KR101519703B1 - 태양전지 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 그래핀 시트 위에 광전극을 형성하고 광전극이 형성된 그래핀 시트를 태양전지용 기판에 전사하는 방식으로 태양전지를 제조하여, 기존의 차량의 선루프에 사용되는 강화유리를 태양전지용 기판으로 활용함으로써, 기존의 태양전지를 선루프에 적용시 두꺼운 유리기판을 삭제하여 중량 절감 및 연비를 향상시킬 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 두께 증가 없이 차량의 선루프에 태양전지를 적용할 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 들어 친환경 에너지 분야에 관심이 집중되면서 자동차 분야에도 태양전지 장착에 대한 연구가 활발히 진행 중이며, 실제 일부 하이브리드 차량(Hybrid Electric Vehicle), 전기자동차(EV)나 고급 차량의 경우 차체의 상면에 실린콘 태양전지 패널을 옵션으로 판매 중에 있다.
그러나, 실리콘 태양전지는 고가이면서 불투명한 특성으로 인해 차량의 상면, 특히 선루프에 설치 시 고유의 개방감을 살리지 못하고, 실리콘 웨이퍼 등의 무게로 인해 자동차의 중량이 증가하는 문제점이 있다.
상기 실리콘 태양전지의 문제점을 해결하여 차량의 선루프 등에 적용할 수 있는 차세대 태양전지 개발의 중요성이 대두되고 있으며, 차세대 태양전지 중 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조비용이 1/3 가량으로 저가이면서 반투명한 장점을 가지고, 기존의 실리콘 태양전지나 박막 태양전지와 같이 p형과 n형 반도체의 접합을 사용하지 않고, 전기화학적 원리에 의해 전기를 생산하며, 이론 효율이 높을 뿐만 아니라 친환경적이어서 미래의 그린에너지로 가장 적합한 태양전지로 기대되고 있다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 구조를 보여주는 개략도로서, 염료감응 태양전지는 투명기판(1)과, 빛을 흡수하여 전자를 방출하는 염료가 흡착되며 방출된 전자를 외부 전극으로 이동시키는 역할을 하는 다공질 나노 입자(TiO2, 이산화티타늄)로 구성된 반도체 산화물인 작동전극(3)과, 염료에서 방출된 전자를 채워주는 전해질(5)과, 산화된 전해질(5)을 환원시키는 역할을 하는 상대전극(4)(Counter Electrode)과, 작동전극(3)과 상대전극(4)의 양쪽 옆을 감싸서 전해질(5)이 외부로 누출되는 것을 방지하는 밀봉재(6)로 구성된다.
염료감응 태양전지의 발전원리를 설명하면, 외부의 광이 염료에 닿으면 염료는 전자를 발생하고, 이 전자를 다공질 산화물 반도체인 작동전극(3)이 받아 외부로 전달한다.
이후, 전자는 외부회로를 타고 흐르면서 상대전극(4)에 도달하며, 작동전극(3)의 염료에서 전자가 외부로 빠져나감으로 인해, 전해질(5) 내부의 이온에서 한 개의 전자가 다시 염료로 공급되고, 외부에서 상대전극(4)으로 돌아온 전자는 다시 전해질(5) 내부의 이온으로 전달됨으로써 에너지 전달 과정이 연속적으로 이루어짐에 따라 전류를 발생시킨다.
한편, 상기 투명기판(1)에는 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 등과 같은 투명전도층(2)이 코팅되어, 염료에서 발생된 전자가 작동전극(3) 및 상대전극(4)으로 이동할 수 있도록 하며, 통상적으로 투명기판(1)의 재질로 유리가 사용된다.
도 2는 그리드 타입의 병렬형 염료감응 태양전지 모듈의 구조를 보여주는 개략도로서, 이는 태양전지를 대면적화하기 위해 염료감응 태양전지의 단위셀을 병렬로 연결한 것이다.
상기 태양전지의 면적이 커지게 되면 투명전도층(2)의 저항이 증가하여 전자의 손실이 커지므로 전자를 집전할 수 있는 금속집전극(7)이 작동전극(3) 및 상대전극(4)의 양옆에 포함되며, 이때 금속집전극(7)은 전해질(5)에 의한 부식을 방지하기 위해 보호층(8)이 형성된다.
