KR101567156B1 - Uv 필터링 수단을 포함한 루프와 염료-감응 태양전지 패널의 접합 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량 선루프와 같은 개방감이 필요한 곳에 적용함에 있어서, 최소 반투명한 특성을 보장하는 태양전지 및 태양전지의 열화를 막기 위한 자외선 필터링 기능이 포함된 루프 구조에 관한 것이다.

Description

UV 필터링 수단을 포함한 루프와 염료-감응 태양전지 패널의 접합 구조 {A conjunction structure of a roof containing UV filtering means and a dye-sensitized solar cell panel}
본 발명은 차량 선루프와 같은 개방감이 필요한 곳에 적용함에 있어서, 최소 반투명한 특성을 보장하는 태양전지 및 태양전지의 열화를 막기 위한 자외선 필터링 기능이 포함된 루프 구조에 관한 것이다.
최근 지구 온난화 문제가 심각하게 대두되면서 친환경 에너지를 활용하기 위한 기술 개발이 각광받고 있다. 이 중 가장 관심을 기울이는 분야는 신재생 에너지를 활용하는 태양전지 분야로, 이 분야에는 실리콘 태양전지, CIGS(Cu(InGa)Se2; copper indium gallium selenide), CdTe(cadmium telluride)와 같은 무기물을 이용하는 박막 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기 태양전지, 그리고 유-무기 하이브리드 태양전지 등이 있다.
상기한 태양전지 중 실리콘 태양전지는 이미 상업용으로 주택, 산업용 플랜트 등의 여러 분야에 널리 사용되고 있으나, 아직까지 제품 및 설치 비용 등의 가격이 비싼 단점이 있다.
반면, 염료감응 태양전지는 실리콘계 태양전지 등에 비해 가격이 저렴하고, 반투명의 디자인이나 그 밖의 다양한 디자인을 구현할 수 있다는 장점으로 인하여 많은 연구가 진행되고 있다.
또한 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지와 마찬가지로 주택용뿐만 아니라 건물 일체형 태양광 발전시스템(Building Integrated Photovoltaics; BIPV) 산업 분야 등에도 적용이 가능하고, 가전제품이나 휴대용 전자기기 등의 전자산업 분야, 그 밖에 자동차용 루프나 유리창 등의 다양한 분야에 적용할 수 있다.
염료감응 태양전지는 TiO2 전극에 흡착된 Ru계 염료로부터 가시광선의 빛을 흡수하여 광전류를 형성하는 광전 변환 메커니즘(Photoelectric conversion mechanism)에 의해 전기를 생산할 수 있는 시스템 구성을 갖추고 있다. 염료감응 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 광전 변환 효율이 낮지만, 실내에서도 발전 가능하고, 1/3 가격으로 제조 비용이 저렴하며, 다양한 색 적용이 가능하다. 그러나 염료감응 태양전지의 구성 성분 중 염료, 전해질의 경우 자외선(Ultraviolet rays, UV rays)에 의해 열화 현상이 발생하기 때문에 광전 변환 효율 및 내구를 떨어뜨린다.
그러므로 이러한 열화를 막기 위해 패널 어레이 또는 차량 부품에 자외선 필터링 기능이 필수적으로 포함되어야 한다.
특허등록 제10-1219351호는 패널을 구성할 때 패널 면적 대비 광전극 등의 유효 전지 면적을 종래에 비해 증대시켜 패널 성능 및 효율을 증대시킬 수 있는 염료감응 태양전지 모듈 및 그 제조방법을 개시하고 있다.
