KR101482649B1 - 염료감응 태양전지 및 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 염료감응 태양전지 또는 서브모듈에 관한 것으로, 상, 하부 투명 기판, 상기 기판의 마주보는 내측 표면에 각각 형성되는 도전성 투명전극, 상기 도전성 투명전극의 일 측에 형성되는 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층 및, 상기 도전성 투명전극의 타 측에 형성되는 촉매박막전극을 포함하고, 상기 상, 하부 투명 기판의 가장자리가 봉지재에 의하여 기밀 되는 염료감응 태양전지 또는 서브모듈에 있어서, 상기 상, 하부 투명 기판 사이의 공간에 주입되는 전해질의 주입부분이 상기 봉지재에 의하여 형성되는 봉지부의 외주 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 또는 서브모듈에 관한 것이다.

이를 통하여 전해액 누액 통로를 최소화하여 내구성을 향상시킬 수 있고, 수광 면적의 증대로 광전효율을 증대하며, 전해질 주입시 기포 발생을 최소화하여 효율을 증대하는 효과가 있다.

염료감응, 태양전지, 봉지

Description

염료감응 태양전지 및 모듈 {DYE SENSITIZED SOLAR CELL AND MODULE}

본 발명은 염료감응 태양전지 또는 서브모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전해액 누액 통로를 최소화하여 내구성을 향상시킬 수 있고, 수광 면적의 증대로 광전효율을 증대하며, 전해질 주입시 기포 발생을 최소화하여 효율을 증대하는 효과를 얻을 수 있는 염료감응 태양전지 또는 염료감응 태양전지 서브모듈에 관한 것이다.

1991년도 스위스 국립 로잔 고등기술원(EPFL)의 마이클 그라첼(Michael Gratzel) 연구팀에 의해 염료감응 나노입자 산화티타늄 태양전지가 개발된 이후 이 분야에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 염료감응태양전지는 기존의 실리콘계 태양전지에 비해 제조단가가 현저기 낮기 때문에 기존의 비정질 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성을 가지고 있으며, 실리콘 태양전지와 달리 염료감응태양전지는 가시광선을 흡수하여 전자-홀 쌍을 생성할 수 있는 염료분자와, 생성된 전자를 전달하는 전이금속 산화물을 주 구성 재료로 하는 광전기화학적 태양전지이다.

일반적인 염료감응 태양전지의 단위 셀 구조는 상, 하부 투명한 기판과 그 투명기판의 표면에 각각 형성되는 도전성 투명전극을 기본으로 하여, 제1전극에 해당하는 일 측의 도전성 투명전극위에는 그 표면에 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층이 형성되어지고, 제2전극에 해당하는 타 측 도전성 투명전극 위에는 촉매박막전극이 형성되어지며, 상기 전이금속 산화물, 예를 들면 TiO₂, 다공질 전극과 촉매박막전극 사이에는 전해질이 충진되어지는 구조를 가진다. 즉, 염료감응 태양전지는 정공전달 매개로서 전해질을 사용하며, 염료감응 태양전지의 전해질 의존성은 전해질의 확산속도에 의존하며, 확산속도는 액체상태의 유기용매나 이온액체전해질이 반고체형이나 고체형에 비교하여 확산속도가 크며 따라서 광전변환효율 성능이 우수하다. 그러나 이와 같은 액상전해질은 외부온도, 환경에 따라 증발하기 쉬우며, 누액이 발생하여 염료감응 태양전지의 성능을 저하시키기 쉬우므로, 이와 같은 전해액의 누액이 발생하는 것을 막아야 하는데, 이러한 누액은 주로 불완전한 봉지부나 전해질 주입구에서 발생한다.

따라서 이와 같은 봉지부 및 전해질 주입구 결함을 통해 발생하는 전해질 누액을 최소화하기 위하여 이들의 결합강도를 향상시키고, 봉지부의 결함을 방지하기 위하여 봉지부의 개선이 필요한 실정이다.

또한 이와 같은 전해질 주입구는, 도 1에는 태양전지 셀, 도 2 내지 도 3에는 서브모듈에 대하여 도시한 바와 같이, 종래에는 촉매전극 또는 광전극 기판에 이를 형성하고, 이를 통하여 전해질을 주입하므로, 주입구를 형성하는 공정이 까다로우며, 자칫하면 균열 발생의 우려가 있으며, 주입구의 형성에 따라 광전변환 액 티브 면적이 감소하며, 주입 시에 충진이 잘 이루어지지 않는 경우에는 주입 후에 기포가 존재하는 문제점이 있다.

