KR101561787B1 - 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판 및 이의 염료감응태양전지 - Google Patents

파장변환층을 구비한 전도성 투명기판 및 이의 염료감응태양전지 Download PDF

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Abstract

본 발명은 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판 및 이의 염료감응태양전지를 개시한다.
본 발명에 따르는 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판은 상기 전도성 투명기판의 적어도 한 면에 파장변환용액이 도포되어 경화된 필름층을 구비하고, 또한, 파장변환층을 구비한 염료감응태양전지는 상기 전도성 투명기판 일면에 적층된 나노산화물층을 구비하는 음극계 제1전극, 상기 나노산화물층에 염료가 흡착되어 형성된 광흡수층, 상기 광흡수층에 대향하여 전도성 기판에 적층된 금속층을 구비하는 양극계 제2전극 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하되, 상기 전도성 투명기판의 적어도 한 면에 파장변환용액이 도포되어 경화된 필름층을 구비하는 것을 특징으로 하는데, 이에 의하면, 종래의 자외선차단필름을 제거하여 태양광의 가시광선 투과성을 향상시키며, 태양광의 자외선을 가시광선으로 변환시켜 가시광선의 광량을 증가시켜 태양전지의 효율을 증가시키고, 제조시 제조원가가 절감되는 효과가 있다.

Description

파장변환층을 구비한 전도성 투명기판 및 이의 염료감응태양전지{TRANSPARANT SUBSTRATE HAVING A DOWN CONVERTING MATERIAL AND DYE SOLAR CELL MODULE THEREOF}
본 발명은 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판 및 이의 염료감응태양전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 자외선차단필름을 제거하여 태양광의 가시광선 투과성을 향상시키며, 태양광의 자외선을 가시광선으로 변환시켜 가시광선의 광량을 증가시켜 태양전지의 효율을 증가시키고, 제조시 제조원가가 절감되는 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판 및 이의 염료감응태양전지에 관한 것이다.
종래 투명기판을 사용하는 다양한 어플리케이션 중 태양광의 자외선을 불이익한 경우에 별도의 자외선 차단이나 흡수용 필름을 구비하여 사용하였으나, 제조가 번거롭고, 고가의 비용이 발생되는 문제가 있었다.
또한, 태양전지분야에도 유사한 문제가 있었는데, 종래 태양전지 중 광전기화학형 태양전지는 반도체 접합 태양전지와는 달리 광합성 원리를 이용한 태양전지로, 지금까지 알려진 광전기화학형 태양전지 중 대표적인 예로는 스위스의 그라첼(Gratzel)에 의하여 발표된 염료감응 태양전지인데, 그라첼 등에 의해 발표된 염료감응 태양전지는 표면에 루테늄계 염료 분자가 이온결합한 이산화티탄(TiO2)전극에 태양 빛(가시광선)이 흡수되면 염료분자는 전자-홀 쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입되며, 반도체 산화물 전극으로 주입된 전자는 나노입자간 계면을 통하여 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생시키게 되고, 이러한 염료감응 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 제조과정이 단순하고, 전력당 제조단가가 저렴한 장점이 있어 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 가능성이 있기 때문에 많은 주목을 받아왔는데, 이러한 염료감응태양전지는 보통 가시광선을 흡수하여 전기를 생산하는데, 태양광은 가시광뿐만 아니라, 자외선, 적외성 등을 포함하고 있음은 주지의 사실이다.