현재 염료감응 태양전지의 투명기판은 일반적으로 저가인 소다라임유리를 사용하며, 때에 따라 빛의 투과율을 높이기 위해 저철분 유리와 같은 특수유리를 사용하기도 한다.
상기 태양전지는 일반적으로 2mm 내외의 유리 두께를 주로 사용하여 4mm 이상의 두께를 가진다.
그런데, 차량의 선루프에 사용되는 강화유리의 두께는 4mm 내외이므로 차량 선루프 또는 차체 상면에 태양전지를 장착하면 최소 8mm의 두께가 되어 선루프 작동 시 늘어난 두께에 의해 간섭이 발생하므로 기존의 차량 루프의 설계 변경이 필요하며, 유리 무게로 인해 차량의 연비가 악화되는 문제점이 있다.
또한, 상기 염료감응 태양전지의 제조공정은 일반적으로 400℃ 이상에서 이루어지므로, 염료감응 태양전지에 사용되는 유리 기판은 내열성이 높고 투명성이 우수한 유리를 사용하지만, 자동차의 선루프에 사용되는 강화유리는 내열성이 낮아 태양전지의 공정온도에서 강화가 풀리게 되므로, 염료감응 태양전지를 선루프에 적용하기가 어렵고, 선루프 유리 외에 유리의 추가 적용으로 차량용 태양전지의 두께 및 중량을 증가시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 그래핀 시트 위에 광전극을 형성하고 광전극이 형성된 그래핀 시트를 태양전지용 기판에 전사하는 방식으로 태양전지를 제조하여, 기존의 차량의 선루프에 사용되는 강화유리를 태양전지용 기판으로 활용함으로써, 기존의 태양전지를 선루프에 적용시 두꺼운 유리기판을 삭제하여 중량 절감 및 연비를 향상시킬 수 있는 태양전지 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 금속기재에 그래핀을 성장시키는 단계; 상기 그래핀이 성장된 금속기재 위에 광전극을 형성하는 단계; 상기 단계에서 제조된 광전극/그래핀/금속기재에서 금속기재를 제거하는 단계; 및 상기 광전극/그래핀 시트를 태양전지용 기판 위에 전사하여 태양전지를 제조하는 단계;를 포함하고, 기존의 태양전지를 차량에 적용할 수 있는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 태양전지용 기판은 유리, 플라스틱 및 필름의 플렉서블한 기판 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 광전극을 형성하는 단계는 그래핀 필름에 TiO2 나노입자를 코팅한 후 200~600℃에서 소성시켜 광전극을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 나노입자를 코팅하는 방법은 비접촉식 코팅법으로 스프레이 코팅법, 스퍼터링법, 잉크젯 인쇄법 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 소성 방법은 질소 또는 아르곤, 혹은 이들의 혼합가스 분위기 하에서 적외선, 자외선, 레이저 중 선택된 어느 하나의 열원을 이용하여 빠르고 균일한 온도 상승 및 온도분포를 유지할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
차량용 선루프와 같이 대면적 태양전지 모듈 제조시 상기 광전극 외에 금속 집전극 및 집전극 보호층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 광전극을 형성한 후 금속기재를 제거하기 전에 광전극이 형성된 일면에 릴리즈층을 배치하여 광전극을 보호 및 태양전지 제조시 사용되는 기판에 전사할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 금속기재의 제거방법으로 금속기재를 고정한 상태에서 광전극/그래핀 시트를 박리하거나 금속기재를 에칭액에 담지시켜 제거할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
상기 광전극/그래피 시트의 전사 방법으로 수(水)전사, LB(Lamgmuir-Blodgett)법, 롤투롤 전사법 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양전지 제조시 태양전지용 기판은 유리의 경우 소다라임 유리, 저철분 유리, 무알칼리 유리 중 어느 하나 이거나, 특성에 따라 화학강화유리, 배강도 유리, 강화유리 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 태양전지용 기판은 플라스틱 및 필름의 경우 투명한 특성이 있고, 가시광선 투과율이 80% 이상인 투명 플라스틱 기판을 사용하며; 상기 플라스틱 기판은 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 폴리에스터계, 폴리아크릴계, 폴리이미드계, 폴리아미드계, 폴리스티렌계 고분자 중 선택된 어느 하나의 고분자 소재를 사용하여 제조된 것이거나, 또는 이들 각 고분자 소재들을 혼합한 블렌드나 공중합물로 만든 기판 혹은 각각의 고분자 소재를 적층시켜 만든 기판인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 태양전지는 태양전지용 기판; 상기 태양전지용 기판에 형성되는 그래핀; 및 상기 그래핀 위에 형성되는 광전극;을 포함하고, 상기 태양전지용 기판으로 유리, 플라스틱 및 필름의 플렉서블한 기판 중 선택된 어느 하나를 사용하여 차량에 적용할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지 및 이의 제조방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 금속기재 위에 그래핀을 성장시키고, 그래핀에 광전극을 형성하고, 금속기재를 제거한 후 그래핀을 기판에 전사하는 방식으로 기존의 태양전지 성능과 별 차이가 없는 태양전지를 제조할 수 있다.
