또는 그늘지지 않는 경우에 비하여 아주 조금만 감소한다. 2) 공통(common) 기판 상에 제조된 셀들에 대하여 개방-회로 전압은 대략 일정하다. 3) 동일(same) 기판 상에 제조된 셀들에 대하여 개방-회로 전압은, 단락-회로 전류 보다 훨씬 더 고르게(evenly) 전개된다. 이러한 결과, 셀들이 직렬로 연결되는 경우에 비하여 셀들이 병렬로 연결되는 경우, 부분적인 그늘짐 때문에 역 바이어스에서 동작하는 셀들을 좀더 효율적으로 방지할 수 있게 되는바, 따라서 더 높은 파워 출력을 얻을 수 있고 그리고 시스템의 수명을 연장시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 하기의 종속항들에서 개시된다.
대향 전극은, 아래쪽으로 연장되어 콘택 경로에 접촉하게 되는 제 1 말단부를 갖는바, 상기 콘택 경로는 단자에 도달한다. 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에서, 대향 전극은 콘택층을 포함하는바, 이는 대향 전극의 나머지 부분과는 상이한 조성을 갖는다. 상기 콘택층은 제 1 말단부에 위치하고 있으며, 상기 콘택 경로에 연결된 콘택부와 접촉하게 된다. 콘택층은 대향 전극의 나머지 부분과는 상이한 속성들을 갖는다. 콘택층을 형성하는 물질은, 대향 전극의 나머지 부분을 형성하는 물질보다 좀더 강력하게 상기 콘택부 및/또는 기판에 부착될 수 있는 물질로 선택된다.
2개의 상이한 소결 공정에서 상기 작용 전극과 대향 전극을 소결하는 것에 의해, 각각의 전극에 대해 소결 공정을 최적화하는 것이 가능해진다. 바람직하게는 TiO2 조성을 포함하여 구성되는 작용 전극에 대한 소결 공정은 약 450℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 반면에 바람직하게는 탄소로 구성된 대향 전극에 대한 소결 공정은 약 390℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 탄소 대향 전극을 상대적으로 더 낮은 온도에서 소결함으로써, 상당히 낮은 저항을 갖는 대향 전극이 얻어진다. 이는, 모노리식 광-전자화학 셀에서 대향 전극을 통한 전자 전달에 의해 야기되었던 에너지 손실을 감소시킬 수 있으며 따라서 셀 효율을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는, 제 1 및 제 2 공정단계에서 대향 전극이 기판 상에 형성되는바, 대향 전극에 대한 콘택층은 상기 제 1 공정단계에서 적용되며, 대향 전극의 나머지 부분은 상기 제 2 공정단계에서 적용된다. 콘택층을 도입함으로써, 대향 전극의 나머지 부분의 전도도에 나쁜 영향을 끼치지 않고서도, 대향 전극과 콘택 경로 및/또는 기판 사이에서 향상된 접착력을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예들은 아래와 같은 첨부된 도면들을 참조하여 좀더 상세히 설명될 것이다.
도1은 전기적으로 전도성인 층이 마련되어 있는 기판을 도시한 평면도이다.
도2는 도1에 도시된 기판을 A-A 라인에 따라 절단한 단면도이다.
도3은 도1에 도시된 기판 상에 배치된 모노리식 시스템을 도시한 도면이다.
도4는 도3의 모노리식 시스템을 B-B 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도4a는 도4의 C 부분을 확대한 확대도이다.
도5는 본 발명의 제 2 실시예에 따라 기판 상에 배치된 전기적으로 전도성인 패턴을 도시한 도면이다.
도6은 도5에서 D-D 라인을 따라 절단한 단면도이다.
도7은 캐리어 영역 및 콘택부를 형성하는 중간층을 도시한 도면이다.
도8은 제 1 세트 및 제 2 세트의 콘택 경로에 포함된 전도체들을 도시한 것이다.
도9는 본 발명의 제 3 실시예에 따라 기판 상에 배치된 전기적으로 전도성인 패턴을 도시한 도면이다.
도10은 도9에 도시된 실시예에서 캐리어 영역 및 콘택부를 형성하는 중간층을 도시한 도면이다.
도11은 도9에 도시된 실시예에서 캐리어 영역 및 콘택부를 형성하는 중간층을 도시한 도면으로, 2개의 캐리어 영역들 사이의 영역에서 중간층의 형상에 대한 대안적인 배치를 도시한 것이다.
도12a 및 도12b는 도9의 D-D, E-E 라인에 따른 절단면을 도시한 단면도이다.
도13a 및 도13b는 기판 상에 배치된 2개의 모노리식 광-전자화학 셀들의 세트를 도시한 것으로, 전도체들이 중간층 아래에 위치한 경우이다.
도14는 기판 상에 배치된 모노리식 광-전자화학 셀을 도시한 것으로, 전도체들이 중간층 및 대향 전극 상에 위치한 경우이다.
도15a 및 도15b는 기판 상에 배치된 2개의 모노리식 광-전자화학 셀들의 세트를 도시한 것으로, 전도체들이 전해질 용액과 화학적으로 친화성이 있는 경우이다.
도16은 갭에 의해 분리된 연장된 셀들의 로우(row)에 배치된 다수의 셀들을 포함하는 모노리식 광-전자화학 시스템을 도시한 것이다.
도17은 각각 직렬 연결 및 병렬 연결된 대체적으로 동일한 3개 셀들의 전류-전압 특성을 도시한 것이다.
도18은 도17에 도시된 바와 같이 직렬 및 병렬로 각각 연결된 셀들에 대해 전압의 함수로서 파워를 도시한 것이다.
도19는 도17 및 도18에서와 같이 배치된 셀들의 전류-전압 특성을 도시한 것으로, 이들 셀들 중 하나는 부분적으로 그늘진 경우이다.
도20은 도18에서와 같이 직렬 및 병렬로 각각 연결된 셀들에 대해 전압의 함수로서 파워를 도시한 것으로, 하나의 셀이 부분적으로 그늘진 경우이다.
위의 도면들은 오직 걔략적으로 도시되었으며, 비제한적인 것이다. 도면에서, 몇몇 구성요소들의 사이즈는 예시적인 목적으로 과장되게 표현될 수도 있으며, 축적대로 그려진 것은 아니다. 특히, 캐리어 영역, 대향 전극, 절연층 및 작용 전극을 포함하는 다중층들의 두께는, 상기 층들 각각의 수평으로 연장된 부분에 비하여 매우 과장되게 표현되었음을 유의해야 한다.
도1은 모노리식 전자화학 시스템(1)의 기판(2)을 도시한 것이다. 적절한 기판들이 해당기술 분야에 공지되어 있으며, 이들 기판은 바람직하게는 유리물질 또는 플라스틱 물질로 만들어질 수 있다. 상기 기판(2) 위에는, 작용 전극들(12)을 지지하도록 배치된 캐리어 영역들(4)을 포함하는 전기적으로 전도성인 패턴(3), 대향 전극들(14)에 연결되는 콘택부들(contact portions)(10), 상기 캐리어 영역들(4)을 제 1 단자(6)에 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로(contact path)(5), 및 상기 콘택부들(10)을 제 2 단자(8)에 연결하는 제 2 세트의 콘택 경로(7)가 있다. 전기적으로 전도성인 상기 패턴(3)은, 전도성 물질의 중간층(intermediate layer) 내의 구조화된 패턴(structured pattern)의 형태로 제공될 수도 있다. 전자화학 시스템을 생산하기에 적합한 중간층은 당업계에 공지되어 있다. 상기 기판 및 전기적으로 전도성인 상기 패턴은, 레이저-구조화된(laser-structured) TCO 유리판(예컨대, Hartford Glass 사의 TEC 15 Ohm/square)으로서 제공될 수도 있다. 도1에 도시된 바와 같은 기판에서, 전기적으로 전도성인 상기 패턴은, 중간 전도성 물질(intermediate conducting material)의 구조화된 패턴에 의해 전적으로 구성된다. 전기적으로 전도성인 상기 패턴은 또한, 도13a, 도13b, 도14, 도15a 및 도15b를 참조하여 설명되는 실시예들에서와 같이, 작용 전극들 위에 또는 대향 전극들 위에 배치된 콘택부들을 포함할 수도 있다.