상세하게는, 기판에 투명 전극 물질을 적층 형성하여 작동전극용 투명 전도성 기판과 상대전극용 투명 전도성 기판을 제조하는 단계; 작동전극용 투명 전도성 기판에 집전극 및 광전극을 적층 형성하고, 상대전극용 투명 전도성 기판에 집전극 및 촉매전극을 적층 형성하되, 상기 각기판의 집전극을 기판 측면까지 연장 형성하여, 기판 측면의 접속부를 가지는 작동전극과 상대전극을 완성하는 단계; 상기 작동전극과 상대전극의 가장자리 부분을 실링제로 접합하되, 전해질 주입구로 사용할 설정 부위를 제외한 나머지 가장자리 부분 전체를 실링제로 접합하는 단계; 및 상기 설정 부위의 개구된 전해질 주입구를 통해 두 전극 사이의 내부공간으로 전해질을 주입한 뒤 전해질 주입구를 실링제로 밀봉하여, 측면에 상기 접속부가 노출된 태양전지 모듈을 완성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 염료감응 태양전지 모듈의 제조방법을 개시하고 있다. 그러나 이러한 방법으로 제조된 염료감응 태양전지는 염료의 색상 또는 이에 의한 가시광선의 왜곡 문제 때문에 창문이나 자동차 선루프와 같이 조망이 필요한 곳에 설치 시 기능상 미관상 불편하고, 태양전지의 장기적인 태양광 노출에 의한 열화 문제를 근본적으로 해결하지 못한다.
본 발명의 목적은 창문이나 차량 선루프와 같은 개방감이 필요한 곳 예를 들면 경치 관망이나 환기 등의 기능을 수행하기 위하여 개폐 기능을 포함해야 하는 곳에 최소한 반투명한 특성을 보장하는 태양전지를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은, 태양전지의 열화를 막기 위해 자외선 필터링 기능이 포함된 루프 구조를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은, 염료감응 태양전지의 모듈 또는 패널 어레이의 고장 또는 불량 발생 시 용이하게 그 모듈만 탈/부착할 수 있는 구조를 제공하고자 한다.
본 발명은,
개폐부와 개폐부의 내부면 쪽에 위치한 염료감응 태양전지의 접합 구조체에 있어서, 상기 염료감응 태양전지는 광전극과 상대전극이 전해질을 사이에 두고 접합되어 있는 모듈 또는 모듈을 직렬 또는 병렬로 배치한 패널 어레이인 것이고, 모듈 또는 패널 어레이는 이들의 탈부착을 가능하게 하는 고정부에 의해 개폐부 또는 개폐부가 고정되어 있는 지지부 상에 고정되는 것이고, 개폐부, 염료감응 태양전지 및 고정부가 연결되는 공간은 완충부로서 고무파킹이 위치하며, 상기 고무파킹은 전극 접속부를 포함하는 것인 구조체를 제공한다.
염료감응 태양전지 모듈 또는 패널 어레이와 차량 선루프에 자외선 차단 필름을 도입함으로써, 염료감응 태양전지의 염료 및 전해질의 열화를 방지하여 장기 안정성을 만족할 수 있다. 또한 염료감응 태양전지의 모듈 또는 패널 어레이의 고장 또는 불량 발생 시 그 모듈만 탈/부착함으로써 수리가 용이하다. 한편, 차량 선루프 유리에 자외선 차단 필름 도입 시 공정을 단순화시켜 양산성을 높이며, 대면적에 적용함으로써 공정 원가를 절감할 수 있고, 염료감응 태양전지의 모듈 또는 패널 어레이 자체에 다른 처리를 하지 않아도 되는 효과를 가진다.
도 1은 염료감응 태양전지의 모듈 및 그 어레이의 일례를 도시화한 것이다.
도 2는 본 발명의 자외선 차단 필름을 적용시킨 개폐부인 파노라마 선루프와 태앙전지 패널이 접합된 구조를 도시화한 것이다.
도 3은 본 발명의 자외선 차단 필름을 적용시킨 개폐부와 염료감응 태양전지 패널이 접합된 구조를 도시화한 것이다.
본 발명에서는 염료감응 태양전지를 기본으로 하여 설명하고자 하나, 이는 예시일 뿐 유기 태양전지를 비롯해 투명전극 기판을 사용하거나 본 기술을 이용한 디바이스에 모두 적용 가능하다.