둘째로, 기존에 적용하기 어려운 차량 선루프용 강화유리를 태양전지 기판으로 직접 사용함으로써 기존의 차량 적용 시 태양전지 기판으로 사용되고 있는 두꺼운 유리 대신에 선루프의 강화유리를 활용할 수 있으므로, 원가 및 중량을 절감할 수 있다.
셋째로, 일반적으로 내열성이 200℃ 이내의 플라스틱이나 필름에도 적용이 가능하므로, 플렉서블 타입의 태양전지도 제조할 수 있다.
도 1은 일반적인 염료감응 태양전지의 구조를 보여주는 개략도
도 2는 그리드 타입의 병렬형 염료감응 태양전지 모듈의 구조를 보여주는 개략도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 개략도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 구조를 보여주는 단면도
도 5에서 (a)는 기존 기술에 의한 차량용 태양전지 구조이고, (b)는 본 기술에 따른 태양전지 구조를 보여주는 단면도
도 6은 비교예 (a)과 실시예 1(b)의 두께를 비교하기 위한 사진
도 2는 그리드 타입의 병렬형 염료감응 태양전지 모듈의 구조를 보여주는 개략도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 개략도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 구조를 보여주는 단면도
도 5에서 (a)는 기존 기술에 의한 차량용 태양전지 구조이고, (b)는 본 기술에 따른 태양전지 구조를 보여주는 단면도
도 6은 비교예 (a)과 실시예 1(b)의 두께를 비교하기 위한 사진
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 차량용 태양전지의 제조방법을 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명은 차량의 선루프를 태양전지 기판(1)으로 직접 사용가능한 태양전지의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 염료감응 태양전지를 기본으로 하여 설명하지만, 이는 예시일 뿐 유기 태양전지를 비롯하여 투명전극 기판을 사용하거나 본 기술을 이용한 디바이스에 모두 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 태양전지의 제조방법은 금속 호일(15)(foil) 위에 그래핀(10)을 합성하는 단계와, 합성된 그래핀(10) 위에 태양전지 구성요소인 TiO2 등을 형성하고 금속 호일(15)(이하, 금속기재(15)와 동일함)를 제거하는 단계 및 태양전지 제조단계로 이루어진다.
1. 금속 호일(15) 위에 그래핀(10) 합성
본 단계는 그래핀(10)을 금속 호일(15)(금속기재) 위에 합성하는 기술에 관한 것으로서, 기 공지된 기술(공개특허 10-2011-0095751와 10-2011-0101081), 학술지 발표 논문(Nature Nanotechnology, Vol.5, pp 574-578, 2010) 등을 사용하여 그래핀(10)을 금속 호일(15)에 성장시킬 수 있으며, 이외에도 그래핀(10) 성장을 위해 통상적으로 사용하는 방법이면 특별히 제한 없이 사용할 수 있다.
그래핀(10)을 성장시키는 여러 가지 방법 중에 화학기상 증착법을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.