도1에 도시된 일례에서, 상기 중간층은 캐리어 영역(4)을 형성하는 제 1 직사각형 부분 및 제 2 직사각형 부분을 포함한다. 캐리어 영역들(4) 사이에는, 콘택부(10)와 제 2 세트의 콘택 경로(7)의 일부를 형성하는 전도성 영역이 있다. 상기 전도성 영역은 제 2 단자(8) 쪽으로 연장되는바, 이는 외부 전기 회로와 연결하기 위함이다. 또한, 제 1 세트의 콘택 경로(5)의 일부를 형성하고 제 1 단자(6)에 이르는 연장부가 캐리어 영역에 제공된다. 본 명세서의 상기 일례에서, 콘택부들(10)과 제 2 단자(8)에 이르는 콘택 경로(7) 사이의 분리는, 순전히 가상적인바(purely virtual), 이는 상기 콘택부들과 상기 콘택 경로 둘다, 중간층에 형성된 하나의 중단되지 않는 영역의 일부를 형성하고 있기 때문이다. 또한, 캐리어 영역(4)과 제 1 단자(6)에 이르는 콘택 경로(5) 사이의 분리는, 순전히 가상적인바(purely virtual), 이는 상기 캐리어 영역과 상기 콘택 경로 둘다, 중간층에 형성된 하나의 중단되지 않는 영역의 일부를 형성하고 있기 때문이다. 통상적인 방법에 따른 레이저-구조화(laser-structuring) 또는 화학 식각에 의해 중간층을 선택적으로 제거함 으로써, 이들 영역들이 형성될 수도 있으며, 또는 예컨대 스크린-프린팅을 통해 중간층을 선택적으로 적용함으로써 이들 영역들이 형성될 수도 있다.
도2는 도1의 A-A 라인에 따른 절단면을 도시한 것이다. 기판(2)은 전기적으로 전도성인 패턴(3)을 지탱하고 있는바, 이는 기판 위에 위치한 전도성 물질의 구조화된 중간층에 의해 형성된다. 캐리어 영역(4)과 제 1 콘택 경로(5)의 일부 사이의 가상 분리 및 콘택부(10)와 제 2 세트의 콘택 경로(7)의 일부 사이의 가상 분리가 도시되어 있다. 콘택부(10)와 제 2 콘택 경로(7)가 전도성 물질의 연속적인 중단되지 않는 층으로 구성되어 있다는 점에서 볼때 상기 분리는 가상적이다. 동일한 맥락에서, 캐리어 영역(4)과 제 1 세트의 콘택 경로(5) 사이의 분리는 가상적인바, 이는 상기 캐리어 영역(4)과 제 1 세트의 콘택 경로(5)가 전도성 물질의 연속적인 중단되지 않는 층으로 구성되어 있기 때문이다. 캐리어 영역(4) 및 콘택부(10)는 갭(gap)(9)에 의해 분리된다.
도3을 참조하면, 도1에 도시된 바와 같은 기판 상에 모노리식 광-전자화학 시스템(1)이 형성되어 있다. 상기 모노리식 광-전자화학 시스템(1)은 기판(2) 상에 배치된 다공성 구조들(porous structures)(111 - 112n)의 어레이를 포함한다. 도3에 도시된 광-전자화학 시스템에서, 상기 어레이는 2개의 다공성 구조로 이루어진 어레이로 예시된다. 실제적으로는, 나란히 배치되고 기판의 전체 폭만큼 연장된 또는 기판의 일부 폭만큼 연장된 다공성 구조들의 적어도 하나의 로우(row)가 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 구조의 일례가 도13에 도시되어 있다. 도3의 라인 B-B에 따른 단면도인 도4에 도시된 바와 같이, 각각의 다공성 구조(11)는, 작용 전극(12), 절연층(13), 및 대향 전극(14)을 포함한다. 전해질(electrolyte)이 다공성 구조(11) 내에 적어도 부분적으로 충전되어 있는바, 이는 광-전자화학 셀을 형성하기 위함이다. 작용 전극(12)은 캐리어 영역 위에 위치한다. 절연층(13)은 작용 전극 위에 위치하고 있으며, 작용 전극이 대향 전극(14)과 접촉하는 것을 방지하고 있는바, 대향 전극은 절연층 위에 위치한다. 대향 전극(14), 절연층(13) 및 작용 전극(12) 모두는 다공성 나노구조 물질로 형성되어 통합된 모노리식 다공성 구조를 만든다.
절연층(13)은 제 1 말단부(16)를 갖는데 이는 아래쪽으로 연장되어 캐리어 영역(4)과 제 2 세트의 콘택 경로(7)의 컨택부(10) 사이의 갭(9)에 접촉할 수도 있는바, 따라서 작용 전극(12)은 제 2 세트의 콘택 경로로부터 절연된다. 상기 콘택부(10)는 대향 전극(14)과 제 2 세트의 콘택 경로를 전기적으로 연결한다. 콘택 경로(7)의 폭과 콘택부(10)의 폭은 가능한한 좁은 것이 바람직한데 이는, 작용 전극(또는, 광 전극)(12)이 기판 표면 중에서 가능한한 많은 부분을 커버하도록 하여, 광-전자화학 시스템이 가능한한 많은 디바이스 영역으로부터 빛을 흡수하게 하기 위함이다.
대향 전극(14)은, 아래쪽으로 연장되어 제 2 세트의 콘택 경로(7)의 컨택부(10)에 접촉하는 제 1 말단부(17)를 갖는바, 따라서 상기 대향 전극(14)은 제 2 세트의 콘택 경로(7)에 전기적으로 연결된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 말단부(17)는, 대향 전극(14)의 나머지 부분과는 상이한 조성을 갖는 콘택층(18)을 포함한다. 대향 전극(14)의 나머지 부분보다 좀더 강력하게 상기 콘택부(10)에 부착될 수 있도록, 상이한 조성이 선택될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는, 대향 전극의 나머지 부분보다 카본 블랙(carbon black)을 더 많이 포함하는 조성이 상기 상이한 조성으로 선택될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 콘택층(18)의 내용물에서 카본 블랙 대 흑연(graphite)의 비율이 1:4 가 될 수 있으며, 대향 전극의 나머지 부분의 내용물에서는 카본 블랙 대 흑연의 비율이 1:25 가 될 수 있다. 또한, 대향 전극은 백금(platinum)과 같은 첨가제 때문에, 개선된 촉매성(catalytic)을 가질 수도 있다. 따라서, 콘택부(10)는 대향 전극과 접촉하는 전기적으로 전도성인 패턴의 일부가 된다. 캐리어 영역(4)은 작용 전극(12)과 접촉하는 전기적으로 전도성인 패턴의 일부가 된다.
또한, 기판 상에 배치된 하나의 셀을 갖는 전자화학 시스템 또는 공통 기판 상에 직렬로 배치된 다수의 셀들을 갖는 전자화학 시스템에서는, 대향 전극이 콘택 경로에 좀더 강력하게 부착되는 것을 필수적으로 보장할 필요가 있다. 이러한 아이디어를 이용하는 전자화학 시스템이, 밀폐형 모노리식 전자화학 시스템으로서 일반적으로 서술될 수 있는바, 상기 밀폐형 모노리식 전자화학 시스템은, 전기적으로 절연성인 기판, 상기 기판 상에 배치된 전기적으로 전도성인 패턴, 적어도 하나의 캐리어 영역, 상기 적어도 하나의 캐리어 영역과 제 1 단자를 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로, 그리고 제 2 단자로부터 상기 적어도 하나의 캐리어 영역 쪽으로 연장되며 캐리어 영역과 제 2 세트의 콘택 경로의 콘택부 사이에 갭을 제공하는 제 2 세트의 콘택 경로, 상기 적어도 하나의 캐리어 영역 상에 배치되는 적어도 하나의 다공성 구조를 포함하며, 상기 적어도 하나의 다공성 구조는 작용 전극, 절연층, 그리고 대향 전극, 적어도 하나의 전자화학 셀을 형성하기 위해 상기 적어도 하나의 다공성 구조 내에 적어도 부분적으로 충전된 전해질 그리고 상기 기판 상에 위치하며 상기 적어도 하나의 다공성 구조를 커버하는 밀폐 물질을 포함하며, 상기 대향 전극은 상기 대향 전극이 제 2 세트의 콘택 경로에 전기적으로 연결되도록 아래쪽으로 연장되어 제 2 세트의 콘택 경로의 컨택부에 접촉하는 제 1 말단부를 가지며, 그리고 상기 말단부는 대향 전극의 나머지 부분과는 상이한 조성을 갖는 콘택층을 포함한다.
기판 상에 배치된 하나의 셀을 갖는 전자화학 시스템 또는 공통 기판 상에 직렬 또는 병렬로 배치된 다수의 셀들을 갖는 전자화학 시스템과 같은 임의 타입의 전자화학 시스템을 제조하는 방법으로서, 콘택에 좀더 강력하게 부착되는 대향 전극이 제공되는 상기 시스템은 다음과 같이 제조될 수 있다.
a) 전기적으로 전도성인 패턴을 기판(2) 상에 형성하고, 상기 패턴은 캐리어 영역(4)을 포함하며,
b) 작용 전극(12)을 형성하기 위해 반도체 물질로 각각의 캐리어 영역(4)을 적어도 부분적으로 커버링하며,
c) 작용 전극(12)을 형성하도록 의도된 상기 반도체 물질을, 각각의 작용 전극과 대향 전극(14) 사이에서 절연층을 형성하도록 의도된 절연 물질로 커버링하며,
d) 대향 전극(14)을 형성하도록 의도된 전도성 물질로 상기 절연 물질을 적어도 부분적으로 커버링하며, 상기 대향 전극(14)은 콘택부(10)에 접속하며, 여기서 대향 전극을 형성하는 단계 d)는, 콘택부(10)에 대향 전극(14)을 부착하도록 된 콘택 물질(18)을 적용하는 제 1 단계 d1)와 그리고 대향 전극(14)의 나머지 부분을 형성하도록 전도성 물질을 적용하는 제 2 단계 d2)를 포함한다.
