KR101600786B1 - 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법 - Google Patents
염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법이 제공된다. 상세하게는, 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에, Ti 금속전극층 및 염료가 흡착된 광전극층으로 이루어진 복수개의 작용전극들과 전도성코팅층 및 촉매금속층으로 이루어진 복수개의 상대전극들이 서로 교대로 배열되도록 형성하는 것을 포함하며, 상기 제1 기판 상의 작용전극 및 상대전극이 각각 상기 제2 기판 상의 상대전극 및 작용전극과 대응되도록 배치되어 상기 상대전극 및 상기 작용전극을 포함하는 복수개의 단위셀들을 이루도록 형성하는 단계, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 봉지재를 이용하여 합지하는 단계, 및 상기 복수개의 단위셀들에 포함된 상기 상대전극들 및 작용전극들 사이의 내부공간에 전해질을 주입하여 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법을 제공한다. 이에, 제조비용을 절감시킬 수 있으며, 전도매체를 사용하지 않음으로써 서브모듈의 유효면적을 높일 수 있고, 작용전극의 폭을 조절함으로써 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Ti 금속전극층을 적용한 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법에 관한 것이다.
염료감응형 태양전지는 나노입자의 다공성 산화물에 화학적으로 흡착된 염료분자에 광(태양광)을 조사하면, 염료분자가 광을 흡수하여 전자(electron)와 정공(hole) 쌍을 생성하고, 이 중 전자가 나노입자의 다공성 산화물의 전도대로 주입되어 전류를 발생시키는 원리를 이용한 태양전지이다. 이러한 염료감응형 태양전지는 기존의 비정질 실리콘 태양전지와 유사한 에너지 변환효율을 가지면서도, 제조 단가가 실리콘 태양전지보다 저렴한 수준이며, 플렉서블(flexible)하게 제조할 수 있는 이점이 있다.
일반적인 염료감응형 태양전지의 구조는 기판 상에 염료가 흡착된 티타니아(TiO2)를 포함하는 광전극과, 다른 하나의 기판 상에 촉매작용을 하는 백금(Pt)이 증착된 촉매금속층이 서로 마주보고 있으며, 내부는 전해질로 충진되어 있다. 상기 기판 상에는 전도성 박막이 코팅되어 있으며, 상기 전도성 박막으로는 주로 불소첨가 산화주석(Fluorine-doped tin oxide, FTO)이 사용되고 있다. 그러나, 상기 FTO가 코팅된 기판은 복잡한 제조공정으로 인해 양산화가 힘든 문제점이 있어 전적으로 해외 수입에 의존하고 있는 실정이며, 이로 인해 전체 제조비용 원가에 60% 정도를 차지하게 되어, 제조비용을 증가시키는 요인이 되고 있다. 이에, 염료감응형 태양전지의 가격경쟁력이 떨어질 수 있고, 시장진입에 방해요인으로 작용할 수 있어 이를 대체할 수 있는 물질에 대한 수요가 높아지고 있다.
염료감응형 태양전지 서브모듈의 구조는 높은 출력전압이 가능한 Z-타입의 상호연결 서브모듈이 주로 개발되고 있다. 도 1은 일반적인 Z-타입 염료감응형 태양전지 서브모듈의 구조를 나타낸 모식도이다. 도 1을 참조하면, 전도성매체를 보호하기 위한 절연막을 양측에 구성하기 위해, 염료감응형 태양전지 단위셀 간에 제1 절연막/전도성매체/제2 절연막으로 이루어진 3개의 층을 형성하는 공정이 필요하게 된다. 이로 인해 제조공정이 난해해질 수 있으며, 전도성매체로 주로 쓰이는 은(Ag)이 전해질에 노출되면 서브모듈의 특성이 저하될 수 있는 단점이 있다.
또한, 도 1과 같은 일반적인 Z-타입의 염료감응형 태양전지 서브모듈의 광전극은 그 폭이 10mm를 초과하는 경우, 광에너지에 의해 생성된 전자가 포집되는 과정에서 전자가 소멸되어 충진율이 급격하게 떨어지면서 효율을 저하시킬 수 있어, 일반적으로 광전극의 폭을 10mm 이하로 제한하고 있다. 이에, 광전극의 폭을 10mm 이하로 고정시켜야 하므로, 염료감응형 태양전지 서브모듈의 전류량을 증가시키기 위해 광전극의 길이를 길게 형성할 수 있다. 하지만, 이를 제조하는 공정이 복잡하고 제조비용이 증가하는 문제점이 있어, 이에 대한 개선이 요구되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조에 있어 많은 비용을 차지하는 투명 전도성 산화물의 코팅면적을 줄여 제조비용을 절감시키는 데에 있다.