상기 그래핀(10)을 성장시키기 위한 기재 재료는 Ni, Co, Fe, Cu, Cr, Pt 등의 금속 호일(15) 및 실리콘 웨이퍼 위에 Si층을 적층한 기재를 사용할 수 있으며, 경우에 따라 Ni, Co, Fe, Cu, Cr, Pt 등을 촉매층으로 추가로 형성할 수 있다.
그래핀(10)을 성장시키는 일 예로, Ni 또는 Cu 호일과 같은 금속기재(15)를 원통형의 챔버에 넣고 반응 가스를 공급하는데, 이때 반응가스로 탄소 소스가 사용되며, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 부탄, 펜탄 등을 이용할 수 있다.
이때 1,000℃ 내외로 온도를 가하면 상기의 탄소 소스에 존재하는 탄소 성분들이 금속 호일(15)에 결합하여 단층 또는 다층의 그래핀 필름이 성장된다.
본 발명에서 그래핀(10) 필름은 단층 또는 다층이어도 무방하고, 단층이 유리할 수 있으나 만약 그래핀(10) 필름에 결함 (defect)이 존재한다면 추후 기재를 포함한 그래핀(10) 필름 위에 태양전지 제조를 위해 시행되는 전극 코팅 및 열처리 공정에서 기재 및 광전극 재료가 산화될 수 있으므로 다층의 그래핀(10) 필름으로 결함을 막는 것이 유리할 수 있다.
상기한 방법에 의해 그래핀(10)이 합성된 금속 호일(15)을 얻을 수 있다.
2. 그래핀(10) 위에 광전극(13) 형성 및 기재 제거
본 단계에는 그래핀(10)이 합성된 기재 위에 염료감응 태양전지의 요소 재료인 광전극(13), 집전극 및 촉매전극을 형성하고 금속 호일(15)(기재)를 제거하는 단계로서, 염료감응 태양전지 단위셀을 제작하는 방법을 설명하기로 한다.
먼저 금속기재(15) 위 형성된 그래핀(10) 필름 한 면에 TiO2 나노입자를 코팅한 후 200~600℃의 소성을 거쳐 10㎛ 내외의 두께를 가지도록 광전극(13)을 형성한다.
코팅방법으로 스크린 인쇄법, 닥터블레이드법, 바코팅법 등의 접촉식 코팅법도 가능하지만, 스프레이 코팅법, 스퍼터링법, 잉크젯 인쇄법 등의 비접촉식 코팅법을 사용하여 기재의 손상을 방지하는 것이 더욱 바람직하다.
하지만, 상기에 언급한 방법 외에도 10㎛ 내외의 광전극(13)을 형성할 수 있으면 어느 것을 사용해도 무방하다.
소성 공정은 일반적인 전기로나 열풍타입의 소성로를 사용할 수 있지만, 질소, 아르곤, 또는 이들의 혼합 가스 분위기 하에서 열원으로 적외선(IR)이나 자외선(UV), 레이저 등을 이용하여 빠르고 균일한 온도 상승 및 온도 분포가 유지 가능한 소성 방법을 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
하지만, 상기의 예에 국한되는 것은 아니다.
대면적 모듈을 제조 시에는 상기와 유사한 방법으로 광전극(13) 외에 금속 집전극 및 집전극 보호층을 추가로 형성하는 것만 다를 뿐 제조 방식은 동일하다.
상기와 같이 광전극(13) 소성이 완료되면 그래핀(10) 합성을 위해 사용된 금속기재층(금속 호일(15))을 제거해는 단계를 거치며, 상기에서 만들어진 광전극층(13)/그래핀(10)/금속기재(15)를 편의상, 이하 ‘TGM(17)(TiO2-Graphene-Metal)’으로 명명한다.
금속기재(15)를 제거하는 방법의 예로써 먼저 상기의 방법으로 제조된 TGM(17)에서 광전극(13)이 형성된 일면에 광전극(13) 보호 및 태양전지 제조 시 사용되는 기판(1) (유리 또는 필름)에 전사(transfer)를 위해 필름형태의 릴리즈(release)층을 배치한다.
릴리즈층(16)의 예로는 PDMS (polydimethylsiloxane)이나 폴리우레탄, 합성고무, 천연고무, 또는 PMMA(polymethylmethacrylate) 등이 사용될 수 있다.