전해질은 상기 다공성 구조들 111, ... 112n 내에 적어도 부분적으로 충전되며, 이에 의해 다수의 전자화학 셀들이 형성된다. 상기 전해질은, 예컨대 디스펜싱(dispensing) 또는 프린팅 프로세스에 의해 다공성 구조 내에 흡수됨으로써 적용될 수 있다.
도4에 표현된 바와 같이, 밀폐 물질(sealing material)(15)은 다공성 구조들 111, ... 112n 의 어레이를 커버한다. 바람직하게는, 밀폐제(sealant)로서 Surlyn ®과 같은 열가소성(thermoplastic) 물질 또는 EVASAFE ®과 같은 열경화성 수지(thermosetting resin)를 적용하고 그리고 국제특허출원(WO 01/97237)에 개시된 진공/가열 프로세스를 이용함으로써, 셀들의 캡슐화(encapsulation)가 수행될 수 있다. 다른 유형의 캡슐화 역시도 가능한바, 예컨대, 글라스-프리츠(glass-frits) 라고 지칭되는 것을 들 수 있다. 전형적으로, 이들은 예컨대, 스크린-프린팅(screen-printing)에 의해 제 2 기판 상에 도포되며, 모노리식 광-전자화학 셀들을 커버하기 위해서 모노리식 광-전자화학 시스템을 지탱하고 있는 기판을 향하여 위치하고 있으며, 그리고 400℃ 를 넘는 온도에서 소결된다.
캐리어 영역(4)은 바람직하게는 직사각형 형태를 갖는다. 제 2 세트의 콘택 경로(7)의 콘택부(10)는, 캐리어 영역의 한쪽 사이드의 전체 길이를 따라 필수적으로 연장되도록 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 모든 실시예에서 전자화학 셀들은 병렬로 연결된 셀들을 갖는 것으로 도시된다. 이는, 다수의 작용 전극들을 지탱하는 캐리어 영역들이 제 1 단자에 직접적으로 연결된다는 것을 의미하며, 다수의 대향 전극들을 연결하는 콘택부들이 제 2 단자에 직접적으로 연결된다는 것을 의미한다.
도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 다공성 구조들 111, ... 112n 의 어레이는 캐리어 영역(4) 상에 배치된다. 각각의 다공성 구조(11)는, 작용 전극(12), 절연층(13), 대향 전극(14)을 포함한다. 상기 작용 전극, 절연층, 대향 전극에 적합한 재료들은 해당 기술분야에서 공지되어 있다. 전해질은 상기 다공성 구조를 적어도 부분적으로 충전한다.
도4 및 도4의 C 부분을 확대한 도면인 도4a에 도시된 바와 같이, 대향 전극(14)은 제 1 말단부(17)를 가지며, 상기 제 1 말단부(17)는 제 2 세트의 콘택 경로(7)의 콘택부(10)까지 아래로 연장되어, 그 콘택부(10)에 접촉하며, 이에 따라 대향 전극(14)은 제 2 세트의 콘택 경로에 전기적으로 접촉한 상태에 있다. 따라서, 대향 전극은 절연층의 상부에 배치된 기본적으로 평탄한 상부(20)와, 구부러진 제 1 말단부(17)를 포함하여 구성되며, 제 1 말단부(17)는 절연층의 에지를 피복하고, 캐리어 영역(4)과 콘택부(10) 사이에 존재하는 갭(9)까지 아래로 연장되어 갭(9)에 접촉된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 말단부(17)는, 대향 전극(14)의 나머지 부분과는 상이한 조성을 갖는 콘택층(18)을 포함한다. 대향 전극(14)의 나머지 부분보다 좀더 강력하게 상기 콘택부(10)에 부착될 수 있도록, 상이한 조성이 선택될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는, 대향 전극의 나머지 부분보다 카본 블랙(carbon black)을 더 많이 포함하는 조성이 상기 상이한 조성으로 선택될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 상기 콘택층(18)의 내용물에서 카본 블랙 대 흑연의 비율이 1:4 가 될 수 있으며, 대향 전극의 나머지 부분의 내용물에서는 카본 블랙 대 흑연의 비율이 1:25 가 될 수 있다. 또한, 대향 전극의 나머지 부분은 촉매성(catalytic properties)을 향상시키기 위해서 백금화(platinised) 될 수도 있다.
또한, 기판 상에 배치된 하나의 셀을 갖는 모노리식 전자화학 시스템 또는 공통 기판 상에 직렬로 배치된 다수의 셀들을 갖는 전자화학 시스템에서는, 대향 전극이 콘택 경로에 좀더 강력하게 부착되는 것을 필수적으로 보장할 필요가 있다. 이러한 아이디어를 이용하는 전자화학 시스템은, 밀폐형 모노리식 전자화학 시스템으로서 일반적으로 서술될 수 있는바, 상기 밀폐형 모노리식 전자화학 시스템은, 전기적으로 절연성인 기판, 상기 기판 상에 배치된 적어도 하나의 다공성 구조를 포함하며, 적어도 하나의 다공성 구조는 작용 전극, 절연층, 그리고 대향 전극, 적어도 하나의 전자화학 셀을 형성하기 위해 상기 적어도 하나의 다공성 구조 내에 적어도 부분적으로 충전된 전해질 그리고 상기 기판 상에 위치하며 상기 적어도 하나의 다공성 구조를 커버하는 밀폐 물질을 포함하며, 상기 대향 전극은 아래쪽으로 연장되어 일 세트의 콘택 경로의 컨택부에 접촉하는 제 1 말단부를 가지며 따라서 상기 대향 전극은 상기 일 세트의 콘택 경로에 전기적으로 연결되며, 그리고 상기 말단부는 대향 전극의 나머지 부분과는 상이한 조성을 갖는 콘택층을 포함한다.
적어도 하나의 전자화학 셀은 바람직하게는, 기판 상에 위치한 전기적으로 전도성인 물질의 중간층을 통해 단자들에 연결된다. 상기 중간층은, 적어도 하나의 캐리어 영역, 상기 적어도 하나의 캐리어 영역과 제 1 단자를 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로, 그리고 제 2 단자로부터 상기 적어도 하나의 캐리어 영역 쪽으로 연장되며 캐리어 영역과 제 2 세트의 콘택 경로의 콘택부 사이에 갭을 제공하는 제 2 세트의 콘택 경로를 포함하는 패턴에 형성되는 것이 바람직하다.
도5에는 전기적으로 전도성인 패턴(3)의 제 2 실시예가 도시된다. 상기 실시예에서, 전기적으로 전도성인 패턴은 구조화된(structured) 전도성 중간층(24)을 포함하는바, 이는 도1에 도시된 실시예에서와 같은 방식으로 형성된다. 구조화된 전도성 중간층(24)은, 캐리어 영역(4), 상기 캐리어 영역(4)을 제 1 단자(6)에 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로(5), 콘택부(10) 및 상기 콘택부(10)를 제 2 단자(8)에 연결하는 제 2 세트의 콘택 경로(7)를 포함한다. 제 1 및 제 2 세트의 콘택 경로들(5, 7)에서 손실을 감소시키기 위해서, 이들 경로들은, 전도성 중간층을 형성하는 제 1 물질보다 낮은 저항을 갖는 고전도도 물질의 전도체(26)를 포함한다. 상기 전도체는 바람직하게는 예컨대 은, 구리, 알루미늄 또는 이들의 임의의 합금 등과 같은 금속으로 만들어진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 상기 전도체(26)는 은으로 형성되며 전도성 중간층(24)은 불소가 도핑된 산화주석(Fl-doped SnO2)으로 형성된다. 전도체에 대한 다른 옵션들은 전기적으로 전도성이 양호한 물질이다. 전도성 중간층에 대한 다른 옵션들은 주석이 도핑된 인듐산화물(Sn-doped indium-oxide(ITO)) 또는 도핑된 산화아연(doped zinc-oxide) 이다. 바람직하게는, 상기 전도체(26)와 상기 중간층(24)은, 광-전자화학 시스템의 다공성 구조를 적어도 부분적으로 충전하는 전해질에 대해 화학적으로 친화성이 있다(chemically compatible). 이와 같이, 상기 전도체(26)와 상기 중간층(24)은 품질열화의 위험없이 전해질에 노출될 수도 있다. 전해질과 상기 전도체(26) 사이의 화학적 비친화성(non-chemical compatibility)은, 시간이 경과함에 따라 디바이스의 성능 열화를 야기할 수도 있으며, 제품 수명을 단축시킬 수도 있다. 광-전자화학 셀의 통상적인 전해질은 요오드화물/3-요오드화물 산화환원 쌍(redox couple iodide/tri-iodide)을 포함하고 있는바, 이는 흔히 유기용제에 용해된다. 하지만, 다른 산화환원 쌍 및 전해질에 대한 변형예들도 이용가능하며 따라서 이들 역시 본 발명에 포함된다. 통상적인 요오드화물/3-요오드화물 함유 전해질과 화학적으로 친화성이 있는 전도체(26)는 예를 들어 티타늄과 니켈이다. 하지만, 서로간에 화학적으로 친화성이 있는 전해질과 전도체의 다른 모든 조합들도 본 발명에 포함된다.