따라서 이와 같은 문제를 해결할 수 있는 염료감응 태양전지 또는 서브모듈의 구조개발이 절실한 실정이다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 전해액 누액 통로를 최소화하여 내구성을 향상시킬 수 있고, 수광 면적의 증대로 광전효율을 증대하며, 전해질 주입시 기포 발생을 최소화하여 효율을 증대하는 효과를 얻을 수 있는 염료감응 태양전지 또는 염료감응 태양전지 서브모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

상, 하부 투명 기판, 상기 기판의 마주보는 내측 표면에 각각 형성되는 도전성 투명전극, 상기 도전성 투명전극의 일 측에 형성되는 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층 및, 상기 도전성 투명전극의 타 측에 형성되는 촉매박막전극을 포함하고, 상기 상, 하부 투명 기판의 가장자리가 봉지재에 의하여 기밀 되는 염료감응 태양전지 또는 서브모듈에 있어서,

상기 상, 하부 투명 기판 사이의 공간에 주입되는 전해질의 주입부분이 상기 봉지재에 의하여 형성되는 봉지부의 외주 부분에 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지 또는 서브모듈을 제공한다.

상기 서브모듈은 셀과 셀이 집적된 형태를 의미하는 것으로 태양전지의 구성에서 사용되는 실질적인 서브모듈뿐만 아니라 모듈도 모두 포함하는 의미로서, 셀과 셀이 서로 접하여 집적되면 어떤 형태이든 무관하게 이에 포함된다.

본 발명의 염료감응 태양전지(셀) 또는 서브모듈에 따르면. 종래의 봉지부 및 전해질 주입구 결함을 통해 발생하는 전해질 누액의 통로를 봉지부 영역으로만 한정하여 전해액 누액 통로를 최소화하여 내구성을 향상시킬 수 있고, 전해질 주입 부분의 측면 전환을 통하여 수광 면적의 증대(종래의 전해질 주입구 형성에 따른 수광면적 감소를 제거하여)로 광전효율을 증대하며, 전해질 주입이 측면으로 이루어짐에 따라 전해질 주입시의 기포 발생을 최소화하여 태양전의 전체적인 효율을 증대하는 효과를 얻을 수 있다.

이하 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 염료감응 태양전지(셀) 또는 서브모듈은 상, 하부 투명 기판, 상기 기판의 마주보는 내측 표면에 각각 형성되는 도전성 투명전극, 상기 도전성 투명전극의 일 측에 형성되는 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층 및, 상기 도전성 투명전극의 타 측에 형성되는 촉매박막전극을 포함하고, 상기 상, 하부 투명 기판의 가장자리가 봉지재에 의하여 기밀 되는 염료감응 태양전지 또는 서브모듈에 있어서, 상기 상, 하부 투명 기판 사이의 공간에 주입되는 전해질의 주입부분이 상기 봉지재에 의하여 형성되는 봉지부의 외주 부분에 형성되는 구성으로 이루어진다.

이에 대한 상세한 설명은 도면을 참고하여 설명한다.

본 발명의 염료감응 태양전지(여기서는 셀 단위를 의미함.) 또는 서브모듈 (상기 셀 단위의 태양전위 셀이 집적된 형태)에 대한 구체적인 예는 도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같다.

즉, 도 4에 그 구체적인 예를 도시한 바와 같이, 태양전지 셀 단위의 경우에는 봉지재인 절연 분리막의 일부를 개방하여 이를 전해질 주입부분으로 구성한 것을 나타내고 있다. 이를 통하여 전해질, 특히 전해액을 주입할 수 있고, 이러한 전해질 주입부분은 도시한 바와 같이 두 기판의 사이에 형성된 전해질 충진 부분의 끝단에 형성되므로 기공을 형성하지 않고 전해액을 채울 수 있으며, 이후에 이러한 전해질 주입부분을 기밀하는 봉지 작업을 통하여 전해질 주입을 완료할 수 있다.

이와 같은 구성은 도 5에 그 구체적인 실시예를 도시한 바와 같이, 태양전지의 서브모듈에 대해서도 동일하게 적용할 수 있다.

이와 같이 봉지부에 형성된 전해질 주입부분은 상기 봉지부의 봉지재, 즉 절연 분리막과 동일한 성분의 봉지재 또는 봉지방법으로 봉지할 수 있다.