또한 상기 릴리즈층(16)의 일면(TGM(17)에서 광전극(13)이 형성된 부분과 접촉하는 면)에는 점착을 용이하게 하기 위해 포토레지스트, 수용성 폴리우레탄, 수용성 에폭시, 수용성 아크릴, 자외선 경화형 점착제, 실리콘 점착제 등을 도포하여 사용할 수 있다.
그 후 TGM(17)에서 금속기재(15)를 제거하기 위한 방법으로, TGM(17)의 금속기재(15)를 고정한 상태에서 상기 릴리즈층(16)이 점착된 광전극층(13)/그래핀(10) 시트를 박리할 수도 있으며, 혹은 릴리즈층(16) 점착 후 금속기재(15)를 제거하기 위해 에칭액에 담구어 에칭액에 부유시킬 수도 있다.
이때 에칭액은 일반적으로 산, 불화수소 (HF), BOE (buffered oxide etch), FeCl3 등이 사용된다.
에칭하여 금속 기판(1) 제거시에는 상기 릴리즈층(16)을 사용하지 않고도 가능하며, 상기에 언급한 기술 외에도 통상적으로 금속 기판(1)을 제거할 수 있는 기술이면 어떠한 방법을 사용해도 무방하다.
다만 그래핀(10) 시트 위에 형성된 광전극(13) 등의 태양전지 구성 요소들이 상기 공정 중 손상을 받을 수 있으므로, 가급적 릴리즈 필름 등으로 보호해주는 것이 바람직하다.
이상과 같은 방법을 통해 본 단계에서는 릴리즈층(16)/광전극(13)/그래핀(10) 시트 또는 광전극(13)/그래핀(10) 시트로 이루어진 필름 형태를 얻을 수 있다.
3. 릴리즈층(16)/광전극(13)/그래핀(10) 시트를 태양전지 기판(1)에 전사
본 단계는 제2단계에서 제조된 릴리즈층(16)/광전극(13)/그래핀(10) 시트를 태양전지 기판(1) 위에 전사시키는 방법 및 이를 통해 차량용 태양전지를 제조할 수 있다.
전사법에는 수전사, LB (Lamgmuir-Blodgett)법, 롤투롤 전사법 등 여러 가지 방법이 있을 수 있으나, 본 단계에서는 수전사 방법으로 제조하는 것을 예로 들어 설명하면, 제2단계에서 제조된 릴리즈층(16)/광전극(13)/그래핀(10) 시트에서 그래핀(10) 시트가 물과 접촉하도록 물에 띄어놓고 태양전지 제조를 위해 사용할 기판(1)(강화유리 또는 필름)을 물 아래에서 들어올려 그래핀(10) 시트와 접착시키고 건조하는 방법으로 간단하게 그래핀(10) 시트와 기판(1)을 접착시킬 수 있다.
상기한 방식은 자동차의 우드그레인과 같은 부품을 제조 시 사용하는 방법으로 기존의 공정을 활용할 수 있으므로 유리하며, 상기한 방법 외에도 그래핀(10) 시트와 기판(1)을 접착시킬 수 있는 어떠한 방법을 사용해도 무방하다.
릴리즈층(16)은 태양전지 기판(1)과 접착이 끝난 후 쉽게 박리할 수 있으며, 릴리즈층(16) 일면에 만약 점착층을 도입했을 경우, 사용한 종류에 따라 광경화 또는 열경화 방식으로 박리할 수 있다.
이상의 방법을 이용하면 기존의 태양전지 제조 시 사용되는 구성요소의 높은 소성 온도로 인해 사용하기 어려운 강화유리나 플라스틱, 필름 등의 기판(1)을 태양전지 기판(1)으로 사용할 수 있으므로 다양한 분야에 적용 가능성이 높고, 특히 차량에 사용 시 기존의 두꺼운 유리를 추가하지 않고서도 기존의 차량 유리를 태양전지의 기판(1)으로 활용할 수 있으므로 유리하다.
상기와 같은 방법을 통해 도 1에서 설명한 태양전지의 작동전극부를 제조할 수 있으며, 유사한 방법으로 상대전극부(4)를 제조할 수 있다.