일반적으로, 앞서 설명된 상기 방법들은 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템의 제조를 가능케 하며, 상기 모노리식 광-전자화학 시스템은, 전기적으로 절연성인 기판, 작용 전극들을 지탱하도록 배치된 캐리어 영역들을 포함하는 전기적으로 전도성인 패턴을 포함하며, 또한 상기 시스템은 상기 기판 상에 배치된 다공성 구조들의 어레이를 구비하며, 각각의 상기 다공성 구조는 작용 전극, 절연층 및 대향 전극을 포함하며, 다수의 전자화학 셀들을 형성하기 위해 상기 다공성 구조들을 적어도 부분적으로 충전하는 전해질 그리고 상기 다공성 구조들의 어레이를 커버하는 캡슐(encapsulation)을 포함하는바, 여기서 작용 전극들에 의해 커버되는 활성 영역은 다수의 다공성 구조들(이들 각각이 셀을 형성함)을 구비하는 기판들에 대해 기판 총 면적의 70% 이상을 커버한다. 특히, 도13a, 도13b, 도15a 및 도15b 에 도시된 바와 같이, 전도체(26) 및 중간층(24)이, 광-전자화학 시스템의 다공성 구조들을 적어도 부분적으로 충전하는 전해질과 화학적으로 친화성이 있는 경우에 또는 중간층(24)이 전해질과 화학적으로 친화성이 있는 반면에 전도체(26)는 중간층에 의해 커버되는 경우에, 작용 전극들에 의해 커버되는 활성 영역은 다수의 다공성 구조들(이들 각각이 셀을 형성함)을 구비하는 기판들에 대해 기판 총 면적의 90% 이상을 커버할 수도 있다.
또한, 상기 시스템은 대향 전극들에 연결되는 콘택부들을 포함한다. 상기 시스템은 바람직하게는 병렬로 연결된 셀을 가지며, 이에 의해 제 1 세트의 콘택 경로는 캐리어 영역을 제 1 단자에 연결하며, 제 2 세트의 콘택 경로는 상기 콘택부들을 제 2 단자에 연결한다.
제 1 세트의 콘택 경로들(5)의 전도체(26)들은, 캐리어 영역(4)의 측면 부분을 따라 베이스(32)로부터 연장되는 제 1 연장부(28) 및 마지막 연장부(30)를 포함한다. 제 2 세트의 콘택 경로들의 전도체들에는 중간 연장부(34)가 제공되는바, 상기 중간 연장부(34)는 캐리어 영역(4) 상에 배치된 셀들의 길이 방향으로 콘택부(10)을 따라 연장되며, 이는 콘택부(10)와 접촉한다.
도6은 도5에 도시된 구조를 D-D 라인을 따라 절단한 단면을 도시한 단면도이다. 도시된 바와 같이, 전도체들(26)은 중간 전도층(24)의 최상부 위에 배치된다.
도7에는 기판(2)과 전도체들이 제거되는 때에, 캐리어 영역(4)을 구비한 중간 전도층(24), 콘택부들(10), 그리고 제 1 및 제 2 콘택 경로들(5, 7)이 도시되어 있다. 상기 중간층(24)은 제 1 실시예의 전기적으로 전도성인 패턴으로서 이용될 수도 있다. 도5에 도시된 제 2 실시예에서, 도8에 도시된 형태의 전도체들(26)이 중간층의 최상부 상에 배치된다.
도9에서는 기판(2) 상에 배치된 전기적으로 전도성인 패턴(3)의 제 3 실시예가 도시된다. 상기 실시예에서는, 전도체들(26)의 전체 길이를 따라 중간 전도층(24) 상에 전도체들(26)이 위치하는 제 2 실시예서와는 달리, 캐리어 영역들(4) 및 콘택부들과의 오직 전기적인 접촉만을 위해서 전도체(26)들이 중간층(24)에 연결된다. 이를 위해서, 상기 중간층은 캐리어 영역(4)으로부터 조금 벗어나게 연장되어 제 1 콘택영역(36)을 형성하며, 그리고 콘택부(10)로부터 조금 벗어나게 연장되어 제 2 콘택영역(40)을 형성한다. 바람직하게는, 상기 제 1 콘택영역(36)은 캐리어 영역들(4)의 가장자리에서 캐리어 영역들(4)의 길이를 따라 연장되는바, 이는 길게 늘어나는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 상기 제 2 콘택영역(40)은 콘택부(10)의 가장자리에서 콘택부(10)의 길이를 따라 연장되는바, 이는 길게 늘어나는 것이 바람직하다. 인접한 2개의 셀들이 이들 셀들 사이에 배치된 공통 전도체(26)를 가지는 경우, 콘택부(10)를 형성하는 중간층(24)의 일부는 도10에 도시된 바와 같이, 그들 사이에서 갭(42)을 갖는 제 1 및 제 2 부분(40)으로 쪼개질 수도 있는바, 상기 갭은 전도체에 의해 브리지되거나 또는 바람직하게는 그 위에 전도체가 배치되는 연속적인 밴드(band) 형상을 갖는다. 도9의 상기 실시예는 이들 길이의 일부를 따라(예를 들면 베이스(34)를 따라) 중간층과 접촉함이 없이, 기판 상에 직접 위치한 전도체들(26)을 갖는다. 도9에 도시된 실시예는 도10에 도시된 바와 같은 중간층(24)으로 구성될 수도 있으며, 또는 대안적으로는, 캐리어 영역(4), 제 1 및 제 2 콘택영역(36, 40) 및 콘택부(10)를 구비한 도11의 중간층으로 구성될 수도 있는바, 상기 중간층은 기판(2) 상에 배치된다. 도11에서 제 2 콘택영역은 갭에 의 해 분리되지 않는다. 상기 전도체들은 또한, 기판 및 중간층의 최상부 상에, 도8에 도시된 바와 같이 배치될 수도 있다.
도12a 및 도12b는 도9에 도시된 기판을 E-E 라인과 F-F 라인을 따라 절단한 단면을 도시한 단면도이다. 상기 도면들은, 캐리어 영역들과 콘택부들(10)에 각각 연결되기 위하여, 전도체들이 부분적으로 중간층 상에 놓여있음을 보여주고 있으며, 그리고 상기 전도체들이 부분적으로 기판 상에 직접 놓여있음을 보여주고 있다. F-F 라인의 단면도에 따르면, 단자에 다다르는 상기 베이스(30)는 기판 상에 직접 놓여있음이 명백하다. E-E 라인의 단면도에 따르면, 상기 전도체들이 캐리어 영역들에 인접한 콘택영역들과 콘택부들 상에 위치하고 있음을 볼 수 있는데, 상기 캐리어 영역들과 콘택부들을 단자들에 도달하는 전도체들과 연결시키기 위함이다.
또한, 상기 전도체들은 도13a에 도시된 바와 같이, 중간층과 전기적인 접촉은 유지하면서 중간층 아래에 위치할 수도 있다. 이러한 점은 시스템의 외곽(contour) 둘레만을 캡슐화하기 위해서 전도체들을 보호하는 것을 가능케하는바, 왜나하면 전해질이 전도체들과 접촉할 위험이 없기 때문이다. 상기 케이스에서, 밀폐형 광-전자화학 시스템(1)은, 전기적으로 절연성인 기판(2), 작용 전극들(12)을 지탱하도록 배치된 캐리어 영역들(4)을 포함하는 전기적으로 전도성인 패턴(3), 대향 전극들(14)에 연결되는 콘택부들(10), 상기 캐리어 영역들(4)과 제 1 단자(6)를 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로들(5), 및 상기 콘택부들(10)과 제 2 단자(8)를 연결하는 제 2 세트의 콘택 경로들(7)을 포함하며, 또한, 상기 시스템은 기판(2) 상에 배치된 다공성 구조들(111 - 112n)의 어레이를 구비하고, 각각의 다공성 구조(11)는 작용 전극(12), 절연층(13) 및 대향 전극(14)을 포함하며, 다수의 전자화학 셀들을 형성하기 위해 상기 다공성 구조들(111 - 112n)내에 적어도 부분적으로 충전된 전해질 및 다공성 구조들(111 - 112n)의 상기 어레이를 커버링하는 캡슐을 포함한다. 또한, 상기 제 1 세트 및 제 2 세트의 콘택 경로들(5, 7)은 상기 다수의 전자화학 셀들을 병렬로 연결한다. 도13a에 도시된 실시예에서, 기판 상의 왼쪽 셀과 오른쪽 셀의 대향 전극들(14)은 갭(G)에 의해 분리되며, 이는 콘택부(10)까지 아래로 연장된다. 상기 케이스에서 콘택 경로들의 세트들(5, 7)은 따라서 중간층(24) 아래에 위치한 고전도성 물질의 전도체(26)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 콘택부들(10)은 중간층(24)으로 구성되어 있는바, 이는 대향 전극의 전도체(26)의 최상부 상에 적어도 부분적으로 존재한다. 따라서, 전기적으로 전도성인 패턴은, 캐리어 영역들(4), 콘택부들(10), 그리고 제 1 및 제 2 세트의 콘택 경로들(5,7)을 포함하는 구조화된 중간층(24)으로 구성된다. 이러한 케이스에서, 2개의 인접한 셀들의 대향 전극들(14)은, 도13b에 도시된 바와 같이, 하나의 연속적인 층으로 연결될 수도 있다. 따라서, 도13b에 도시된 실시예에 따른 연속적인 대향 전극(14)은 2개 이상의 캐리어 영역 위로 확장될 수도 있으며, 바람직하게는 하나의 공통 기판을 공유하는 전체 캐리어 영역들 위로 확장될 수도 있다. 상기 중간층(24)은 전해질 용액에 노출되도록 되는바, 예컨대 2개의 물질들은 화학적으로 친화성이 있다. 이러한 물질의 일례는 불소가 도핑된 산화주석(Fl-doped SnO2) 이다. 구조화된 중간층(24)에 의해 전해질로부터 전도체들(26)이 보호되고 있기 때문에, 상기 전도체들(26)은 전해질 용액과 화학적으로 친화성이 있어서는 안된다. 이러한 전도체에 적절한 물질로는 은을 들수 있다. 하지만, 전도성이 충분히 양호한 모든 물질이 이용될 수도 있다.
