KR101520060B1 - 집전 그리드형 염료감응 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 집전 그리드형 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 대향하여 배치된 작용극 기판과 촉매극 기판 및, 이들 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 작용극 및 촉매극 각각에 집전 그리드 전극이 형성되고, 상기 작용극의 집전 그리드 전극과 상기 촉매극의 집전 그리드 전극은 서로에 대하여 각각 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 집전 그리드형 염료감응 태양전지에 관한 것이다.
이를 통하여 작용극 기판 및 촉매극 기판에 각각 형성된 집전 그리드 전극이 서로에 대하여 일정간격을 두고 형성되어 있어, 상기 작용극 기판 및 촉매극 기판을 합착하는 공정에서 집전 그리드 전극 사이의 전기적 연결을 방지하여, 합착 공정 수율을 개선하고, 집전 전극의 높이를 증가시켜 집전 전극의 저항을 개선하여 광전변환 효율을 개선할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
염료감응, 태양전지, 집전 그리드

Description

집전 그리드형 염료감응 태양전지 {DYE SENSITIZED SOLAR CELL WITH GRID ELECTRODE}
본 발명은 집전 그리드(grid)형 염료감응 태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작용극 기판 및 촉매극 기판에 각각 형성된 집전 그리드 전극이 서로에 대하여 일정간격을 두고 형성되어 있어, 상기 작용극 기판 및 촉매극 기판을 합착하는 공정에서 집전 그리드 전극 사이의 전기적 연결을 방지하여, 합착 공정 수율을 개선하고, 집전 전극의 높이를 증가시켜 집전 전극의 저항을 개선하여 광전변환 효율을 개선할 수 있는 집전 그리드(grid)형 염료감응 태양전지에 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 기판(일반적으로 유리)과 그 투명기판의 표면에 각각 형성되는 투명 도전성 산화물(TCO)로 이루어진 도전성 투명전극을 기본으로 하여, 제1전극(작용극)에 해당하는 일 측의 도전성 투명전극위에는 그 표면에 염료가 흡착된 전이금속 산화물 다공질 층이 형성되어지고, 제2전극(촉매극)에 해당하는 타 측 도전성 투명전극 위에는 촉매박막전극(주로 Pt)이 형성되어지며, 상기 전이금속 산화물, 예를 들면 TiO2, 다공질 전극과 촉매박막전극 사이에는 전해질이 충진되어지는 구조를 가진다. 즉, 염료감응 태양전지는 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료가 부착된 광전극(TiO2) 재료가 코팅된 작용극 기판과 전자를 공급하는 촉매극 기판 사이에 산화된 염료에 전자를 공급하여 주는 전해질을 기본으로 구성되어진다.
이와 같은 염료감응 태양전지의 실용화를 위해서는 대면적에서도 효율의 감소가 없는 모듈을 실현하는 것이며, 염료감응 태양전지의 모듈화 방법은 크게 4가지로 구분할 수 있고, 이 가운데, 결정질 Si-태양전지 셀과 같은 방식으로서 전류집적 효율이 우수한 집전그리드 방식이 있다. 즉, 대면적 서브 모듈의 경우, 셀 면적의 증대로 인하여 상대적으로 저항값이 큰 기판 내에서의 전자 이동거리가 늘어나 전자의 장거리 이동에 따른 효율 감소가 발생하는데, 집전 그리드 방식은 이러한 효율저하를 줄이기 위하여 셀 내부에 별도의 집전 그리드 전극을 배치하여 전자의 기판 내에서의 이동거리를 줄여 저항을 줄이고, 효율 감소를 막는 것으로, 이들 집전 그리드 전극의 도입을 통하여 작용극 기판과 촉매극 기판을 각각 최적화하 여 발전효율 극대화 시킬 수 있으며, 이러한 집전 그리드 전극 도입은 그 공정이 단순하여 대면적화 적용에 용이하다.
따라서 이와 같은 집전 그리드 방식의 집전 그리드 전극은 집전 그리드 전극으로 사용하는 금속전극을 전해질로부터 보호하는 보호층으로 감싸여진 구조로 형성되어야 하며, 저항값을 낮추기 위하여 그리드 전극의 단면적이 충분히 커야 하고, 태양전지의 수광 면적을 증대하여야 하므로, 도 1에 그 구체적인 예를 도시한 바와 같이 작용극 기판과 촉매극 기판에 각각 마주보는 형태로 형성된다. 그러나 염료감응 태양전지가 안정적으로 효율 좋게 동작하는 두 전극간 거리는 10 ~ 60 ㎛ 범위에 있으며 가장 바람직하게는 15 ~ 25 ㎛ 이다. 따라서 이와 같은 전극간 거리를 감안하는 경우 집전 그리드 방식의 염료감응 태양전지 서브모듈은 작용극 기판의 집전 그리드 전극과 촉매극 기판의 집전 그리드 전극이 통상의 경우와 같이 마주보는 경우 집전 그리드 전극의 높이에 제한이 있으며, 높이 제한에 따른 저항 문제를 해결하기 위하여 집전선의 폭을 넓게 하는 방식을 채택하고 있다. 이에 대한 구체적인 예는 도 2에 도시한 바와 같다.