상대전극부(4)는 그래핀(10) 시트 위에 코팅되는 물질이 TiO2가 아닌 백금(Pt)과 같은 촉매재료가 사용되는 것 외에는 모두 동일한 방법으로 제조한다.
도 4는 상기의 기술로 이루어진 태양전지 구조의 예의 일부이며, 본 기술의 발명으로 이루어진 어떠한 구조도 적용이 가능하다.
도 4에서 (a)는 광전극부만 본 기술로 제작한 경우이며, (b)는 (a)와 유사하나 기판(1)에 배치되는 투명전극(2)을 삭제하여 그래핀(10)이 광전극부(13)의 투명전극(2) 역할까지 담당하는 구조이다.
도 4에서 (c)는 광전극부(13)와 상대전극부(4)를 모두 본 기술을 이용한 구조이며, (d)는 (b)와 같이 그래핀(10)으로 투명전극(2)을 대체한 구조로서 광전극부(13)와 상대전극부(4)에 모두 본 기술을 적용한 구조이다.
도 4 (a)는 그래핀이 태양전지에서 전자재결합방지층 역할도 하므로 성능 향상이 가능한 구조이다.
태양전지용 기판(1)은 유리의 경우 소다라임 유리, 저철분 유리, 무알칼리 유리 등 어떤 것도 사용 가능하며, 특성에 따라 화학강화유리, 배강도 유리, 강화유리 등을 모두 사용할 수 있다.
플라스틱 및 필름의 경우 투명한 특성이 있는 것을 사용하는 것이 유리하며, 바람직하게는 가시광선 투과율이 80% 이상인 투명 플라스틱 기판(1)을 사용하는 것이 바람직하다.
플라스틱 기판(1)은 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 폴리에스터계, 폴리아크릴계, 폴리이미드계, 폴리아미드계, 폴리스티렌계 고분자 중 선택된 어느 하나의 고분자 소재를 사용하여 제조된 것이거나, 또는 이들 각 고분자 소재들을 혼합한 블렌드나 공중합물로 만든 기판(1) 혹은 각각의 고분자 소재를 적층시켜 만든 기판(1)인 것을 특징으로 한다.
예를 들면 PC (polycarbonate), PES (polyethersulfone), COC (cyclic olefin copolymer), PE (polyethylene), PET (polyethyleneterephthalate), PEN (polyehtylenenaphthalate), TAC (triacetylcellulose), PMMA (polymethylmethacrylate), PEEK (polyetheretherketone), polyamide, PI (polyimide), PEI (polyetherimide), PP (polypropylene), OPP (polypropylene, oriented) 등을 예로 들 수 있으며 상기 물질로 국한되는 것은 아니다.
도 5에서 (a)는 기존 기술에 의한 차량용 태양전지 구조이고, (b)는 본 기술에 따른 태양전지 구조를 보여주는 단면도로서, 도 4에만 국한되는 것은 아니다.
도 5에 도시한 바와 같이 기존 기술에 따른 차량용 태양전지는 선루프 강화유리(20)와 광전극(13)의 투명유리 사이에 두꺼운 태양전지 유리기판(1)이 추가되어 있지만, 본 발명에 따른 차량용 태양전지는 선루프 강화유리(20)가 태양전지 기판(1)으로 사용됨으로써, 기존에 추가되었던 두꺼운 유리기판(1)을 삭제할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 금속기재(15) 위에 그래핀(10)을 성장시키고, 그래핀(10)에 광전극(13)을 형성하고, 금속기재(15)를 제거한 후 그래핀(10)을 기판(1)에 전사하는 방식으로 기존의 태양전지 성능과 별 차이가 없는 태양전지를 제조할 수 있다.
특히 기존에 적용하기 어려운 차량 선루프용 강화유리를 태양전지 기판(1)으로 직접 사용함으로써 기존의 차량 적용 시 태양전지 기판(1)으로 사용되고 있는 두꺼운 유리 대신에 선루프의 강화유리를 활용할 수 있으므로, 원가 및 중량을 절감할 수 있다.
또한, 일반적으로 내열성이 200℃ 이내의 플라스틱이나 필름에도 적용이 가능하므로, 플렉서블 타입의 태양전지도 제조할 수 있다.