또한, 광전극의 폭을 조절할 수 있는 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은, 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에, Ti 금속전극층 및 염료가 흡착된 광전극층으로 이루어진 복수개의 작용전극들과 전도성코팅층 및 촉매금속층으로 이루어진 복수개의 상대전극들이 서로 교대로 배열되도록 형성하는 것을 포함하며, 상기 제1 기판 상의 작용전극 및 상대전극이 각각 상기 제2 기판 상의 상대전극 및 작용전극과 대응되도록 배치되어 상기 상대전극 및 상기 작용전극을 포함하는 복수개의 단위셀들을 이루도록 형성하는 단계, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 봉지재를 이용하여 합지하는 단계 및 상기 복수개의 단위셀들에 포함된 상기 상대전극들 및 작용전극들 사이의 내부공간에 전해질을 주입하여 밀봉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법을 제공한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 제조비용을 증가시키는 투명 전도성 산화물 대신 Ti 금속전극층을 적용함으로써 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 별도의 전도성매체를 사용하지 않음으로써 염료감응형 태양전지 서브모듈의 유효면적을 높일 수 있고, 작용전극의 폭을 조절할 수 있어 에너지 변환효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 Z-타입 염료감응형 태양전지 서브모듈의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 서브모듈의 개략적인 구조를 나타낸 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 서브모듈의 개략적인 구조를 나타낸 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 염료감응형 태양전지 서브모듈의 Ti 금속전극층의 두께에 따른 면저항의 변화를 나타낸 도표이다.
도 6(a) 내지 도 6(e)는 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 염료감응형 태양전지 서브모듈의 Ti 금속전극층 두께별 박막의 표면을 나타낸 이미지이며, 도 6(f)는 FTO 박막의 표면을 나타낸 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 염료감응형 태양전지 서브모듈의 에너지 변환효율을 나타낸 도표이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 서브모듈의 개략적인 구조를 나타낸 수직 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 서브모듈의 개략적인 구조를 나타낸 수직 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 염료감응형 태양전지 서브모듈의 Ti 금속전극층의 두께에 따른 면저항의 변화를 나타낸 도표이다.
도 6(a) 내지 도 6(e)는 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 염료감응형 태양전지 서브모듈의 Ti 금속전극층 두께별 박막의 표면을 나타낸 이미지이며, 도 6(f)는 FTO 박막의 표면을 나타낸 이미지이다.
도 7은 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 염료감응형 태양전지 서브모듈의 에너지 변환효율을 나타낸 도표이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시 예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법을 나타낸 플로우 챠트이다.
먼저, 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에, Ti 금속전극층 및 염료가 흡착된 광전극층으로 이루어진 복수개의 작용전극들과 전도성코팅층 및 촉매금속층으로 이루어진 복수개의 상대전극들을 서로 교대로 배열되도록 형성한다(S100).
상기 복수개의 작용전극들과 상기 복수개의 상대전극들을 형성하는 것은, 상기 제1 기판 상의 작용전극 및 상대전극이 각각 상기 제2 기판 상의 상대전극 및 작용전극과 대응되도록 배치되어 상기 상대전극 및 상기 작용전극을 포함하는 복수개의 단위셀들을 이루도록 형성하는 것일 수 있다.
즉, 상기 제1 기판 상에 적어도 일방향을 따라서 상기 복수개의 작용전극 및 복수개의 상대전극을 서로 교대로 배열되도록 형성할 수 있고, 상기 제2 기판 상에 적어도 일방향을 따라서 상기 복수개의 작용전극 및 복수개의 상대전극을 서로 교대로 배열되도록 형성할 수 있다. 이 때, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판이 서로 대향되도록 배치하여 상기 제1 기판 상의 작용전극 및 상대전극이 각각 상기 제2 기판 상의 상대전극 및 작용전극과 대응되도록 할 수 있다. 이에, 상기 제1 기판 상의 작용전극과 상기 제2 기판 상의 상대전극을 포함하는 복수개의 단위셀들 및 상기 제1 기판 상의 상대전극과 상기 제2 기판 상의 작용전극을 포함하는 복수개의 단위셀들을 형성할 수 있다.
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판은 구성에 따라 상기 작용전극 또는 상기 상대전극이 형성될 수 있는 지지기판일 수 있으며, 외부에서 광(태양광) 조사시 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판을 투과하여 입사할 수 있는 투명한 기판일 수 있다. 상기 제1 기판 및 제2 기판은 유리, 폴리에틸렌 나프탈레이트(Poly Ethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalate, PE), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 폴리이미드(Polyimide, PI), 및 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 중 선택되는 어느 하나로 구성될 수 있으며, 투광성을 가지는 것일 수 있다. 상기 투과성을 가지는 제1 기판 및 제2 기판은 가시광선 영역에서 투명도가 높은 기판일 수 있으며, 산소나 수분의 투과도가 매우 작은 기판일 수 있다.
상기 제1 기판 및 제2 기판은 원하는 크기로 절단하여 사용할 수 있으며, 상기 제1 기판 및 제2 기판 상에 상기 작용전극 및 상기 상대전극을 형성할 영역을 일정간격으로 배열한 모듈 구조를 미리 설계할 수도 있다.
상기 복수개의 작용전극들은 Ti 금속전극층 및 염료가 흡착된 광전극층으로 이루어진 것일 수 있으며, 구성에 따라 상기 복수개의 작용전극들을 구성하는 Ti 금속전극층과 상기 광전극층의 배치가 다를 수 있다.
상기 Ti 금속전극층 및 염료가 흡착된 광전극층으로 이루어진 복수개의 작용전극들은, 상기 광전극층과 각각의 제1 기판 및 제2 기판 사이에 상기 Ti 금속전극층을 형성하는 것일 수 있다. 즉, 상기 제1 기판 상에 상기 Ti 금속전극층을 형성하고, 형성된 상기 Ti 금속전극층 상에 광전극층을 형성하여 복수개의 작용전극들을 형성할 수 있으며, 상기 제2 기판 상에 상기 Ti 금속전극층을 형성하고, 형성된 상기 Ti 금속전극층 상에 광전극층을 형성하여 복수개의 작용전극들을 형성할 수 있다.