그러나 이와 같이 마주보는 형태의 집전그리드 전극을 형성하면 작용극 기판과 촉매극 기판을 상호 합착하는 경우 집전 그리드 전극 사이에 전기적 연결이 발생할 가능성이 매우 높은 문제점이 있으며, 높이 제한에 따라 도 2와 같이 폭을 넓게 형성하는 경우에는 수광 면적의 증대라는 효과를 얻을 수 없게 되는 문제점이 있다.
따라서 상기 기술한 문제점을 개선하여 최적의 광전변환효율을 얻을 수 있는 기판간 간극을 유지하면서도, 수광 면적을 충분히 확보하고, 집전 그리드 전극의 단면적을 충분히 확보하여 저항값을 낮출 수 있는 구조를 가지는 염료감응 태양전지의 개발이 절실한 실정이다.
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 작용극 기판 및 촉매극 기판을 합착하는 공정에서 집전 그리드 전극 사이의 전기적 연결을 방지하여, 합착 공정 수율을 개선하고, 기판 사이의 간극을 최적으로 유지하고, 집전 전극의 높이를 증가시켜 집전 전극의 저항을 개선하여 광전변환 효율을 개선하고, 부가적인 스페이서의 도입 없이 집전 그리드 전극이 스페이서(spacer) 역할을 할 수 있도록 하여 내구 수명을 연장할 수 있는 집전 그리드(grid)형 염료감응 태양전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
대향하여 배치된 작용극 기판과 촉매극 기판 및, 이들 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서,
상기 작용극 및 촉매극 각각에 집전 그리드 전극이 형성되고, 상기 작용극의 집전 그리드 전극과 상기 촉매극의 집전 그리드 전극은 서로에 대하여 각각 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 집전 그리드형 염료감응 태양전지를 제공한다.
본 발명의 염료감응 태양전지의 제조방법에 따르면. 작용극 기판 및 촉매극 기판에 각각 형성된 집전 그리드 전극이 서로에 대하여 일정간격을 두고 형성되어 있어, 상기 작용극 기판 및 촉매극 기판을 합착하는 공정에서 집전 그리드 전극 사 이의 전기적 연결을 방지하여 합착 공정 수율을 개선하고, 기판 사이의 간극을 최적으로 유지하고, 집전 전극의 높이를 증가시켜 집전 전극의 저항을 개선하여 광전변환 효율을 개선할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한 이와 같은 집전 그리드 전극을 보호하는 보호층으로 절연막을 상기 기판 사이에 추진하여 이를 연결하는 구조를 통하여 그리드 전극이 스페이서로서의 역할도 수행하게 하는 경우에는 이를 통하여 내구성 향상의 효과도 얻을 수 있다.
이하 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 집전 그리드(grid)형 염료감응 태양전지는 대향하여 배치된 작용극 기판과 촉매극 기판 및, 이들 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 작용극 및 촉매극 각각에 집전 그리드 전극이 형성되고, 상기 작용극의 집전 그리드 전극과 상기 촉매극의 집전 그리드 전극은 서로에 대하여 각각 이격되어 배치되는 구성을 가진다.
이에 대한 상세한 설명은 도면을 참고하여 설명한다.
즉, 염료감응 태양전지는 빛을 받아 전자를 발생시키는 염료가 부착된 광전극(구체적인 예를 들면 TiO2) 재료가 코팅된 작용극 기판과 전자를 공급하는 촉매극 기판 사이에 산화된 염료에 전자를 공급하여 주는 전해질을 기본구조로 하여 구성되어 있다. 따라서 일반적인 염료감응 태양전지는 이들 두 기능을 가지는 기판이 서로 마주보는 형태로 구성되어 있다.
본 발명은 이와 같은 대향하여 배치된 작용극 기판과 촉매극 기판 및, 이들 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하는 통상의 염료감응 태양전지에 모두 적용 가능한 것으로 특히 이와 같은 염료감응 태양전지의 서브 모듈에 적용이 가능하고, 대면적 서브 모듈의 경우에 적용 효과가 증대될 수 있다.