태양전지는 태양광 에너지를 전기 에너지로 전환할 수 있는 반도체 장치이며, 특히 염료감응 태양전지의 경우 광전극과 상대전극을 접합한 구조를 가진다. 광전극에는 빛을 흡수하여 전자를 생성시키는 염료, 전자를 투명전극으로 이동시키는 금속 산화물 나노 입자를, 상대전극에는 Pt와 같은 촉매 물질을 포함하며, 이 광전극과 상대전극 사이에는 전해질로 채워져 상대전극에서 광전극으로 전자 전달이 되도록 한다. 이렇게 제조된 태양전지를 크기에 상관없이 모듈이라 명명하고, 이러한 모듈이 직렬 또는 병렬로 연결되어 배치된 형태를 패널 어레이라 명명한다(도1).
앞서 설명하였듯이 염료는 태양광 빛을 받아 전자를 생성시켜 금속 산화물 나노 입자들로 전달해준다. 하지만, 태양광 스펙트럼 중 자외선 파장 영역에 의해 염료의 손상이 야기된다. 특히 염료감응 태양전지에 주로 사용되는 루테늄 염료의 SCN(thiocyanate) 리간드 부분이 자외선에 취약하기 때문에 열화가 가속화된다. 또한 염료의 COOH 기능기는 금속 산화물 나노 입자와 결합하는 연결 고리 역할을 하는데, 자외선에 의해 전해질 상 Li+ ion과 치환되면서 금속 산화물 나노 입자 표면으로부터 탈착될 수 있다.
염료 뿐만 아니라 금속 산화물 나노 입자로 사용되는 아나타제 TiO2의 경우에도 자외선에 의해 전해질과 반응하여 염료감응 태양전지의 성능을 저하시킨다. 자외선 파장인 400nm 이하 파장에서 아나타제 TiO2의 여기(excitation)가 발생하여 전자와 홀이 생성되는데, 이때 생성된 홀에 의해 전해질 상 상대전극으로부터 전자를 받아 염료로 전달해주는 역할을 하는 I3 -가 소진되어 전해질을 열화시킨다.
상기와 같은 이유로 염료감응 태양전지에 있어 장기 안정성과 성능 만족 위해 루프 접합 시 자외선 차단은 필수적이다
자외선을 차단하기 위해서는 대표적으로 자외선 차단 필름을 사용하거나 자체적으로 자외선을 흡수할 수 있는 유리를 사용할 수 있지만 이에 국한되는 것은 아니며 자외선 차단 기능이 들어간 경우 모두를 포함한다. 대표적으로 자외선 차단 필름을 이용하게 되면 루프 자체에서 차단하는 방법, 태양전지 모듈에서 차단하는 방법이 있을 수 있다.
더욱 상세하게는 본 발명은,
개폐부와 개폐부의 내부면 쪽에 위치한 염료감응 태양전지의 접합 구조체에 있어서, 상기 염료감응 태양전지는 광전극과 상대전극이 전해질을 사이에 두고 접합되어 있는 모듈 또는 모듈을 직렬 또는 병렬로 배치한 패널 어레이인 것이고, 모듈 또는 패널 어레이는 이들의 탈부착을 가능하게 하는 고정부에 의해 개폐부 또는 개폐부가 고정되어 있는 지지부 상에 고정되는 것이고, 개폐부, 염료감응 태양전지 및 고정부가 연결되는 공간은 완충부로서 고무파킹이 위치하며, 상기 고무파킹은 전극 접속부를 포함하는 것인 구조체를 제공한다.
상기 개폐부의 내부면, 외부면, 또는 내,외부면에는 자외선 차단수단이 적용되는 것이며, 상기 자외선 차단 수단은 자외선 차단율이 95%이상인 필름 또는 유리인 것이 바람직하다.
염료감응 태양전지의 모듈 또는 패널어레이는 광전극이 루프쪽을 향하여 배치되는 것이고, 광전극 쪽 유리기판 상에 자외선 차단 수단이 적용되는 것이며, 상기 자외선 차단 수단 역시 자외선 차단율이 95%이상인 필름 또는 유리인 것이 바람직하다.
상기 염료감응 태양전지의 모듈 또는 패널어레이는 평면 또는 곡면인 것일수 있다.
상기 개폐부 역시 평면 또는 곡면일 수 있으며, 예를 들면 창문, 차량용 파노라마 루프 또는 차량용 썬루프일 수 있다.