또는, 상기 Ti 금속전극층 및 염료가 흡착된 광전극층으로 이루어진 복수개의 작용전극들은, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 상에 형성된 광전극층의 외주면 및 상기 광전극층이 형성되지 않은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 상의 영역에 상기 Ti 금속전극층을 형성한 것일 수 있다. 즉, 상기 제1 기판 상에 상기 광전극층을 형성하고, 형성된 상기 광전극의 외주면 및 상기 광전극층이 형성되지 않은 상기 제1 기판 상에 상기 Ti 금속전극층을 형성하여 복수개의 작용전극들을 형성할 수 있으며, 상기 제2 기판 상에 상기 광전극층을 형성하고, 형성된 상기 광전극의 외주면 및 상기 광전극층이 형성되지 않은 상기 제2 기판 상에 상기 Ti 금속전극층을 형성하여 복수개의 작용전극들을 형성할 수 있다.
상기 광전극층은 나노입자의 다공성 산화물로 구성된 층일 수 있다. 상기 광전극층에 흡착된 염료로 인해 상기 제1 기판 및 제2 기판을 통해 입사되는 광(태양광)의 광자를 흡수할 수 있고, 이러한 염료에서 생성된 전자가 다공질 산화물의 전도대로 주입될 수 있다. 상기 주입된 전자는 다공성 산화물인 광전극층을 통하여 상기 Ti 금속전극층으로 전달되며 전류를 발생시킬 수 있다. 또한, 상기 광전극층은 상기 염료분자 간 전자의 전이현상을 최소화시킬 수 있다.
상기 광전극층은, 예를 들어, 티타늄 산화물, 바나듐 산화물, 스칸듐 산화물, 아연 산화물, 지르코늄 산화물, 이리듐 산화물, 마그네슘 산화물, 스트론튬 산화물, 인듐 산화물, 알루미늄 산화물, 또는 상기 산화물에서 선택되는 2종 이상의 산화물로 구성된 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 광전극층은, 예를 들어, 티타늄 산화물(TiO2)로 구성된 다공질 산화물일 수 있다. 상기 광전극층의 나노입자들은 균일하게 분포되어 다공성을 유지하는 것일 수 있으며, 상기 나노입자들의 평균입경은, 예를 들어, 10nm 내지 30nm로 구성될 수 있다.
상기 광전극층에 흡착되는 염료는 광감응 염료로서 자외선 및 가시광선 전 영역의 광을 흡수할 수 있는 물질로 구성될 수 있으며, 열 및 광학적으로 안정성을 지닌 물질로 구성될 수 있다. 상기 염료는 상기 광전극층의 표면과 견고한 화학적 결합을 이루며 흡착되어 있을 수 있다. 상기 염료에 광(태양광)이 입사되면, 염료 속의 페르미 에너지 부근의 전자가 광에너지를 흡수하면서 전자가 채워지지 않은 상위 준위로 여기되며 전자가 상기 광전극층을 통해 전달될 수 있다.
상기 염료는, 루테늄(Ru), 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 알루미늄(Al), 이리듐(Ir), 납(Pb) 복합체, 또는 천연소재를 이용한 염료를 사용할 수 있다. 상기 염료는, 구체적으로는, 예를 들어, 루테늄(Ru) 복합체와 같은 염료를 사용할 수 있으며, 상기 루테늄 복합체는, 예를 들어, 루테늄 535 염료, 루테늄 535 비스- TBA 염료, 또는 루테늄 620-1H3TBA 염료 등일 수 있다.
상기 염료의 흡착량은 상기 광전극층을 구성하는 나노입자의 다공성 산화물의 입경에 따라 달라질 수 있다. 상기 염료를 상기 광전극층에 흡착시키는 것은 일반적으로 상기 광전극층이 형성되어 있는 기판을 상기 염료가 담겨 있는 염료 용액에 담지하여 염색하는 방법으로 10분 내지 20시간 동안 수행하여 상기 광전극층에 염료분자들을 흡착시킬 수 있다.
상기 Ti 금속전극층은 Ti(titanium, 타이타늄)금속이 포함된 금속층으로, 단층 또는 다층으로 구성될 수 있다. 상기 Ti 금속전극층은 상기 제1 기판 및 제2 기판과 같은 투광성이 높은 절연 물질의 표면에 형성되어 상기 광전극층에 흡착된 염료를 통해 생성되는 전자를 용이하게 이동시킬 수 있는 전도성을 가진 금속전극층일 수 있다.
상기 작용전극을 구성하는 Ti 금속전극층은, 일함수(work function)가 4.33eV로, 일함수가 4.2eV인 상기 광전극층으로 사용되는 TiO2와의 계면에서 오믹접촉(Ohmic contact)을 형성하기에 적합할 수 있다. 또한, 상기 Ti 금속전극층의 일함수는 종래의 투명 기판상에 전도성 박막으로서 주로 사용되는 FTO의 일함수인 4.4eV와 비슷한 에너지레벨을 가지고 있어 종래의 FTO를 대체할 수 있는 물질로 적합할 수 있으며, 또한, 지구 상에 매장량이 풍부한 물질이므로 제조비용을 절감시킬 수 있다.