즉, 이와 같은 염료감응 태양전지에 있어서, 상기 작용극 및 촉매극 각각에 집전 그리드 전극이 형성되고, 상기 작용극의 집전 그리드 전극과 상기 촉매극의 집전 그리드 전극은 서로 마주보고 배치되는 것이 아니라 서로에 대하여 각각 이격되어 배치되는 구성으로, 서로 엇갈리게 배치되는 것이다.
이를 통하여 그리드 전극의 높이를 충분히 크게 형성하여 수광 면적의 감소를 최소화하면서도 그리드 전극의 단면적을 증대할 수 있으며, 상기 작용극의 집전 그리드 전극과 상기 촉매극의 집전 그리드 전극 사이의 전기적 연결이 발생하는 것을 원천적으로 방지할 수 있다.
바람직하게는 상기 각 그리드 전극의 높이는 그 크기를 최대로 하는 것이 좋으며, 따라서 상기 작용극의 집전 그리드 전극의 높이는 상기 촉매극의 집전 그리드 전극과 작용극 사이의 간격보다 크고 상기 작용극과 촉매극 사이의 간격보다 작고, 상기 촉매극의 집전 그리드 전극의 높이는 상기 작용극의 집전 그리드 전극과 촉매극 사이의 간격보다 크고 상기 작용극과 촉매극 사이의 간격보다 작은 형태로 이를 구성하여 그리드 전극의 엇갈린 배치에 따른 수광 면적의 감소를 최소화할 수 있다.
이와 같은 집전 그리드 전극은 전해질로부터의 피해를 줄이기 위하여 각각에 대하여 보호층(절연막)을 가질 수 있으며, 바람직하게는 상기 작용극의 집전 그리드 전극과 상기 촉매극의 집전 그리드 전극 사이에는 절연막(보호층)을 더 포함하는 것이 좋다. 이를 통하여 각각의 그리드 전극에 절연막을 가지는 경우에 비하여 절연막의 두께를 줄일 수 있으므로 수광 면적을 더 확보할 수 있는 장점이 있고, 더욱 바람직하게는 도 3에 그 구체적인 예를 도시한 바와 같이, 상기 절연막은 상기 집전 그리드 전극을 내포하고 상기 작용극과 촉매극 사이에 충진되어 상기 작용극과 촉매극 사이의 스페이서로 작용하도록 하는 것이 좋다. 이를 통하여 도 2에 비하여 수광 면적을 더 확보하면서도 충분한 단면적을 가지는 그리드 전극을 형성할 수 있으며, 이와 같은 그리드 전극이 스페이서로의 역할도 수행하여 태양전지의 내구성 향상 및 구조적 강도 향상을 얻을 수 있도록 할 수 있다.
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 집전 그리드형 염료감응 태양전지의 일 실시예에 대한 단면구조를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 집전 그리드형 염료감응 태양전지의 다른 실시예에 대한 단면구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 집전 그리드형 염료감응 태양전지의 일 실시예에 대한 단면구조를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10a: 상면 유리기판(촉매극) 10b: 하면 유리기판(작용극)
20a: 상면 TCO층(촉매극) 20b: 하면 TCO층(작용극)
30: 촉매층(촉매전극, 주로 Pt) 40: 염료+전이금속산화물층
50: 봉지부 55: 전해질
60: 집전 그리드 전극 70: 절연막(보호층)

Claims (4)

  1. 대향하여 배치된 작용극 기판과 촉매극 기판 및, 이들 기판 사이에 충진되는 전해질을 포함하는 염료감응 태양전지에 있어서,
    상기 작용극 및 촉매극 각각에 집전 그리드 전극이 형성되고, 상기 작용극의 집전 그리드 전극과 상기 촉매극의 집전 그리드 전극은 서로에 대하여 각각 이격되어 배치되며,
    상기 작용극의 집전 그리드 전극의 높이는 상기 촉매극의 집전 그리드 전극과 작용극 사이의 간격보다 크고 상기 작용극과 촉매극 사이의 간격보다 작고, 상기 촉매극의 집전 그리드 전극의 높이는 상기 작용극의 집전 그리드 전극과 촉매극 사이의 간격보다 크고 상기 작용극과 촉매극 사이의 간격보다 작은 것을 특징으로 하는 집전 그리드형 염료감응 태양전지.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 작용극의 집전 그리드 전극과 상기 촉매극의 집전 그리드 전극 사이에는 절연막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 집전 그리드형 염료감응 태양전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 절연막은 상기 집전 그리드 전극을 내포하고 상기 작용극과 촉매극 사이에 충진되어 상기 작용극과 촉매극 사이의 스페이서로 작용하는 것을 특징으로 하는 집전 그리드형 염료감응 태양전지.
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