또한 이와 같은 봉지부의 전해질 주입부분에 대한 기밀을 더욱 확실히 하고, 전해질 누액을 방지하기 위해서는 바람직하게는 상기 전해질의 주입부분 및 상기 전해질의 주입부분 주변을 함께 봉지하는 별도의 봉지 구조체를 더 포함하여 이를 구성할 수 있다. 즉, 봉지 구조체로 봉지 외주부를 감싸는 구조를 통하여 봉지기능 및 전해질 주입부분의 기계적 강도를 향상시키는 효과를 함께 얻을 수 있다. 이에 대한 구체적인 예는 도 6 내지 도 7에 도시한 바와 같으며, 더욱 바람직하게는 염료감응 태양전지(셀 단위) 또는 서브모듈의 기계적 강도를 확보하기 위해서는 상기 봉지 구조체는 상기 상, 하부 투명 기판에 결합하여 상기 염료감응 태양전지 또는 서브모듈에 일체화 되는 구성을 가지는 것이 좋다.

즉, 도 7에 도시한 바와 같이 전해질 주입부분을 기밀하는 주입부분 봉지 작업을 완료한 이후에 상, 하부 투명 기판 각각 결합하여 일체로 이루어지는 봉지 구조체를 가지는 것이 좋으며, 상기 봉지 구조체는 상기 상, 하부 투명기판의 사이에 결합하는 구조를 가질 수도 있고, 도시한 바와 같이 상기 상, 하부 투명기판의 사이에 결합하는 구조와 이로부터 연장하여 상, 하부 투명기판의 측면까지 연장하여 결합하는 구조를 가질 수 있다.

이와 같은 봉지 구조체는 기계적 강도를 가지는 금속, 유기물 또는 세라믹으로 구성될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 예로는 기계적 강도를 가지는 금속 구조체, 유기물 구조체 또는 세라믹 구조체를 접착제(기존의 봉지재 포함)를 이용하여 결합할 수도 있고, 기존의 봉지재를 이용하여 이러한 구조체를 바로 형성할 수도 있다.

이외에도 본 발명은 상기 기술한 바와 같은 염료감응 태양전지(셀 단위) 또는 이러한 셀 들이 집적된 서브모듈이 집적되어 이루어진 태양전지 모듈을 제공한다. 이는 통상의 태양전지 모듈에서 서브모듈을 집적하여 이를 형성하는 경우와 동일한 방법으로 이를 수행할 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 상세한 설명, 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

도 1은 종래의 염료감응 태양전지 (셀 단위)의 전해질 주입구 및 봉지구조에 대한 단면구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. (도전성 투명전극 미도시)

도 2 내지 도 3은 종래의 염료감응 태양전지 서브모듈의 전해질 주입구, 주입방법 및 봉지구조를 개략적으로 도시한 평면도 및 사시도이다.

도 4는 본 발명의 염료감응 태양전지 (셀 단위)의 전해질 주입구 및 봉지구조에 대한 단면구조를 개략적으로 도시한 단면도이다. (도전성 투명전극 미도시)

도 5는 본 발명의 염료감응 태양전지 서브모듈의 전해질 주입구, 주입방법 및 봉지구조를 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 6 내지 도 7은 본 발명의 염료감응 태양전지 서브모듈의 실시예 중에서 봉지 구조체를 가지는 경우를 개략적으로 도시한 평면도 및 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10a: 상면 유리 10b: 하면 유리

30: 이산화티타늄입자 및 염료 40: 촉매전극

50: 절연 분리막 또는 봉지재 70: 전해질

100: 봉지 구조체

Claims (4)

1. 상, 하부 투명 기판, 상기 기판의 마주보는 내측 표면에 각각 형성되는 도전성 투명전극, 상기 도전성 투명전극의 일 측에 형성되는 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층 및, 상기 도전성 투명전극의 타 측에 형성되는 촉매박막전극을 포함하고, 상기 상, 하부 투명 기판의 가장자리가 봉지재에 의하여 기밀 되는 염료감응 태양전지에 있어서,

   상기 상, 하부 투명 기판 사이의 공간에 주입되는 전해질의 주입부분이 상기 봉지재에 의하여 형성되는 봉지부의 외주 부분에 형성되고, 상기 전해질의 주입부분을 주입부분 봉지부로 봉지하며, 상기 주입부분 봉지부와 상기 상, 하부 투명 기판을 감싸는 형태로 결합하여 일체화 되는 봉지 구조체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응 태양전지.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항의 염료감응 태양전지가 집적되어 형성되는 염료감응 태양전지 모듈.

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