도13a 및 도13b에 도시된 실시예들에서, 전도체들(26)은 전도체를 커버하는 중간층(24)에 의해서 전해질로부터 보호된다. 따라서, 전해질과 화학적으로 친화성이 없는 물질(즉, 이용되는 동안에 전해질에 의해 품질이 열화되는 물질)로 전극들(26)이 만들어져야만 하는 경우에도, 전해질로부터 전극들을 보호하기 위한 봉인(seal)을 배치할 필요가 없게 된다.
도13a 및 도13b에서, 제 1 세트의 전류 경로(5) 내의 고전도성 물질인 전도체들(26)은 작용 전극들(12) 옆에 위치한다. 하지만, 상기 전도체들은 작용 전극들의 작은 부분 아래에 위치할 수도 있다. 이러한 경우, 작용 전극은 캐리어 영역들 위와 전도체들의 최상부 상의 중간층 위 모두에도 적용될 수 있으며, 따라서 인접한 2개의 셀들에 대해 상기 작용 전극은 하나의 연속적인 층으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 전도체들은 브랜치(branch)들을 포함할 수도 있는바, 예컨대 작용 전극으로부터의 전류 모음(current collection)을 향상시키기 위하여 전도체로부터 작용 전극으로 수직으로 뻗어나가는 브랜치를 포함할 수 있다.
도14에 도시된 바와 같이, 대향 전극의 전도체들은, 상기 전도체들이 셀 구성요소들(특히, 전해질)과 화학적으로 친화성이 있는한, 대향 전극과 접촉하면서 대향 전극 위에 위치할 수도 있다. 이러한 점은 추가적인 에너지 손실 없이 더 넓은 셀들에 대해 가능성을 열어놓는바, 따라서 시스템에서 더 높은 퍼센트의 액티브 작용 전극 영역이 가능하다. 이 경우, 콘택부들은, 대향 전극의 상부 표면의 일부로 구성될 수도 있다.
이 경우, 밀폐형 광-전자화학 시스템(1)은, 전기적으로 절연성인 기판(2), 작용 전극들(12)을 지탱하도록 배치된 캐리어 영역들(4)을 포함하는 전기적으로 전도성인 패턴(3), 대향 전극들(14)에 연결되는 콘택부들(10), 상기 캐리어 영역들(4)과 제 1 단자(6)를 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로들(5), 및 상기 콘택부들(10)과 제 2 단자(8)를 연결하는 제 2 세트의 콘택 경로들(7)을 포함하며, 또한, 상기 시스템은 기판(2) 상에 배치된 다공성 구조들(111 - 112n)의 어레이를 구비하고, 각각의 다공성 구조(11)는 작용 전극(12), 절연층(13) 및 대향 전극(14)을 포함하며, 다수의 전자화학 셀들을 형성하기 위해 상기 다공성 구조들(111 - 112n)내에 적어도 부분적으로 충전된 전해질 및 다공성 구조들(111 - 112n)의 상기 어레이를 커버링하는 캡슐을 포함한다. 여기서, 상기 제 1 세트 및 제 2 세트의 콘택 경로들(5, 7)은 상기 다수의 전자화학 셀들을 병렬로 연결한다. 도14에 도시된 일례에서, 전류 경로들(5)은 중간층(24)의 최상부 상의 전도체들(26)을 포함한다. 하지만, 전류 경로들(5)을 구현하기 위한 언급된 모든 실시예들이 이 경우에도 이용될 수 있다. 제 2 세트의 전류 경로들(7)은 대향 전극(14)의 상부면 상에 위치하며 그리고 전도체들(26)을 포함한다. 이 경우, 작용 전극(12)은 더 넓어질 수 있는데, 이는 콘택부들(10), 전류 경로들(7), 및 대향 전극(14)의 전도체들(26)이 대향 전극(14)의 최상부 상에 위치하므로, 인접한 2개의 셀들 사이에서 갭이 필요없기 때문이다. 따라서, 상기 케이스에서, 전기적으로 전도성인 패턴(3)은 대향 전극(14)의 상부면 상에 있는 콘택부들(10)과 제 2 세트의 콘택 경로들(7), 기판 상에 있는 캐리어 영역들(4)과 제 1 세트의 콘택 경로들(5)을 포함한다. 여기서, 상기 전도성 패턴은 구조화된 단일 중간층(24)으로 구성되지 않지만, 시스템의 다른 부분들은 포함한다.
광-전자화학 셀의 다공성 구조를 적어도 부분적으로 충전하는 전해질과 화학적으로 친화성이 있는 고전도성 물질인 전도체들(26)을 콘택 경로들의 세트들(5,7)이 포함하는 경우, 다공성 구조들(111 - 112n)의 어레이는 도15a에 도시된 바와 같이 매우 조밀하게 패킹될 수 있다. 전해질과 전도체들(26) 사이에서 화학적 친화성이 없다면, 디바이스의 성능은 시간이 지남에 따라 열화될 것이며 디바이스의 수명역시도 단축될 것이다. 광-전자화학 셀의 통상적인 전해질은 요오드화물/3-요오드화물 산화환원 쌍(redox couple iodide/tri-iodide)을 포함하고 있는바, 이는 흔히 용제(solvent)에 용해된다. 하지만, 다른 산화환원 쌍 및 전해질에 대한 변형예들도 이용가능하며 따라서 이들 역시 본 발명에 포함된다. 통상적인 요오드화물/3-요오드화물 함유 전해질과 화학적으로 친화성이 있는 전도체(26)는 예를 들어 티타늄과 니켈이다. 하지만, 서로간에 화학적으로 친화성이 있는 전해질과 전도체의 다른 모든 조합들도 본 발명에 포함된다. 이 경우, 밀폐형 광-전자화학 시스템(1)은, 전기적으로 절연성인 기판(2), 작용 전극들(12)을 지탱하도록 배치된 캐리어 영역들(4)을 포함하는 전기적으로 전도성인 패턴(3), 대향 전극들(14)에 연결되는 콘택부들(10), 상기 캐리어 영역들(4)과 제 1 단자(6)를 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로들(5), 및 상기 콘택부들(10)과 제 2 단자(8)를 연결하는 제 2 세트의 콘택 경로들(7)을 포함하며, 또한, 상기 시스템은 기판(2) 상에 배치된 다공성 구조들(111 - 112n)의 어레이를 구비하고, 각각의 다공성 구조(11)는 작용 전극(12), 절연층(13) 및 대향 전극(14)을 포함하며, 다수의 전자화학 셀들을 형성하기 위해 상기 다공성 구조들(111 - 112n)내에 적어도 부분적으로 충전된 전해질 및 다공성 구조들(111 - 112n)의 상기 어레이를 커버링하는 캡슐을 포함한다. 여기서, 상기 제 1 세트 및 제 2 세트의 콘택 경로들(5, 7)은 상기 다수의 전자화학 셀들을 병렬로 연결한다. 이러한 디바이스 구성은 디바이스 효율을 향상시키는바, 이는 빛의 흡수를 위해 더 많은 디바이스 표면이 이용될 수 있기 때문이다. 대향 전극(14)은 도15a에 도시된 바와 같이, 전도체들(26) 상에 직접적으로 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 콘택부(10)는 전도체(26)의 위쪽 부분으로 구성된다. 또한, 대향 전극(14)은 도15b에 예시된 바와 같이 전도체(26) 옆의 중간층(24) 위와 전도체(26) 위에 적용될 수 있다. 이 경우, 콘택부(10)는 전도체(26)의 상부 부분과 중간층(24)의 일부로 구성된다.