상기 고정부는 탈부착을 가능하게 하는 걸쇠 또는 원터치 클램프일 수 있다. 원터치 클램프는 예를 들면 공지의 매미고리나 토글 클램프일 수 있다.
상기 개폐부의 내부면과 염료감응 태양전지 사이의 공간은 진공이거나 집광성 고분자로 충전되어 일 수 있다.
한편, 곡면의 염료감응 태양전지의 모듈 또는 패널어레이는 개폐부의 곡률과 일치될 수 있다.
본 발명의 구조체는 루프 글라스 또는 윈도우 글라스, 자외선차단필름, 모듈과 루프(또는 윈도우) 사이의 환경이 투명성을 가질 수 있기 때문에 창문이나 차량 선루프와 같은 개방감이 필요한 곳 예를 들면 경치 관망이나 환기 등의 기능을 수행하기 위하여 개폐 기능을 포함해야 하는 곳에 최소한 반투명한 특성을 보장한다. 더욱이 불투명한 실리콘 태양 전지를 제외한 태양 전지 또한 시인성을 가질 수 있기 때문에 최소한 반투명성을 보장할 수 있다.
본 발명의 구조체는 위와 같은 자외선 차단 기능이 포함되어 있으며, 차량의 선루프나 파노라마 루프와 같은 글라스 부분에 태양전지 패널을 형성하기 위한 방법 및 형성 구조에 관한 것으로써, 이하 본 발명의 예를 구체예를 통해 설명한다.
구체예의 설명에 있어서, 각 구성 요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 본 발명에 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 구체예에 국한되는 것은 아니며 차량에 장착 가능한 태양전지 및 각종 디바이스의 경우에는 모두 적용 가능하다.
구체예 1.
구체예 1에 따른 루프와 염료감응 태양전지 패널 접합 구조 그림은 도2에서 나타낸다. 실제로 선루프 유리는 R1, R2의 곡률을 가지고 있는 것이 대부분이나 본 발명에서는 편의상 평면으로 도식화하여 설명하고자 한다. 또한 각 도면에서 위쪽에 위치한 선루프 유리는 차량 외부에 노출되는 부분으로 열강화유리, 화학 강화 등의 강화유리를 사용한다.
차량 내부로 노출되는 부분에는 자외선 차단 필름을 부착하며, 차량 외부 쪽 유리에 필름을 부착하는 경우와 양쪽 모두 부착하는 경우 모두를 포함한다. 자외선 차단 필름의 가시광선 투과율은 최소 70% 이상이어야 하며, 이보다 낮을 경우 염료가 흡수할 수 있는 가시광선 영역의 빛의 많은 양이 차단되어 염료감응 태양전지의 성능을 저하시킨다. 자외선 차단율은 최소 95% 이상이어야 하며, 이보다 낮은 차단율은 내구성 향상 등의 자외선 차단 효과를 볼 수 없다. 자외선 차단 필름은 어느 한 종류로 고정된 것이 아니라 위 사양을 만족하는 어떤 필름도 가능하며, 두 종 이상의 복합체를 사용해도 상관없다.
선루프 유리의 하단부에는 염료감응 태양전지 모듈을 고정하기 위한 걸쇠 또는 원터치 클램프를 포함한다. 이 걸쇠에는 모듈을 고정하고 충격을 완화하기 위한 고무 소재와, 모듈로부터 전력을 연결하기 위한 부분을 포함한다. 종래기술로 선루프 유리의 하단부에 접합 소재를 놓고 염료감응 태양전지 모듈을 바로 접합하는 기술이 존재하나, 본 발명에서는 이 걸쇠 또는 원터치 클램프를 통해 염료감응 태양전지 모듈 또는 패널 어레이의 탈/부착을 가능하게 하여 교체 사용이 가능하도록 한다. 이는 모듈 공정 시 또는 추후 수리에서도 용이하다는 장점이 있다.
선루프와 염료감응 태양전지 모듈 또는 패널 어레이 사이의 공간은 그대로 있어도 상관없으나, 효율 상승을 위해 진공 상태를 만들고, 또는 집광 효과가 있는 고분자, 또는 투명 고분자 삽입을 해도 무방하다. 단, 투과도에 영향을 주지 않는 소재 또는 환경이어야 한다.