상기 Ti 금속전극층의 형태는 메쉬(mesh) 형태 또는 적어도 하나 이상의 홀을 가진 금속전극층으로 형성될 수 있다. 이는, 상기 제1 기판 또는 제2 기판으로 입사되는 광(태양광)을 통과시켜 상기 작용전극 내 광전극층에 흡착되어 있는 염료에 입사된 광이 도달할 수 있도록 하기 위함일 수 있다. 상기 Ti 금속전극층은 이빔 이베퍼레이션(E-beam evaporation), 스퍼터링(Sputtering), 열 증착(Thermal evaporation), 용액 코팅법, 및 이온 빔 증착(Ion-beam evaporation) 중 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행되는 것일 수 있다.
상기 복수개의 상대전극들은 상기 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에 전도성코팅층 및 촉매금속층이 차례로 적층되어 형성되는 것을 포함할 수 있다.
상기 전도성코팅층은 상기 광전극층에 흡착된 염료를 통해 생성되는 전자를 용이하게 이동시킬 수 있는 전도성을 가지는 물질로 구성될 수 있으며, 상기 전도성코팅층은 인듐 틴 산화물(Indium-tin oxide, ITO), 불소첨가 산화주석(Fluorine-doped tin oxide, FTO), 안티몬 첨가 산화주석(Antimony-doped tin oxide, ATO), 알루미늄 첨가 산화아연(Aluminum-doped zinc oxide, AZO), 갈륨 첨가 산화아연(Gallium-doped zinc oxide, GZO), 그래핀(Graphene), 및 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT) 중 선택되는 어느 하나를 포함하는 전도성코팅층일 수 있다.
상기 촉매금속층은, 입사된 광에 의해 전자가 빠져나간 상기 염료의 하위 준위의 빈자리를 전해질 속의 이온이 전자를 제공함으로써 다시 채워지게 되는데, 이 때, 전해질 속에 있는 이온의 산화환원반응의 촉매로 작용하는 것일 수 있다. 상기 촉매금속층은 전해질에 대한 화학적 안정성과 기계적 안정성이 높은 물질로 구성할 수 있다. 상기 촉매금속층은 백금(Pt)계 촉매 또는 카본(carbon)계 촉매를 사용할 수 있다.
상기 백금계 촉매는 백금(Pt)을 포함하는 물질로, 상기 백금(Pt)은 반사도가 우수하며, I3 -이온을 빠르게 환원시킬 수 있다. 상기 카본(carbon)계 촉매는 카본(carbon)을 포함하는 물질로, 예를 들어, 나노 카본블랙(carbon black), 탄소나노튜브(CNT), 전도성 고분자, 그래핀(Graphene), 및 그래파이트 분말 중 선택되는 어느 하나일 수 있다. 상기 카본계 촉매는 가격이 상기 백금계 촉매에 비해 저렴하며 전도도가 우수하지만, 크랙(crack)이 생길 수 있는 단점이 있다. 본 발명에서의 상기 촉매금속층은, 바람직하게는 백금(Pt)을 사용할 수 있다. 상기 촉매금속층은 용액코팅법, 페이스트(Paste) 코팅법, 전기화학적 증착법, 화학적 증착법, 및 진공 증착법 중의 선택되는 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
상기와 같이, 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에 상대전극과 작용전극을 형성한 이후에 건조 및 소성공정을 추가적으로 수행할 수 있으며, 이는 일반적인 방법을 통해 수행할 수 있다.
상기 제1 기판 및 제2 기판 상에 상기 작용전극 및 상기 상대전극을 형성하는 단계에서, 상기 작용전극을 이루고 있는 Ti 금속전극층 및 상기 상대전극을 이루고 있는 전도성코팅층을 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에 형성할 때, 서로 이웃하고 있는 상기 Ti 금속전극층과 상기 전도성코팅층이 일정간격을 두고 배치되어 상기 Ti 금속전극층과 상기 전도성코팅층 사이에 이격공간을 형성할 수 있다. 즉, 상기 제1 기판 상의 형성된 상기 Ti 금속전극층과 상기 전도성코팅층 사이에 이격공간을 형성하면서 Ti 금속전극층/이격공간/전도성코팅층이 교대로 배열되는 구조를 가질 수 있다. 또한, 위치에 따라서 상기 이격공간이 삭제될 수 있고, 상기 Ti 금속전극층 및 상기 전도성코팅층이 전기적으로 연결되어 있는 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 제2 기판 상의 Ti 금속전극층과 상기 전도성코팅층 사이에 이격공간을 형성하면서 일정간격으로 Ti 금속전극층/이격공간/전도성코팅층이 교대로 배열되는 구조를 가질 수 있다. 상기 이격공간은 상기 작용전극과 상기 상대전극을 각각의 상기 제1 기판 및 제2 기판 상에 형성하기 전에 미리 형성한 것일 수도 있으며, 이 때 상기 이격공간은 홈이 파진 형태를 가질 수도 있다.