도15a 및 도15b에서, 다공성 구조를 적어도 부분적으로 충전하는 전해질 용액과 화학적으로 친화성이 있는 전도체들은 작용 전극들과 접촉한다. 하지만, 상기 전도체들은 작용 전극들로부터 소정 거리 이격되어 위치할 수도 있다. 또 다른 가능성은, 작용 전극의 작은 부분 아래에 상기 전도체들을 위치시키는 것이다. 따라서, 이 경우, 상기 작용 전극은 캐리어 영역들 위와 전도체들의 최상부 위 모두에 적용되는바, 따라서 인접한 2개의 셀들에 대해 연속적인 하나의 작용 전극층이 적용될 수 있다. 또한, 상기 전도체들은 브랜치(branch)들을 포함할 수도 있는바, 예컨대 작용 전극으로부터의 전류 모음(current collection)을 향상시키기 위하여 전도체로부터 작용 전극으로 수직으로 뻗어나가는 브랜치를 포함할 수 있다. 전도체의 이들 브랜치들은 작용 전극 옆에 위치할 수도 있으며 또는 작용 전극 아래에 위치할 수도 있다.
도1 내지 도13 및 도15에 도시된 모든 일례들은, 2개의 인접한 셀들의 대향 전극들에 대해서는 공유 콘택 경로를 구비하며 반면에 2개의 작용 전극들은 셀들의 긴 측면들을 따라 전기적으로 연결된 2개의 콘택 경로들을 가지는, 모노리식 광-전자화학 시스템에 기반한다. 모든 일례들에서 이러한 셀 구성은 거울-반전형(mirror-inverted)이 될 수 있는바, 즉, 인접한 2개의 셀들은 작용 전극에 대해서 하나의 콘택 경로를 공유하며 반면에 2개의 대향 전극들은 셀들의 긴 측면들을 따라 전기적으로 연결된 2개의 콘택 경로들을 갖는다. 이러한 실시예들에서, 대향 전극은 첨부된 도면들에서 도시된 실시예들의 작용 전극의 위치에 자리잡게 될 것이며 그리고 작용 전극은 첨부된 도면들에서 도시된 실시예들의 대향 전극의 위치에 자리잡게 될 것이다.
고전도성 물질의 전도체들이 이용되는 일례들에서, 상기 전도체들은 전극들의 더 긴 측면에 평행하게 위치한 일직선인 전도체 경로들로 구성된다. 하지만, 상기 전도체들은 또한, 전극들로부터의 전류 모음(current collection)을 개선하기 위해서 일 세트의 브랜치들을 포함할 수도 있다. 예컨대, 이들 브랜치들은, 작용 전극으로부터의 전류 모음을 개선하기 위해서 제 1 세트의 전류 경로들의 전도체로부터 작용 전극쪽으로 수직으로 뻗어나갈 수도 있으며, 또는 작용 전극으로부터의 전류 모음을 개선하기 위해서 제 2 세트의 콘택 경로들의 전도체로부터 대향 전극쪽으로 수직으로 뻗어나갈 수도 있다.
도16에는, 갭들(41)에 의해 분리되어, 신장된 셀들(111.... 112n)의 로우(row)(44)에 배치된 다수의 셀들을 포함하는 모노리식 광-전자화학 시스템이 도시되어 있다. 상기 실시예에서 제 1 및 제 2 세트의 콘택 경로들(5,7)은 다음을 포함한다.
- 상기 로우(44)를 따라 연장되는 제 1 베이스(43)와 상기 제 1 베이스(43)에 연결된 제 1 세트의 연장부들(45). 상기 제 1 세트의 연장부들(45)은, 로우(44)의 첫번째 셀(111)에 앞서서 상기 첫번째 셀(111)을 따라 연장되는 제 1 연장부(46), 로우(44)의 마지막 셀(112n)에 뒤이어 상기 마지막 셀(112n)을 따라 연장되는 마지막 연장부(47), 그리고 2번째 갭에서부터 시작하여 셀들 사이의 갭(41) 안으로 하나 걸러씩 연장되는 제 1 세트의 중간 연장부들(48)을 포함하는바, 따라서, 상기 제 1 베이스(43)와 상기 제 1 세트의 연장부들(45)은 빗 모양의 패턴 
을 형성한다.
- 상기 로우(44)를 따라 연장되는 제 2 베이스(49)와, 상기 제 1 및 제 2 베이스(43, 49)는 로우(44)의 대향되는 측에 위치하며, 상기 제 2 베이스(49)에 연결되며 그리고 첫번째 갭에서부터 시작하여 셀들 사이의 갭 안으로 하나 걸러씩 연장되는 제 2 세트의 중간 연장부들(50)을 포함하는바, 따라서, 상기 제 2 베이스(49) 와 상기 제 2 세트의 중간 연장부들(50)은 빗 모양의 패턴
을 형성한다.
각각의 상기 중간 연장부들(48, 50)은 인접한 셀들 양자에 전기적으로 연결된다. 제 1 베이스 및 제 1 세트의 연장부들은 제 1 또는 제 2 세트의 콘택 경로들 중 어느 한 세트의 일부를 형성하며, 제 2 베이스 및 제 2 세트의 연장부들은 제 1 또는 제 2 세트의 콘택 경로들의 나머지 세트의 일부를 형성한다. 즉, 본 발명의 소정 실시예에 따르면, 제 1 베이스(43)와 그의 연장부들은 제 1 세트의 콘택 경로들의 일부 즉, 작용 전극들을 형성하며, 반면에 제 2 베이스(49)와 그의 연장부들은 제 2 세트의 콘택 경로들의 일부 즉, 대향 전극들을 형성한다. 본 발명의 대안적인 또 다른 실시예에서는, 제 1 베이스(43)와 그의 연장부들은 제 2 세트의 콘택 경로들의 일부 즉, 대향 전극들을 형성하며, 반면에 제 2 베이스(49)와 그의 연장부들은 제 1 세트의 콘택 경로들의 일부 즉, 작용 전극들을 형성한다.
따라서, 로우(row)에 포함된 모든 셀들이 제 1 및 제 2 단자에 병렬로 연결되도록, 광-전자화학 셀의 상기 로우(row)가 배치된다.
로우내의 각각의 개별 셀들은 바람직하게는 직사각형 형태로 신장되며(elongated), 긴 측면들이 서로를 마주보도록 나란히 배치된다. 셀들의 폭은 제한되는바, 이는 작용 전극을 지지하는 중간층의 오믹 면 저항(ohmic sheet resistance)과 대향 전극의 오믹 면 저항으로 인해 전자 운송(electron transfer) 동안에 에너지 손실이 발생하기 때문이다. 따라서, 캐리어 영역들과 콘택부들은 전도체들을 통해 단자들에 연결되는바, 이는 전극들 사이의 갭들 안으로 연장된다. 셀들의 길이가 커짐에 따라, 에너지 손실을 낮게 유지하기 위해서는, 연장부들(48, 50)의 치수도 역시 커져야만 한다. 따라서, 셀들 사이에서 필요한 갭의 폭도, 셀의 길이가 증가함에 따라 커진다. 기판 상에 가능 활성 영역을 최대한으로 제공하기 위해서는, 5 ~ 10 mm의 폭과 30 ~ 200 mm의 길이를 갖게 셀들을 형성하는 것이 적절하다고 알려졌다.
전술한 바와같은 셀들의 로우를 공통 기판 상에 복수개 형성하는 것도 고려되는바, 여기서 각각의 로우는, 디바이스의 동작 안정성을 최대화하기 위해서 병렬로 연결될 수도 있으며, 또는 디바이스로부터 더 높은 출력 전압을 얻기 위하여 직렬로 연결될 수도 있다.
실제적인 제 1 일례에서, 상기 로우들은 15 cm의 폭을 가지며 그리고 병렬로 연결된 14개의 셀들을 포함한다. 실제적인 제 2 일례에서, 상기 로우들은 60 cm의 폭을 가지며 그리고 72개의 셀들을 포함한다. 또한, 상기 제 2 일례는 직렬로 연결된 4개의 15cm 로우들을 포함할 수도 있는바, 이는 디바이스의 출력 전압을 증가시키기 위함이다. 따라서, 로우 하나당 병렬로 연결된 셀들의 갯수는 14 ~ 72 개인 것이 바람직하다. 일반적으로, 병렬-연결된 셀들의 다수개의 로우들은 공통 기판 상에 배치될 수도 있다. 상기 로우들은 나란히 배치될 수도 있으며 즉, 각각의 로우에서 셀들의 길이 방향으로 서로 마주보도록 배치될 수도 있으며, 또는 각각의 로우에서 셀들의 폭 방향으로 서로 마주보도록 서로의 위쪽 또는 아래쪽에 배치될 수도 있다. 후자의 일례에서, 인접한 2개의 로우들은 공통 베이스를 공유할 수도 있다. 셀들의 상기 로우들은 병렬 또는 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 본 발명은 밀폐형 모노리식 전자화학 시스템을 제조하는 방법에 관한 것이며, 여기서 다음의 방법 단계들이 수행된다. a) 기판(2) 상에 위치한 전기적으로 전도성인 패턴(3)을 형성하는 단계, 상기 패턴은, 캐리어 영역들(4), 상기 캐리어 영역들(4)과 제 1 단자(6)를 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로들(5), 그리고 제 2 단자(8)로부터 상기 캐리어 영역들(4)쪽으로 연장하며 그리고 상기 캐리어 영역들(4)과 제 2 세트의 콘택 경로들(7)의 콘택부들(10) 사이에 갭을 형성하는 제 2 세트의 콘택 경로들(7)을 포함한다.
b) 작용 전극들을 형성하기 위해 반도체 물질로 각각의 캐리어 영역들을 적어도 부분적으로 커버하는 단계,
c) 작용 전극 영역들을 형성하기 위한 상기 반도체 물질을, 각각의 작용 전극 사이에 절연층을 형성하기 위한 절연 물질로 커버링하는 단계
d) 대향 전극들을 형성하기 위한 전도성 물질로 상기 절연 물질을 커버하는 단계.