구체예 2.
구체예 2는 구체예 1과 유사하나 차량 선루프 유리의 외부, 내부로 노출되는 부분에 자외선 차단 필름을 부착하지 않고, 모듈 또는 패널 어레이 단위에서 자외선 차단 필름을 부착하는 구조이다. 염료감응 태양전지 모듈의 광전극과 상대전극 중 광전극 방향이 루프 쪽을 향하며 자외선 차단 필름은 광전극 유리에 부착한다. 모듈 또는 패널 어레이에 직접 자외선 차단 필름을 적용하게 되면 루프에 적용하는 것보다 내구성이 조금 더 향상될 수 있어 본 발명에 포함되나, 선루프 유리에 적용할 때가 공정이 단순화되고, 대면적 적용 시 원가 절감 효과도 있다.
구체예 3.
구체예 3은 구체예 1과 유사하나, 염료감응 태양전지의 평면 모듈 또는 패널 어레이 대신 곡면 모듈 또는 패널 어레이를 적용할 수 있다. 평면 또는 곡면 모듈에 적용되는 유리는 어느 한 두께에 한정되는 것은 아니며 박막 유리의 사용도 포함 한다. 또한 곡면 모듈의 경우 차량 선루프 유리의 곡률을 가지는 모듈을 말한다. 곡면 모듈 또는 패널 어레이를 적용할 경우 루프의 곡률에 맞춰 모듈을 적용할 수 있기 때문에 그 사이의 공간을 줄일 수 있어 소재 절감 효과를 볼 수 있다.
10 : 개폐부
20 : 자외선 차단 수단
30 : 염료감응 태양전지(모듈) 고정을 위한 고정부
40 : 염료감응 태양전지 (모듈 또는 어레이)
50 : 전극 접속부를 포함하는 고무 파킹

Claims (10)

  1. 개폐부와 개폐부의 내부면 쪽에 위치한 염료감응 태양전지의 접합 구조체에 있어서, 상기 염료감응 태양전지는 광전극과 상대전극이 전해질을 사이에 두고 접합되어 있는 모듈 또는 모듈을 직렬 또는 병렬로 배치한 패널 어레이인 것이고, 모듈 또는 패널 어레이는 이들의 탈부착을 가능하게 하는 고정부에 의해 개폐부 또는 개폐부가 고정되어 있는 지지부 상에 고정되는 것이고, 개폐부, 염료감응 태양전지 및 고정부가 연결되는 공간은 완충부로서 고무파킹이 위치하며, 상기 고무파킹은 전극 접속부를 포함하고,
    상기 개폐부의 내부면, 외부면, 또는 내,외부면에는 자외선 차단수단이 적용되는 것이며, 상기 자외선 차단 수단은 가시광선 투과율이 70%이상이고, 자외선 차단율이 95% 이상인 필름 또는 유리인 것이고,
    상기 고정부는 탈부착을 가능하게 하는 걸쇠 또는 원터치 클램프인 것인 구조체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 염료감응 태양전지의 모듈 또는 패널어레이는 광전극이 루프쪽을 향하여 배치되는 것이고, 광전극 쪽 유리기판 상에 자외선 차단 수단이 적용되는 것이며, 상기 자외선 차단 수단은 자외선 차단율이 95% 이상인 필름 또는 유리인 것인 구조체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 염료감응 태양전지의 모듈 또는 패널어레이는 평면 또는 곡면인 것인 구조체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 개폐부는 평면 또는 곡면인 것인 구조체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 개폐부는 창문, 차량용 파노라마 루프 또는 차량용 썬루프인 것인 구조체.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서, 상기 개폐부의 내부면과 염료감응 태양전지 사이의 공간은 진공이거나 집광성 고분자로 충전되어 있는 것인 구조체.
  10. 제4항에 있어서, 곡면의 염료감응 태양전지의 모듈 또는 패널어레이는 개폐부의 곡률과 일치된 것인 구조체.
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