특히 자외선의 경우 태양전지의 내구력등 장기성능을 저하시키기 때문에 태양전지를 제조할 때 자외선 차단 필름을 사용하여 자외선만 선택적으로 차단하는 기술이 채용되고 있어, 가시광선의 투과성에 악영향을 미치는 문제와 제조 원가가 상승하는 문제점이 있었다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 종래의 자외선차단필름을 제거하여 태양광의 가시광선 투과성을 향상시키며, 태양광의 자외선을 가시광선으로 변환시켜 가시광선의 광량을 증가시켜 태양전지의 효율을 증가시키고, 제조시 제조원가가 절감되는 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판 및 이의 염료감응태양전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 상기 전도성 투명기판의 적어도 한 면에 파장변환용액이 도포되어 경화된 필름층을 구비하는 것을 특징으로 하는 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 투명기판은 유리재 또는 플라스틱재일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전도성은 투명기판의 일면에 산화물층으로 구현되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 산화물층에는 전극층이 더 포함될 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 전도성 투명기판 일면에 적층된 나노산화물층을 구비하는 음극계 제1전극, 상기 나노산화물층에 염료가 흡착되어 형성된 광흡수층, 상기 광흡수층에 대향하여 전도성 기판에 적층된 금속층을 구비하는 양극계 제2전극 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하되, 상기 전도성 투명기판의 적어도 한 면에 파장변환용액이 도포되어 경화된 필름층을 구비하는 것을 특징으로 하는 파장변환층을 구비한 염료감응태양전지를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 의하면, 상기 파장변환용액은 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione는 용액중 0.1 내지 10중량%인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 파장변환용액은 폴리에틸렌 비닐아세테이트 중합체를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 종래의 자외선차단필름을 제거하여 태양광의 가시광선 투과성을 향상시키며, 태양광의 자외선을 가시광선으로 변환시켜 가시광선의 광량을 증가시켜 태양전지의 효율을 증가시키고, 제조시 제조원가가 절감되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따르는 파장변환층이 형성된 염료감응태양전지의 단면을 보여주는 도면이고,
도 2는 본 발명에 따르는 제조예를 특성을 보여주는 자외선투과율/흡수율 그래프이며,
도 3은 본 발명에 따르는 실시예의 효율을 보여주는 그래프이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 태양전지표면 코팅액의 제조방법, 그 코팅액 및 이의 태양전지를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따르는 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판은 전도성 투명기판의 적어도 한 면에 파장변환용액이 도포되어 경화된 필름층을 구비하는 특징이 있을 뿐만 아니라, 상기 전도성 투명기판 일면에 적층된 나노산화물층을 구비하는 음극계 제1전극, 상기 나노산화물층에 염료가 흡착되어 형성된 광흡수층, 상기 광흡수층에 대향하여 전도성 기판에 적층된 금속층을 구비하는 양극계 제2전극 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하되, 상기 전도성 투명기판의 적어도 한 면에 파장변환용액이 도포되어 경화된 필름층을 구비하는 것을 특징으로 하는데, 이를 첨부된 도 1 내지 3을 참고하여 설명한다.
상기 전도성 투명기판의 적어도 한 면에 파장변환용액이 도포되어 경화된 필름층을 구비하는 것을 특징으로 하는 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판은 유리재 또는 플라스틱재가 평판형상으로 이용될 수 있고, 이러한 전도성은 상기 투명기판의 일면에 산화물층으로 구현될 수 있는데, 예컨대 스퍼터 방식으로 도포된 ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3) 또는 SnO2-Sb2O3가 이용될 수 있다.
아울러, 상기 산화물층에는 전극층이 더 포함될 수 있는데, 이러한 전극층은 은, 금, 백금과 같은 전도성을 가진 금속이나 이산화티탄같은 산화물층으로 구비될 수 있어 외부의 회로나 시스템에 연결되는 역할을 할 수 있다.
이러한 파장변화층을 구비한 전도성 투명기판은 태양광의 자외선을 가시광선으로 변환하여 이용하는 것이 유익한 다양한 어플리케이션에 응용될 수 있다.
이 중 염료감응태양전지를 예로 들어 자세하게 설명한다.
본 발명의 태양전지(100)는 전도성 투명기판 일면에 적층된 나노산화물층(104)을 구비하는 음극계 제1전극(103), 상기 나노산화물층(104)에 염료가 흡착되어 형성된 광흡수층(104'), 상기 광흡수층에 대향하여 전도성 기판에 적층된 금속층을 구비하는 양극계 제2전극(103') 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 전해질(105), 그리고 개재된 전해질(105)의 누출을 방지하고 제1, 2전극의 이격을 유지하는 밀봉재(106)를 볼 수 있는데, 상기 염료는 나노산화물층(104)의 표면에 흡착되어 고정되어 있다.