특히, 상기 방법은, 반도체 물질이 기판 상에 형성된 이후에 상기 반도체 물질을 제 1 소결 공정에서 소결함으로써 작용 전극들을 형성하고, 상기 제 1 소결 공정 이후의 제 2 소결 공정에서 소결함에 의해서 대향 전극들을 형성하는 것을 특징으로 하며, 그리고 상기 제 2 소결 공정의 온도는 상기 제 1 소결 공정의 온도보다 낮은 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 공정은, 기판 상에 단일 셀이 배치되는 전자화학 시스템을 생산하는 경우에 이용될 수도 있으며, 또는 공통 기판 상에 다수의 셀들이 병렬로 배치되는 전자화학 시스템을 생산하는 경우 뿐만 아니라 공통 기판 상에 다수의 셀들이 직렬로 배치되는 전자화학 시스템을 생산하는 경우에도 이용될 수 있다.
기판(2) 상에 위치한 전기적으로 전도성인 패턴(3)을 형성하는 상기 단계 a)는, 기판 상에 배치된 전도성 물질의 중간층을 구조화(structuring)함으로써 수행될 수도 있는데, 이는 캐리어 영역들(4) 그리고 상기 캐리어 영역들(4)과 제 1 단자(6)를 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로들(5), 그리고 제 2 단자(8)로부터 상기 캐리어 영역들(4)쪽으로 연장하며 그리고 상기 캐리어 영역들(4)과 제 2 세트의 콘택 경로들(7)의 콘택부들(10) 사이에 갭을 형성하는 제 2 세트의 콘택 경로들(7)을 형성하기 위함이다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 단계 a)는, 전도체들을 적용하는 것을 포함하는바, 상기 전도체들은 본 발명의 상이한 실시예들에서 전극들과 직접적으로 접촉할 수도 있고 접촉하지 않을 수도 있다. 또한, 전도체들을 이용하는 것과 구조화된 중간층을 이용하는 것을 서로 결합할 수도 있다. 전도체들은 중간층의 위쪽 또는 아래쪽에 적용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 대향 전극들을 형성하는 상기 단계 d)는, 대향 전극들을 콘택부들에 접착시키도록 된 콘택 물질을 적용하는 제 1 단계 d1)와, 대향 전극의 나머지 부분을 형성하도록 전도성 물질을 적용하는 제 2 단계 d2)를 포함한다.
일례들(Examples):
병렬-연결된 모노리식 광-전자화학 모듈을 제조하기 위한 통상적인 공정 단계들
1. 전도성 기판들을 세정한다.
2. 기판 상에 전도층의 전류 경로들을 형성한다(예를 들면, 레이저-구조화 : laser-structuring).
3. TiO2 층을 성막한다(예를 들면, 스크린 프린팅).
4. 450℃에서 소결한다.
5. 스페이서 층을 성막한다(예를 들면, 건조가 후속되는 스크린 프린팅).
6. 탄소 접착 층을 성막한다(예를 들면, 건조가 후속되는 스크린 프린팅).
7. 탄소 대향 전극 층을 성막한다(예를 들면, 건조가 후속되는 스크린 프린팅).
8. 은 전류 컬렉터(silver current collector)를 적용한다(예를 들면, 스크린 프린팅).
9. 390℃에서 소결한다.
10. 염료(dye)를 첨가한다.
11. 전해질을 주입한다.
12. 캡슐화한다(예를 들면, 진공/열 박막화)
해설(Comments):
● 또 다른 많은 변형예들이 가능한바, 예컨대 단계 8은 단계 2, 단계 3, 또는 단계 4 이후에 수행될 수도 있으며, 및/또는 단계 5는 단계 3 이후에 수행될 수도 있다.
● 스크린 프린팅 이외의 상이한 방법들(예를 들면, 잉크-젯 프린팅)에 의해서 하나 이상의 상이한 층들이 성막될 수도 있다.
● 상기 2개의 소결 단계들은 하나로 결합될 수도 있다(단계 9). 하지만, 2개의 소결 단계들이 디바이스의 더 양호한 성능을 가져온다.
● 상기 2개의 탄소층들은 하나로 결합될 수도 있다.
● 유리 이외의 또 다른 전도성 기판들 예컨대, 폴리머(polymers)가 이용될 수도 있다. 하지만, 이는 더 낮은 소결 온도들을 요구할 것이다.
● 또 다른 캡슐화 방법들은 상이한 공정 단계들(예컨대, 밀폐 물질로서 소위 글래스-프리츠(glass-frits)의 이용)을 요구할 수도 있다
도17 내지 도20에서는, 직렬과 병렬로 배치된 단일 셀들 및 셀들에 대해 상이한 테스트들이 수행되는바, 셀들을 병렬로 배치하는 본 발명의 아이디어는 좀더 효율적이며 품질열화를 개선한 전자화학 시스템을 제공한다.
도17에는, 직렬로 연결되었거나(전류값들에 대해 전압값들을 합산) 또는 병렬로 연결된(전압값들에 대해서 전류값들을 합산) 대체적으로 동일한 3개의 셀들의 전류 전압 특성들이 도시되어 있다.
도18은 도17에서와 같은 동일한 셀들 및 직렬/병렬-연결에 대해 파워를 전압의 함수로서 도시한 것이다. 최대 효과는 직렬-연결 모듈과 병렬-연결 모듈에서 동일하다.
도19는 도17에서와 같은 커브들을 도시한 도면으로, 하나의 셀(2307)이 부분적으로 어둠속에 놓여져 있어 그 이웃한 셀들보다 덜 양호한 성능을 나타내는 경 우(예를 들어, 하나의 셀이 부분적으로 그늘지거나 또는 또 다른 이유로 인해 덜 양호한 성능을 내는 경우를 시뮬레이션하기 위해)를 도시한 것이다. 그늘진 셀의 개방-회로 전압은, 다른 셀들에 대한 개방 회로 전압과 대체적으로 동일한 채로 남아있다는 점을 유의해야 한다.
도20은 도19에서와 같은 동일한 셀들 및 직렬/병렬-연결에 대해 파워를 전압의 함수로서 도시한 것이다. 그늘진 셀의 개방-회로 전압이 다른 셀들에 비하여 대체적으로 변화없이 유지되고 있다는 사실 때문에, 병렬-연결된 모듈에 대해서, 최대 효과가 훨씬 크다.
모노리식 전극들은, 레이저-구조화된 TCO 유리판(하트포드 글래스 사의 면저항 15Ω 짜리 TEC)(TEC 15 Ω/square from Hartford Glass) 상에 스크린 프린팅된다. 상기 전극들을 프린팅하기 이전에, 상기 유리판은 세심하게 세정된다.
TiO2 층을 프린팅한 이후, 상기 전극들은 450℃ 에서 1시간 동안 소결되는바, 이는 페이스트들(pastes)의 유기 첨가물들을 제거하고 입자들(particles)을 녹이기 위함이다. 이어서, 나머지 층들이 다음의 순서로 프린팅된다. 은, 스페이서, 탄소 1(Carbon 1)(접착층), 탄소 2(Carbon 2)(대향 전극). 상기 층들은 각각의 층들을 프린팅한 이후에 125℃ 에서 신속하게 건조된다. 마지막 프린팅 단계 이후에, 상기 유리판들이 티타늄 랙(titanium rack)에 놓여지며 그리고 390℃ 에서 소결된다. 이후, 전극들을 포함하고 있는 상기 랙(rack)은 염색 용액(dye solution)에 담궈지는바, 상기 염색용액은, acetonitrile/tert-butanol(50/50 부피비)에 용해된 0.3mM 농도의 cis-di(thiocyanato)-bis(4,4'-dicarboxy-2,2'-bipyridine)Ru(ll) 이다. 상기 전극들은 염색 용액에 남겨지며, 아세토니트릴(acetonitrile)로 린스되며 그리고 진공하에서 건조된다. 전해질 용액은 수동으로 상기 전극들에 적용된다. 이어서, 상기 모듈들은, 앞서 설명된 특허출원(WO 01/97237)에 개시된 절차에 따라, 밀폐제(sealant)로서 Surlyn®과 같은 열가소성 물질을 이용하는 진공/열 프로세스에서 캡슐화된다.