상기 이격공간은 동일한 기판 상에 형성되어 서로 이웃하고 있는 상기 Ti 금속전극층과 상기 전도성코팅층 간의 전기적 절연을 위한 것일 수 있으며, 상기 이격공간은 봉지재 형성 이후에 봉지재에 의해 채워질 수 있다.
상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 봉지재를 이용하여 합지한다(S200).
상기 봉지재는 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 형성되는 것으로, 상기 봉지재를 이용하여 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합지할 수 있다. 즉, 상기 제1 기판과 상기 제2 기판이 서로 대향하여 마주보도록 배치한 후, 봉지재를 이용하여 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 합지함과 동시에 상기 제1 기판의 상대전극과 상기 제2 기판의 작용전극을 포함하는 복수개의 단위셀들 및 상기 제1 기판의 작용전극과 상기 제2 기판의 상대전극을 포함하는 복수개의 단위셀들 간의 사이를 전기적으로 절연시킬 수 있다.
이는, 또한, 상기 복수개의 단위셀들 내부의 전해질을 밀봉시켜 전해질이 유출되는 것을 방지시킬 수 있다. 아울러, 일정 두께의 봉지재에 의해 복수개의 단위셀들에 포함되어 있는 상기 작용전극과 상기 상대전극이 직접적으로 접촉되는 것을 방지시킬 수 있다.
상기 봉지재는 열가소성 고분자 필름, 및 자외선(UV) 경화제 중 선택되는 어느 하나를 사용할 수 있다. 상기 열가소성 고분자 필름은, 예를 들어, Surlyn을 사용할 수 있으며, 상기 자외선 경화제는, 예를 들어, 폴리메타아크릴레이트(PA-2), 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA), 또는 폴리아크릴로니트릴(PET) 등을 사용할 수 있다. 상기 제1 기판과 상기 제2 기판에 일정량의 상기 봉지재를 도포하여 결합시킨 상태에서 열처리 및 압착을 수행하여 합지할 수 있다. 상기 열처리는 100℃ 내지 130℃의 온도에서 10분 정도로 가열하는 것일 수 있으며, 상기 압착은 5초에서 10초의 시간 동안 압착기를 통해 압착하는 것일 수 있다.
상기 복수개의 단위셀들에 포함된 상기 상대전극들 및 작용전극들 사이의 내부공간에 전해질을 주입하여 밀봉한다(S300).
합지된 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 상에 형성된 상기 복수개의 단위셀들 내부공간에 전해질을 주입할 수 있다. 상기 전해질은 산화-환원에 의해 상기 상대전극으로부터 전자를 받아 상기 작용전극의 광전극층에 흡착된 염료에 전자를 전달하는 역할을 할 수 있다. 상기 전해질은 통상의 염료감응 태양전지에 사용하는 전해질을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 유기 액체 전해질, 이온성 액체 전해질, 준고체 전해질, 수용성 액체 전해질, 및 고체상 전해질 중 선택되는 어느 하나의 전해질을 사용할 수 있다.
상기 전해질을 주입하는 방법은 일반적인 염료감응형 태양전지 서브모듈의 전해질 주입방법을 이용하여 수행할 수 있다. 구체적으로는, 상기 전해질을 주입하는 방법은, 상기 제1 기판 또는 상기 제2 기판에 전해질 주입구를 형성하여 상기 전해질 주입구를 통해 상기 복수개의 단위셀들 내부에 전해질 용액을 주입할 수 있다. 상기 전해질 주입구는 전해질 용액을 주입한 이후에 밀봉재에 의해 밀봉할 수 있다. 상기 밀봉재는 일반적인 실링제를 사용할 수 있으며, 예를 들어, 에폭시 계열이나 실리콘 계열의 열경화성 실링제, 또는 열가소성 고분자 필름 등을 사용할 수 있다.
상기 전해질 주입구를 형성하는 것은, 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에 상대전극과 작용전극을 형성하는 과정 중에 수행할 수 있으며, 이는 본 발명의 실시예에 따라 순서가 달라질 수도 있다. 예를 들어, 상기 전해질 주입구는, 상기 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에 Ti 금속전극층 및 전도성코팅층을 형성한 이후에 수행될 수 있다. 또는, 상기 전해질 주입구는, 상기 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에 전도성코팅층 및 광전극층과 Ti 금속전극층을 형성한 이후에 수행될 수도 있다. 상기 전해질 주입구를 형성하는 것은 일반적인 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들어, hole drilling 장비를 이용하여 수행할 수 있다. 상기 전해질 주입구를 형성한 이후에, 상기 전해질 주입구 형성장비에 의한 잔여물이 기판 상에 존재할 수 있으므로, 기판을 세척하는 공정을 추가적으로 수행할 수 있다.
상기와 같이, 작용전극, 전해질, 및 상대전극으로 이루어진 단위셀이 복수개로 형성된 염료감응형 태양전지 서브모듈의 상기 작용전극과 상대전극을 전기적으로 연결함으로써, 염료감응형 태양전지 서브모듈을 제조할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 서브모듈의 개략적인 구조를 나타낸 수직 단면도이다.