상기 전도성 투명기판은 투명한 유리재나 플라스틱재를 사용할 수 있는데, 상기 플라스틱재로는 PET, PEN, PC, PP, PI 또는 TAC 등과 같은 소재가 필요에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
여기서, 전도성은 상기 투명기판의 전해질과 맞닿는 면에 형성된 산화물층으로서, ITO, FTO, ZnO-(Ga2O3 또는 Al2O3) 또는 SnO2-Sb2O3가 이용될 수 있다.
또한, 상기 나노산화물층(104)은 염료의 흡착성과 내구성을 부여하기 위한 것으로 통상 수십㎚ 내지 수백㎛ 직경을 가지는 이산화티탄 입자들을 사용한다.
이러한 나노산화물 입자에 염료가 흡착되는데, 상기 염료는 가시광을 흡수할 수 있는 물질로 이루어지며, 주로 Al, Pt, Pd, Eu, Pb, Ir 등의 금속 복합체 형태의 화합물 또는 Ru 복합체를 사용할 수 있다.
한편, 상기 양극계 제2전극(103')은 투명한 기판의 상부로 순서대로 투명전도성 산화물층 그리고 금속층이 적층된다.
상기 투명한 기판은 음극계전극에서와 마찬가지로 유리재나 플라스틱재를 사용할 수 있으며, 상기 플라스틱재로는 PET, PEN, PC, PP, PI 또는 TAC 등과 같은 소재가 필요에 따라 선택적으로 사용될 수 있다.
또한, 상기 금속층은 전기전도도가 우수한 한도내에서 Pt, Ru, Pd, Rh, Ir, Os, C, 및 전도성 고분자로 이루진 군에서 선택된 적어도 하나로 코팅될 수 있다.
여기서, 본 발명의 염료감응태양전지의 적어도 한 면에 파장변환용액이 도포되어 경화된 필름층(102)이 구비될 수 있다.
상기 필름층(102)는 전도성 투명기판(103)의 타면에 도포되어 경화된 상태이며, 그 필름층(102)의 내부에는 파장변환용액 중 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione(101) 입자들이 균일하게 분포함을 알 수 있다.
상기 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione(101)에 의하여 태양광중 자외선 파장이 가시광선으로 변환되어 태양전지 내부로 진입할 수 있게 되며, 그 구조식은 화학식 1로도 나타낼 수 있다.
<화학식 1>
Figure 112014102108708-pat00001
여기서, 상기 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione는 파장변환용액중 0.1 내지 10중량%인 농도가 바람직하며, 만일 0.1중량% 미만이면, 자외선의 차단 효과가 거의 없고, 10중량%를 초과하면 가시광선 투과율이 현저히 저하된다.
아울러, 상기 파장변환용액은 폴리에틸렌 비닐아세테이트 중합체를 더 포함할 수 있다.
또한, 도면에는 상기 필름층(102)이 전도성 투명기판(103) 타면에만 구비되어 있으나, 양면이나 일면에 도포될 수 있다.
제조예 1. 투명전도성 산화물층 기판
불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 유리기판을 준비하였다. 상기 유리기판의 투명전도성 산화물층 상부에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 닥터블레이드법으로 도포하고, 500℃에서 30분 동안 열처리하여, 나노크기의 금속 산화물 간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 약 8㎛두께의 나노 산화물층을 형성시켰다. 이어서, 상기 나노 산화물층의 상부에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 동일한 방법으로 도포하고, 500℃의 온도에서 30분 동안 열처리하여 약 15 ㎛ 전체 두께의 나노 산화물층을 형성시켰다.