삭제
Claims (18)
- 밀폐형(sealed) 모노리식 광-전자화학 시스템(1)에 있어서,상기 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템(1)은, 전기적으로 절연성인 기판(2)과 작용 전극들(12)을 지탱하도록 배치된 캐리어 영역들(4), 대향 전극들(14)에 연결되는 콘택부들(10), 상기 캐리어 영역들(4)과 제 1 단자(6)를 연결하는 제 1 세트의 콘택 경로들(5), 및 상기 콘택부들(10)과 제 2 단자(8)를 연결하는 제 2 세트의 콘택 경로들(7)을 포함하는 전기적으로 전도성인 패턴(3)을 포함하고,상기 시스템은 또한, 상기 기판(2) 상에 배치된 다공성 구조들(111 - 112n)의 어레이, 상기 각각의 다공성 구조(11)는 작용 전극(12), 절연층(13) 및 대향 전극(14)을 포함하며, 다수의 전자화학 셀들을 형성하기 위해 상기 다공성 구조들(111 - 112n)내에 적어도 부분적으로 충전된 전해질 및 다공성 구조들(111 - 112n)의 상기 어레이를 커버링하는 캡슐을 더 포함하며,상기 제 1 세트 및 제 2 세트의 콘택 경로들(5, 7)은 상기 다수의 전자화학 셀들을 병렬로 연결하며,상기 다수의 셀들은 갭(41)에 의해 분리되는 신장된(elongated) 셀들의 로우(row)(44)로 구성되고,상기 제 1 및 제 2 세트의 콘택 경로들(5, 7)은,상기 로우(44)를 따라 연장되는 제 1 베이스(43)와 상기 제 1 베이스(43)에 연결되는 제 1 세트의 연장부들(45) - 상기 제 1 세트의 연장부들(45)은, 상기 로우(44)의 첫번째 셀에 앞서서 상기 첫번째 셀을 따라 연장되는 제 1 연장부(46), 상기 로우(44)의 마지막 셀에 뒤이어 상기 마지막 셀을 따라 연장되는 마지막 연장부(47), 그리고 상기 제 1 베이스(43)와 상기 제 1 세트의 연장부들(45)이 빗 모양의 패턴을 형성하도록, 2번째 갭에서부터 시작하여 셀들 사이의 갭(41) 안으로 하나 걸러씩 연장되는 제 1 세트의 중간 연장부들(48)을 포함함 - 과; 그리고
상기 제 1 베이스(43)와 대향되는 측에 위치하며 상기 로우(44)를 따라 연장되는 제 2 베이스(49)와 상기 제 2 베이스(49)에 연결되는 제 2 세트의 중간 연장부들(50) -상기 제 2 세트의 중간 연장부들(50)은, 상기 제 2 베이스(49)와 상기 제 2 세트의 중간 연장부들(50)이 빗 모양의 패턴을 형성하도록, 첫번째 갭에서부터 시작하여 셀들 사이의 갭 안으로 하나 걸러씩 연장됨 - 를 포함하며,
상기 중간 연장부들 각각(48, 50)은 인접한 셀들 둘다에 전기적으로 연결되며, 그리고상기 제 1 베이스(43) 및 제 1 세트의 연장부들(45)은 상기 제 1 세트 또는 제 2 세트의 콘택 경로들(5, 7) 중 어느 한 세트의 일부를 형성하며, 상기 제 2 베이스(49) 및 제 2 세트의 연장부들(50)은 상기 제 1 또는 제 2 세트의 콘택 경로들(5, 7) 중 다른 한 세트의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템. - 제1항에 있어서,상기 캐리어 영역들(4)과 콘택부들(10)은, 상기 기판(2) 상에 위치한 전기적으로 전도성 물질인 중간층(24)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템.
- 제2항에 있어서,상기 중간층(24)은 상기 전해질에 노출되도록 된 제 1 물질로 형성되며 그리고 상기 제 1 및 제 2 세트의 콘택 경로들(5, 7)은 상기 제 1 물질보다는 낮은 저항을 갖는 고전도성 물질의 도전체들(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템.
- 제3항에 있어서,상기 제 1 물질은 도핑된 SnO2 이며, 상기 고전도성 물질은 은(silver) 인 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템.
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- 제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 셀들의 상기 로우(44)는 짝수개의 셀들을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 셀들은 직사각형이며 그리고 5 ~ 10mm의 폭과 30 ~ 200mm의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,상기 대향 전극(14)은, 상기 대향 전극(14)과 상기 제 2 세트의 콘택 경로(7)가 전기적으로 연결되도록, 아래쪽으로 연장되어 상기 제 2 세트의 콘택 경로(7)의 컨택부들(10)에 접촉하는 제 1 말단부(17)를 가지며,상기 말단부(17)는, 상기 대향 전극(14)의 나머지 부분과는 상이한 조성을 갖는 콘택층(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템.
- 제8항에 있어서,상기 상이한 조성은 상기 대향 전극의 나머지 부분보다 상기 콘택부들(10)에 더 강력하게 접착되는 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템.
- 제9항에 있어서,상기 상이한 조성은, 상기 대향 전극의 메인 부분과는 다른 흑연 및 카본 블랙의 비율들로 이루어진 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템.
- 다음과 같은 방법 단계들,a) 기판(2) 상에 전기적으로 전도성인 패턴(3)을 형성하는 단계 -상기 패턴은 다수의 캐리어 영역들(4)을 포함하며-,b) 작용 전극들(12)을 형성하기 위한 반도체 물질로 각각의 상기 캐리어 영역들(4)을 적어도 부분적으로 커버하는 단계,c) 각각의 작용 전극과 대향 전극(14) 사이에 절연층(13)을 형성하기 위한 절연 물질로, 작용 전극들(12)을 형성하기 위한 상기 반도체 물질을 커버하는 단계d) 대향 전극들(14)을 형성하기 위한 전도성 물질로 상기 절연 물질을 적어도 부분적으로 커버하는 단계, 상기 대향 전극들(14)은 콘택부들(10)에 연결되며, 작용 전극들(12), 절연층(13), 및 대향 전극들(14)은 다공성 구조들(111 - 112n)의 어레이를 형성하며, 다공성 구조들(111 - 112n)의 상기 어레이는 상기 다수의 캐리어 영역들(4) 상에 배치됨이 수행되는, 제1항에 따른 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법에 있어서,상기 반도체 물질이 기판 상에 형성된 이후에 상기 반도체 물질을 제 1 소결 공정에서 소결함으로써 상기 작용 전극들(12)이 형성되며, 상기 제 1 소결 공정 이후에 제 2 소결 공정에서 소결함으로써 상기 대향 전극들(14)이 형성되는 것을 특징으로 하며, 그리고상기 제 2 소결 공정의 온도는 상기 제 1 소결 공정의 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법.
- 제11항에 있어서,상기 제 1 소결 공정의 온도는 420 ~ 600℃ 인 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법.
- 제11항 또는 제12항에 있어서,상기 제 2 소결 공정의 온도는 400℃ 미만인 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법.
- 제11항 또는 제12항에 있어서,상기 작용 전극(12)은 TiO2 다공성층으로 구성된 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법.
- 제11항 또는 제12항에 있어서,상기 대향 전극(14)은 탄소 다공성층으로 구성된 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법.
- 제11항 또는 제12항에 있어서,대향 전극들(14)을 형성하는 상기 단계 d)는,상기 콘택부들(10)에 상기 대향 전극들(14)을 부착하도록 콘택 물질(18)을 적용하는 단계 d1)와, 그리고상기 대향 전극들(14)의 나머지 부분을 형성하도록 전도성 물질을 적용하는 단계 d2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법.
- 다음과 같은 방법 단계들,a) 기판(2) 상에 전기적으로 전도성인 패턴(3)을 형성하는 단계 -상기 패턴은 캐리어 영역들(4)을 포함하며-,b) 작용 전극들(12)을 형성하기 위한 반도체 물질로 각각의 상기 캐리어 영역들(4)을 적어도 부분적으로 커버하는 단계,c) 각각의 작용 전극과 대향 전극(14) 사이에 절연층(13)을 형성하기 위한 절연 물질로, 작용 전극들(12)을 형성하기 위한 상기 반도체 물질을 커버하는 단계d) 대향 전극들(14)을 형성하기 위한 전도성 물질로 상기 절연 물질을 적어도 부분적으로 커버하는 단계 -상기 대향 전극들(14)은 콘택부들(10)에 연결됨-이 수행되는, 제1항에 따른 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법에 있어서,대향 전극들(14)을 형성하는 상기 단계 d)는,상기 콘택부들(10)에 상기 대향 전극들(14)을 부착하도록 콘택 물질(18)을 적용하는 단계 d1)와, 그리고상기 대향 전극들(14)의 나머지 부분을 형성하도록 전도성 물질을 적용하는 단계 d2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 밀폐형 모노리식 광-전자화학 시스템을 제조하는 방법.
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