도 3을 참조하면, 각각의 제1 기판(100) 및 제2 기판(150) 상에 Ti 금속전극층(211)이 형성되고, 상기 Ti 금속전극층(211) 상에 염료(250)가 흡착된 광전극층(212)이 형성된 작용전극(210)을 형성할 수 있다. 또한, 각각의 제1 기판(100) 및 제2 기판(150) 상에 전도성코팅층(310)을 형성할 수 있고, 전도성코팅층(310) 상에 촉매금속층(320)이 형성된 상대전극(300)을 형성할 수 있다. 상기 작용전극(210) 및 상기 상대전극(300)은 각각 복수개로 형성할 수 있고 서로 연결되거나 절연될 수 있으며, 상기 각각의 제1 기판(100) 및 제2 기판(150) 상에 서로 교대로 배열되어 형성될 수 있다. 상기 제1 기판(100) 상의 작용전극(210) 및 상대전극(300)이 각각 상기 제2 기판(150) 상의 상대전극(300) 및 작용전극(210)과 대응되도록 배치될 수 있어 상기 상대전극(300) 및 상기 작용전극(210)으로 이루어진 복수개의 단위셀(610)들을 이룰 수 있다.
상기 Ti 금속전극층(211)은 메쉬 형태 또는 적어도 하나 이상의 홀을 가진 금속전극층으로 형성할 수 있다. 상기 Ti 금속전극층(211)은 상기 각각의 제1 기판(100) 및 제2 기판(150) 상에 이빔 이베퍼레이션(E-beam evaporation), 스퍼터링(Sputtering), 열 증착(Thermal evaporation), 용액 코팅법 및 이온 빔 증착 중 선택되는 어느 하나의 방법으로 형성할 수 있다.
상기 제1 기판(100) 및 제2 기판(150) 사이의 상기 복수개의 단위셀(600) 간의 영역에 봉지재(400)를 형성할 수 있다. 상기 봉지재(400)에 의해 상기 제1 기판 및 제2 기판이 합지될 수 있으며, 상기 봉지재에 의해 상기 복수개의 단위셀(600)이 구분될 수 있고, 상기 복수개의 단위셀 간의 전기적 절연 및 상기 복수개의 단위셀들 내부의 전해질을 밀봉할 수 있다. 상기 복수개의 단위셀(600)들에 포함되어 있는 상기 상대전극(300)들 및 작용전극(210)들 사이의 내부공간에 전해질(500)이 주입될 수 있다.
상기와 같이 제조된 염료감응형 태양전지 서브모듈에 제1 기판(100) 및 제2 기판(150)을 통해 광(태양광)이 입사되면 상기 광전극층(212)에 흡착되어 있는 염료(250)가 광을 흡수하면서 전자-홀 쌍을 생성시킬 수 있다. 상기 생성된 전자는 상기 광전극층(212)의 전도대로 주입되어, 주입된 전자는 나노입자의 다공성 산화물인 상기 광전극층(212)을 통해 상기 Ti 금속전극층(211)으로 전달될 수 있다. 상기 전자는 상기 작용전극(210)과 상기 상대전극(300)이 전기적으로 연결된 Ti 금속전극층(211) 및 전도성코팅층(310)을 통하여 상기 상대전극(300)으로 이동하고 확산에 의해 상기 상대전극(300) 표면에 도달한 산화된 전해질 I3 -를 환원시키는 환원반응이 일어날 수 있다.
여기서 상기 상대전극(300)의 상기 촉매금속층(320)에 의해 상기 환원반응이 촉진될 수 있으며, 상기 상대전극(300)의 전도성코팅층(310)은 상기 제1 기판(100) 및 제2 기판(150)에 도달한 전자를 전달하기 위한 전도성 매체의 역할을 할 수 있다. 한편, 전자를 주고 산화된 상기 염료(250)는 다시 상기 전해질(500)에 의해 환원됨으로써, 상기 염료감응형 태양전지 서브모듈에 전류가 발생될 수 있다.
본 발명의 Ti 금속전극층(211)은 종래의 기판 상에 전도성을 부가하기 위한 전도성 물질들을 대체하기 위해 적용된 것으로, 상기 광전극층(212)과 함께 상기 제1 기판(100) 및 제2 기판(150) 상에 형성되어 전자의 이동을 원활하게 할 수 있는 전도성을 상기 제1 기판(100) 및 제2 기판(150)에 부여한 것일 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 염료감응형 태양전지 서브모듈의 개략적인 구조를 나타낸 수직 단면도이다.
도 4를 참조하면, 각각의 제1 기판(100) 및 제2 기판(150) 상에 염료(250)가 흡착된 광전극층(222)이 형성되고, 상기 광전극층(222)의 외주면 및 상기 광전극층(222)이 형성되지 않은 제1 기판(100) 및 제2 기판(150) 상의 영역에 Ti 금속전극층(221)을 형성된 작용전극(220)을 형성할 수 있다. 또한, 각각의 제1 기판(100) 및 제2 기판(150) 상에 전도성코팅층(310)이 형성되고, 전도성코팅층(310) 상에 촉매금속층(320)이 형성된 상대전극(300)을 형성할 수 있다. 상기 작용전극(220) 및 상기 상대전극(300)은 각각 복수개로 형성할 수 있고, 서로 전기적으로 연결되거나 절연될 수 있으며, 상기 각각의 제1 기판(100) 및 제2 기판(150) 상에 서로 교대로 배열되어 형성될 수 있다. 상기 제1 기판(100) 상의 작용전극(220) 및 상대전극(300)이 각각 상기 제2 기판(150) 상의 상대전극(300) 및 작용전극(220)과 대응되도록 배치될 수 있어 상기 상대전극(300) 및 상기 작용전극(220)으로 이루어진 복수개의 단위셀(620)들을 이룰 수 있다.