제조예 2
제조예 1의 유리기판의 나노산화물층이 형성된 면의 타면을 폴리에틸렌 비닐아세테이트 중합체 5중량%와 용매인 톨루엔 95중량%인 용액으로 도포하여 코팅층을 형성한 후 150℃로 건조하였다.
제조예 3
폴리에틸렌 비닐아세테이트 중합체 5중량%와 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione 0.5중량%, 용매인 톨루엔 94.5중량%인 파장변환용액으로 도포한 것을 외에는 제조예2와 동일하게 수행하였다.
제조예 4
6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione 1중량%, 용매인 톨루엔 94중량%인 파장변환용액으로 도포한 것을 외에는 제조예2와 동일하게 수행하였다.
제조예 5
6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione 1.5중량%, 용매인 톨루엔 93.5중량%인 파장변환용액으로 도포한 것을 외에는 제조예2와 동일하게 수행하였다.
제조예 6
6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione 2중량%, 용매인 톨루엔 93중량%인 파장변환용액으로 도포한 것을 외에는 제조예2와 동일하게 수행하였다.
제조예 7
6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione 2.5중량%, 용매인 톨루엔 92.5중량%인 파장변환용액으로 도포한 것을 외에는 제조예2와 동일하게 수행하였다.
제조예 8
6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione 3중량%, 용매인 톨루엔 92중량%인 파장변환용액으로 도포한 것을 외에는 제조예2와 동일하게 수행하였다.
실시예 1
0.2 mM의 루테늄 디티오시아네이트 2,2′-비피리딜-4,4′-디카르복실레이트이 에탄올에 녹아있는 염료용액을 제조하였다. 여기에 제조예 1의 나노산화물층이 형성된 기판을 24시간 동안 담지한 후 건조시켜 나노크기의 금속 산화물에 염료가 흡착된 음극계 전극을 제조하였다. 다음으로, 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 투명 유리 기판을 준비하였다. 상기 기판의 투명전도성 산화물층 상부에 육염화백금산(H2PtCl6)이 녹아있는 2-프로판올 용액을 떨어뜨린 후, 450 ℃에서 30분 동안 열처리하여 백금층을 형성시켜 양극계 전극을 제조하였다. 이어서, 제조된 음극계 전극의 나노 산화물층과 양극계 전극의 백금층이 서로 대향하도록 한 후, SURLYN(Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 60 ㎛ 두께의 열가소성 고분자층을 형성한 후, 130 ℃의 오븐에 넣어 2분 동안 유지하여 두 전극을 부착하여 밀봉하였다. 다음으로, 음극계 전극과 양극계 전극을 관통하는 미세 홀을 형성하고 이 홀을 통해 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 주입한 다음, 다시 홀의 외부를 접착제로 밀봉하였다. 여기서, 전해질 용액은 3-Methoxypropionitrile 용매에 0.1M LiI, 0.05M I2, 0.5M 4-tert-butylpyridine과 이온성액체인 0.6M 1-Ethyl-1-methylpyrrolidinium iodide을 녹여서 제조하였다. 이어서, 폴리에틸렌 비닐아세테이트 중합체(Polyethylene-co-vinylacetate (vinylacetate 40wt%)) 5 중량%, 자외선 변환 유기물질인 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione 2 중량%, 용매인 톨루엔 93 중량%를 혼합하여 파장변환용액을 준비한 후 딥코팅 방법을 이용하여 염료감응 태양전지의 태양광을 조사받는 전극면에 코팅하고 150℃로 건조하여 파장변환층을 구비한 염료감응태양전지를 제조하였다.
실시예 2
폴리에틸렌 비닐아세테이트 중합체(Polyethylene-co-vinylacetate (vinylacetate 40wt%)) 5 중량%, 자외선 변환 유기물질인 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione 3 중량%, 용매인 톨루엔 92 중량%를 혼합한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 파장변환층을 구비한 염료감응태양전지를 제조하였다.