이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
기공지된 기술을 참조하여 화학기상증착방법 (CVD)으로 Cu 호일 위에 그래핀(10)을 합성하였다.
그 다음 광전극(13) 적층을 위해 TiO2 잉크를 제조한 후 잉크젯 프린팅법을 이용하여 0.25 ㎠ 면적을 가지는 정사각형 모양의 광전극(13)을 코팅하였다(잉크 제조방법은 본 출원인의 공개특허 10-2012-0048436 참조).
이 후 상온에서 레벨링을 거친 후 적외선 소성장비를 이용하고, 아르곤 가스 분위기 하 (유량 200 sccm)에서 450℃에서 30분간 소성 후 상온으로 냉각시켜 광전극(13)(두께 8㎛)/그래핀(10)/Cu 호일 필름을 얻었다.
이어서, Cu 호일의 에칭을 위해 (NH4)2S2O8 용액에 Cu 호일 면을 접촉시켜 금속기재(15)를 제거하여 광전극(13)이 코팅된 그래핀(10) 시트를 수득하였다.
상기의 시트는 태양전지 제조를 위해 수전사 공법으로 미리 준비한 TCO가 코팅된 폴리이미드 필름(가로 1 cm, 세로 2 cm) 위에 접착시켜 태양전지의 작동전극부를 제조하였다.
상대전극부(4)의 제조를 위해서는 2.2mm 두께의 FTO가 코팅된 소다라임 글라스를 이용하여 작동전극부의 TiO2와 동일한 면적으로 Pt 페이스트를 스크린 인쇄법으로 도포하였다.
그 후 상온에서 일정 시간 레벨링을 한 후 400℃에서 30분간 소성하여 상대전극부(4)를 제작하였다.
상기와 같이 제조된 작동전극부와 상대전극부(4)는 자외선 경화제 타입의 실링재를 이용하여 접합시키고 전해질(5)을 주입한 후 전해질 주입구를 설린 필름과 커버글래스를 이용하여 밀봉하여 염료감응 태양전지 셀을 제조하였다.
이렇게 제작된 셀은 1 sun 조건 하에서 2.2%의 광전변환 효율을 나타내었다.
실시예
2
실시예 2는 상기의 실시예 1에서 작동전극부에 접착되는 기판(1)이 폴리이미드 필름이 아닌 4.0mm 두께의 TCO가 코팅된 강화유리를 사용한 것만 다를 뿐 그 외는 동일한 방법으로 태양전지를 제조하였으며, 이때의 태양전지 효율은 4.1%로 측정되었다.
실시예
3
실시예 3은 실시예 1과 동일하나 작동전극부의 기판(1)인 폴리이미드에 투명전극(2)을 형성하지 않고 제조한 그래핀(10) 시트를 바로 접착하여 제조한 것만 다를 뿐 그 외는 동일하며, 이때의 효율은 1.1% 로 측정되었다.
비교예
비교예은 실시예 1에서 작동전극부 기판(1)이 폴리이미드 필름이 아닌 2.2mm 두께의 TCO가 코팅된 소다라임 글라스를 사용한 것만 다를 뿐 그 외는 동일한 방법으로 제조하였으며, 이때의 태양전지 효율은 4.3%로 측정되었다.
도 6은 비교예 (a)과 실시예 1(b)의 두께를 비교하기 위한 사진이다.
도 6에서 (a)의 비교예는 (b)의 실시예 1에 비교하여 두꺼운 유리가 하나 더 있으므로, (b)의 실시예 1은 (a)의 비교예에 비해 전지의 두께가 절반에 가까울 정도로 얇다.