상기 Ti 금속전극층(221)은 상기 전해질(500)의 이동을 위하여 메쉬(mesh) 형태 또는 적어도 하나 이상의 홀을 가지도록 구성할 수 있다. 상기 메쉬형태 또는 홀을 가지는 Ti 금속전극층(221)은 리소그라피 공정을 통해 수행할 수 있다.
상기 제1 기판(100)과 상기 제2 기판(150)은 봉지재(400)를 이용하여 합지될 수 있다. 상기 복수개의 단위셀(620)들에 포함된 상기 상대전극(300)들 및 작용전극(220)들 사이의 내부공간에 전해질(500)이 주입되어 있을 수 있다.
[실시예]
<실시예1>
유리기판에 절연영역을 갖는 모듈구조를 설계한 후, Ti 금속전극층으로 사용될 타이타늄(Ti)을 이빔 이베퍼레이터(E-beam evaporator)를 이용하여 약 300nm의 두께로 증착하였다. 상기 Ti 금속전극층이 형성된 기판을 세척한 후, 상기 Ti 금속전극층 상에 광전극층으로 사용될 TiO2 광전극 페이스트를 코팅해서 작용전극을 형성하였다. 별도의 절연부를 갖는 모듈 구조가 설계된 유리기판에 전도성코팅층인 불소첨가 산화주석(Fluorine-doped tin oxide, FTO)을 형성한 후, 상기 전도성코팅층이 형성된 유리기판에 hole drilling 장비를 이용하여 전해질 주입구를 일정간격으로 형성하였다. 상기 FTO 박막 위에 백금(Pt) 페이스트를 인쇄하여 상대전극을 형성하였다. 상기 작용전극 및 상대전극이 각각 형성된 유리기판들을 120℃에서 건조시켜 450℃에서 소성시켰다. 소성된 상기 작용전극이 형성된 유리기판을 0.5mM N719 염료에 담지해 상기 작용전극 내 광전극층에 염료를 흡착시키고, 염료에서 꺼낸 기판들을 에탄올로 세척하였다. 염료가 흡착된 작용전극이 형성된 기판과 상대전극이 형성된 기판을 60㎛ 두께의 Surlyn 접착제를 사용하여 120℃에서 10분간 열을 가해 접합시켰다. 이 후, 전해질 주입구를 통해 전해질을 주입한 뒤 전해질 주입구를 밀봉하여 염료감응형 태양전지 서브모듈을 제조했다. 분석을 위해 상기 Ti 금속전극층을 각각 200nm, 250nm 300nm, 400nm, 500nm의 두께로 형성하여 제작하였다. 또한, 비교예를 위해 670nm의 FTO박막을 적용한 염료감응형 태양전지 서브모듈을 제조했다.
도 5는 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 염료감응형 태양전지 서브모듈의 Ti 금속전극층 두께에 따른 면저항의 변화를 나타낸 도표이다.
도 5를 참조하면, Ti 금속전극층의 박막두께가 두꺼워질수록 면저항이 지수함수적으로 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, Ti 금속전극층의 박막두께가 두꺼워질수록 면저항의 편차 또한 감소하는 것을 확인할 수 있다. 면저항은 박막의 전도성을 확인할 수 있는 값으로, 본 발명의 Ti 금속전극층은 낮은 면저항을 요구하는 염료감응형 태양전지 서브모듈에 적합한 전도성 물질임을 알 수 있다.
아울러, 도 5의 오른쪽 상단에 삽입된 그래프는 전도성코팅층으로 주로 사용되는 불소첨가 산화주석(Fluorine-doped tin oxide, FTO)의 면저항을 나타낸 것으로, 상기 FTO의 두께가 약 670nm일 때, 면저항이 8Ω/sq.를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이는, Ti 금속전극층의 박막두께가 200nm일 때의 면저항이 FTO의 면저항과 비슷한 값을 나타내므로, 본 발명의 Ti 금속전극층이 FTO와 같은 전도성 코팅층을 대체할 수 있는 구성임을 알 수 있다. 상기와 같이, 본 발명의 염료감응형 태양전지 서브모듈에 적용된 Ti 금속전극층은 종래의 전도성코팅층을 대체할 수 있는 구성으로 적합할 수 있으며, 이에, 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조비용을 절감시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다.
도 6(a) 내지 도 6(e)는 본 발명의 실시예1에 따라 염료감응형 태양전지 서브모듈의 Ti 금속전극층 두께별 표면을 나타낸 이미지이며, 도 6(f)는 FTO 박막의 표면을 나타낸 이미지이다.
도 6(a) 내지 도 6(e)를 참조하면, Ti 금속전극층의 박막두께가 두꺼워질수록 Ti 금속전극층 표면의 미립자(grain)들이 작은 덩이(nubby) 모양의 미립자들로 변하며 미립자의 사이즈가 커지고, 다공성(porous) 형상이 더욱 치밀해지는 것을 확인할 수 있다. 이는, Ti 금속전극층의 결정성이 향상되는 것을 의미하며, 이러한 Ti 금속전극층은 빛을 산란시켜 염료감응형 태양전지의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다. 또한, 상기 Ti 금속전극층은 표면의 거칠기가 증가되어 상기 Ti 금속전극층과 광전극층의 부착력을 증가시킴으로써 전자의 이동을 원활하게 할 수 있다.