비교예
파장변환층 대신에 이산화티타늄나노입자를 포함하는 자외선차단필름층을 형성한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 염료감응태양전지를 제조하였다.
시험예 1
제조예 1 내지 8에 의한 유리기판을 자외선측정기기(Fluorescence Spectrometer FS-2, FluoroMaster Plus Software, Scinco)로 자외선 흡수율/투과율을 측정하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2를 보면, 본 발명의 실시예에 따르는 제조예 3 내지 8에 의한 파장변환층이 330 ~ 380 nm 영역의 빛(자외선)을 효과적으로 흡수하여 투과율이 현저히 줄어드는 것을 확인하여 자외선흡수도가 우수함을 알 수 있다.
실험예 2
상기 실시예 1, 2 및 비교예에서 준비한 염료감응태양전지의 광전변환 효율을 평가하기 위하여 하기와 같은 방법으로 광전압 및 광전류를 측정하여 광전기적 특성을 관찰하고, 이를 통하여 얻어진 전류밀도(Isc), 전압(Voc), 및 충진계수(fillfactor, ff)를 이용하여 광전변환 효율(ηe)를 하기 수학식 1로 계산하였다.
이때, 광원으로는 제논 램프(Xenon lamp, Oriel)를 사용하였으며, 상기 제논 램프의 태양조건(AM 1.5)은 표준 태양전지를 사용하여 보정하였다.
<수학식 1>
ηe = (Voc × Isc × ff) / (Pine)
상기 수학식 1에서, (Pine)는 100 ㎽/㎠(1 sun)을 나타낸다.
상기와 같이 측정된 값들을 하기 표 1에 나타내었다.
구분 전류밀도(㎃/cm2) 전압(V) 충진계수 광전변환 효율(%)
실시예1 13.41 0.76 0.69 7.03
실시예2 12.99 0.76 0.69 6.81
비교예 12.66 0.76 0.68 6.56
상기 표 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따르는 파장변환층을 구비한 염료감응태양전지는 비교예의 종래 자외선차단층에 의한 것보다 효율이 우수하고, 자외선에 의한 염료태양전지의 효율저하를 방지할 수 있음을 알 수 있는데, 이는 자외선을 가시광선으로 변환하는 작용에 의하여 필름층에서 태양전지 내로 주입되는 가시광량의 증가에 기인하는 것으로 판단된다.
태양전지 100, 나노산화물층 104,
음극계 제1전극 103, 광흡수층 104',
양극계 제2전극 103', 전해질 105,
밀봉재 106

Claims (8)

  1. 상기 전도성 투명기판의 적어도 한 면에 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione인 파장변환용액이 도포되어 경화된 필름층을 구비하는 것을 특징으로 하는 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투명기판은 유리재 또는 플라스틱재인 것을 특징으로 하는 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성은 투명기판의 일면에 산화물층으로 구현되는 것을 특징으로 하는 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 산화물층에는 전극층이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 파장변환층을 구비한 전도성 투명기판.
  5. 제 1 항의 전도성 투명기판 일면에 적층된 나노산화물층을 구비하는 음극계 제1전극, 상기 나노산화물층에 염료가 흡착되어 형성된 광흡수층, 상기 광흡수층에 대향하여 전도성 기판에 적층된 금속층을 구비하는 양극계 제2전극 및 상기 제1전극과 상기 제2전극 사이에 위치하는 전해질을 포함하되, 상기 전도성 투명기판의 적어도 한 면에 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione인 파장변환용액이 도포되어 경화된 필름층을 구비하는 것을 특징으로 하는 파장변환층을 구비한 염료감응태양전지.
  6. 삭제
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 6,7-dimethoxy-2-(octan-3-yl)-1H-benzo[de]isoquinoline-1,3(2H)-dione는 용액중 0.1 내지 10중량%인 것을 특징으로 하는 파장변환층을 구비한 염료감응태양전지.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 파장변환용액은 폴리에틸렌 비닐아세테이트 중합체를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파장변환층을 구비한 염료감응태양전지.
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