1 : 기판
2 : 투명전극(투명전도층)
4 : 상대전극부
5 : 전해질
6 : 밀봉재
10 : 그래핀
13 : 광전극부(작동전극부)
15 : 금속 호일(금속기재)
16 : 릴리즈층
17 : TGM
20 : 선루프 강화유리
21 : 접착층
2 : 투명전극(투명전도층)
4 : 상대전극부
5 : 전해질
6 : 밀봉재
10 : 그래핀
13 : 광전극부(작동전극부)
15 : 금속 호일(금속기재)
16 : 릴리즈층
17 : TGM
20 : 선루프 강화유리
21 : 접착층
Claims (14)
- 금속기재(15)에 투명전극용 그래핀(10)을 성장시키는 단계;
상기 그래핀(10)이 성장된 금속기재(15)에 대하여, 상기 그래핀상에 직접 광전극(13)을 형성하는 단계;
상기 단계에서 제조된 광전극(13)/그래핀(10)/금속기재(15)에서 금속기재(15)를 제거하는 단계; 및
상기 광전극(13)/그래핀(10) 시트를 태양전지용 기판(1) 위에 전사하여 태양전지를 제조하는 단계;를 포함하고,
상기 광전극(13)을 형성하는 단계는 그래핀(10) 필름에 직접 액상 TiO2 나노입자를 코팅한 후 200~600℃에서 소성시켜 투명전극용 그래핀상에 적층된 광전극(13)층을 형성하는 것을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 태양전지용 기판(1)은 유리, 플라스틱 및 필름의 플렉서블한 기판 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 나노입자를 코팅하는 방법은 스크린 인쇄법, 스프레이 코팅법, 스퍼터링법, 잉크젯 인쇄법 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 소성 방법은 질소 또는 아르곤, 혹은 이들의 혼합가스 분위기 하에서 적외선, 자외선, 레이저 중 선택된 어느 하나의 열원을 이용하여 빠르고 균일한 온도 상승 및 온도분포를 유지할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
대면적 태양전지 모듈 제조시 상기 광전극(13) 외에 금속 집전극 및 집전극 보호층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 광전극(13)을 형성한 후 금속기재(15)를 제거하기 전에 광전극(13)이 형성된 일면에 릴리즈층(16)을 배치하여 광전극(13)을 보호 및 태양전지 제조시 사용되는 기판(1)에 전사할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 금속기재(15)의 제거방법으로 금속기재(15)를 고정한 상태에서 광전극(13)/그래핀(10) 시트를 박리하거나 금속기재(15)를 에칭액에 담지시켜 제거할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 청구항 1에 있어서,
상기 광전극(13)/그래핀(10) 시트의 전사 방법으로 수(水)전사, LB(Lamgmuir-Blodgett)법, 롤투롤 전사법 중 선택된 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 태양전지 제조시 태양전지용 기판(1)은 유리의 경우 소다라임 유리, 저철분 유리, 무알칼리 유리 중 어느 하나 이거나, 특성에 따라 화학강화유리, 배강도 유리, 강화유리 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 청구항 2에 있어서,
상기 태양전지용 기판(1)은 플라스틱 및 필름의 경우 투명한 특성이 있고, 가시광선 투과율이 80% 이상인 투명 플라스틱 기판(1)을 사용하며;
상기 플라스틱 기판은 폴리에틸렌계, 폴리프로필렌계, 폴리에스터계, 폴리아크릴계, 폴리이미드계, 폴리아미드계, 폴리스티렌계 고분자 중 선택된 어느 하나의 고분자 소재를 사용하여 제조된 것이거나, 또는 이들 각 고분자 소재들을 혼합한 블렌드나 공중합물로 만든 기판 혹은 각각의 고분자 소재를 적층시켜 만든 기판인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법.
- 태양전지에 있어서,
태양전지용 기판(1);
상기 태양전지용 기판에 형성되는 그래핀(10); 및
상기 그래핀 위에 형성되는 광전극(13);
을 포함하며,
상기 그래핀(10) 필름에 직접 액상 TiO2 나노입자를 코팅한 후 200~600℃에서 소성시켜 투명전극용 그래핀상에 적층된 광전극(13)층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 청구항 12에 있어서,
상기 태양전지용 기판(1)으로 차량용 유리를 사용하여 차량에 적용할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 태양전지.
- 청구항 12에 있어서,
상기 태양전지용 기판(1)으로 플라스틱 또는 필름 형태를 사용하여 경량형 태양전지를 구성할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 태양전지.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120131348A KR101519703B1 (ko) | 2012-11-20 | 2012-11-20 | 태양전지 및 이의 제조방법 |
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2012
- 2012-11-20 KR KR1020120131348A patent/KR101519703B1/ko active IP Right Grant
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