도 6(f)는 일반적인 염료감응형 태양전지에서 주로 사용되는 FTO 전도성 박막층의 박막표면으로 작은 덩이 모양의 미립자들의 형상을 가지고 있어, 투과도를 증가시키고 빛을 산란시키기에 유리한 표면임을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명에서 적용한 Ti 금속전극층은, 종래의 제조원가를 상승시키는 FTO 전도성 박막층을 대체할 수 있는 적합한 전도성 물질층임을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예1에 따라 제조된 염료감응형 태양전지 서브모듈의 에너지 변환효율을 나타낸 도표이다.
도 7을 참조하면, 광전극층의 유효면적이 9.6cm2일 때, Ti 금속전극층을 적용한 염료감응형 태양전지 서브모듈의 에너지 변환효율은 2.9%인 것을 확인할 수 있다. 이는, 염료감응형 태양전지 서브모듈의 크기가 작기 때문에 소형기기 보조전원으로 응용하기에도 충분한 에너지 변환효율 값일 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 Ti 금속전극층은 용도에 따라 작용전극의 폭을 조절하여 원하는 양의 전류와 전압을 얻을 수 있는 효과를 가질 수 있어, 다양한 제품에 응용되기에 유리할 수 있다.
또한, 본 발명은 종래의 Z-타입의 염료감응형 태양전지 서브모듈과 달리 전도성매체를 사용하지 않고 염료감응형 태양전지 서브모듈을 구성함으로써 서브모듈의 유효면적을 높일 수 있어, 에너지 생산량을 향상시킬 수 있으며, 제조비용을 절감할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다
100: 제1 기판 150: 제2 기판
210, 220: 작용전극 211,221: Ti 금속전극층
212, 222: 광전극층 250: 염료
300: 상대전극 310: 전도성코팅층
320: 촉매금속층 400: 봉지재
500: 전해질 610, 620: 단위셀
210, 220: 작용전극 211,221: Ti 금속전극층
212, 222: 광전극층 250: 염료
300: 상대전극 310: 전도성코팅층
320: 촉매금속층 400: 봉지재
500: 전해질 610, 620: 단위셀
Claims (8)
- 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에,
메쉬(mesh) 형태의 Ti 금속전극층 및 염료가 흡착된 광전극층으로 이루어진 복수개의 작용전극들과 전도성코팅층 및 촉매금속층으로 이루어진 복수개의 상대전극들이 서로 교대로 배열되도록 형성하는 것을 포함하며,
상기 제1 기판 상의 작용전극 및 상대전극이 각각 상기 제2 기판 상의 상대전극 및 작용전극과 대응되도록 배치되어 상기 상대전극 및 상기 작용전극을 포함하는 복수개의 단위셀들을 이루도록 형성하는 단계;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 봉지재를 이용하여 합지하는 단계; 및
상기 복수개의 단위셀들에 포함된 상기 상대전극들 및 작용전극들 사이의 내부공간에 전해질을 주입하여 밀봉하는 단계를 포함하며,
상기 복수개의 작용전극들은,
상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 상에 형성된 광전극층의 외주면 및 상기 광전극층이 형성되지 않은 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판 상의 영역에 상기 메쉬 형태의 Ti 금속전극층을 형성하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 메쉬 형태의 Ti 금속전극층은 전해질의 이동을 위하여 메쉬 형태로 구성하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 메쉬 형태의 Ti 금속전극층은 이빔 이베퍼레이션(E-beam evaporation), 스퍼터링(Sputtering), 열 증착(Thermal evaporation), 용액 코팅법 및 이온 빔 증착(Ion-beam evaporation) 중 선택되는 어느 하나의 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 기판 및 제2 기판은 유리, 폴리에틸렌 나프탈레이트(Poly Ethylene naphthalate, PEN), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Poly Ethylene Terephthalate, PE), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC), 폴리이미드(Polyimide, PI), 및 폴리프로필렌(Polypropylene, PP) 중 선택되는 어느 하나로 구성되며, 투과성을 가지는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 복수개의 상대전극들은 상기 각각의 제1 기판 및 제2 기판 상에 전도성코팅층 및 촉매금속층이 차례로 적층되어 형성되는 것으로,
상기 전도성코팅층은 인듐 틴 산화물(Indium-tin oxide, ITO), 불소첨가 산화주석(Fluorine-doped tin oxide, FTO), 안티몬 첨가 산화주석(Antimony-doped tin oxide, ATO), 알루미늄 첨가 산화아연(Aluminum-doped zinc oxide, AZO), 갈륨 첨가 산화아연(Gallium-doped zinc oxide, GZO), 그래핀(Graphene), 및 탄소나노튜브(Carbon nanotube, CNT) 중 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법. - 제1항에 있어서,
상기 봉지재는 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 형성되는 것으로, 상기 복수개의 단위셀 간의 전기적 절연 및 상기 복수개의 단위셀들 내부의 전해질을 밀봉시키는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지 서브모듈의 제조방법.
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