KR101697371B1 - 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유연성이 있고 제조비용을 절감할 수 있도록 된 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 태양전지는 하부 기판과, 상기 기판상에 형성되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층상에 형성되는 염료 혼합물층, 전해질층의 상측에 형성되는 제2 전극층 및, 상기 제2 전극층이 형성되는 상부 기판을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양전지에 관한 것으로, 특히 유연성이 있고 제조비용을 절감할 수 있도록 된 염료감응형 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근에 이르러 청정 에너지에 대한 관심이 높아지면서, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는데 대한 관심도 크게 증가되고 있다.
태양 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 소자를 통상 솔라셀 또는 태양전지로서 칭하고 있다. 태양전지는 그 동작 방식에 따라 크게 실리콘 태양전지와 염료감응형 태양전지로 구분할 수 있다.
이 중 염료감응형 태양전지는 저 비용으로 제조가 가능하고, 태양전지의 제조에 사용되는 재료가 환경친화적이며, 태양전지의 제조시에 CO2의 배출량이 적기 때문에 차세대 태양전지로서 주목을 받고 있다.
그러나, 염료감응형 태양전지의 경우에는 염료에서 발생된 전자의 포획 및 이동성을 고려하여 TiO2층을 형성하게 되는데, 이러한 TiO2.층의 형성에는 450도 정도 이상의 고온이 요구되기 때문에 유기물 등과 같은 유연성 있는 재질을 이용하여 태양전지를 제조할 수 없다는 단점이 있다.
이에, 본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 유연성이 있고, 보다 친환경적이며, 제조비용을 대폭 낮출 수 있도록 된 태양전지 및 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제1 개념에 따른 태양전지는 하부 기판과, 상기 기판상에 형성되는 제1 전극층, 상기 제1 전극층상에 형성되는 염료 혼합물층, 전해질층의 상측에 형성되는 제2 전극층 및, 상기 제2 전극층이 형성되는 상부 기판을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 하부 기판이 종이인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 하부 기판이 내열성 물질이 코팅된 종이인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 하부 기판이 종이에 내열성 물질을 침투시킨 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 전극층이 도전성 유기물을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 염료 혼합물층이 TiO2와 염료의 혼합물로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 염료 혼합물층이 탄소나노튜브, 그라핀 또는 도전성 금속 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 전극층과 전해질층의 사이에 촉매 박막전극층을 추가로 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 전극층의 상측에 외부 광이 제2 전극층에 의해 반사되는 것을 방지하기 위한 반사 방지층이 추가로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 반사 방지층이 서로 광굴절률이 다른 이중층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 전극층이 도전성 유기물을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 상부 기판이 투명한 유기물로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 관점에 따른 태양전지의 제조방법은 하부 기판을 형성하는 하부 기판 형성단계와, 상기 하부 기판상에 제1 전극층을 형성하는 단계, 상기 제1 전극층의 상측에 염료와 TiO2의 혼합물층을 형성하는 단계, 상부 기판을 형성하는 단계, 상부 기판상에 제2 전극층을 형성하는 단계 및, 하부 기판과 상부 기판을 접합시킴과 더불어 염료 혼합물층과 제2 전극층의 사이에 전해질을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 하부 기판이 종이인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 하부 기판이 내열성 물질이 코팅된 종이인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 하부 기판이 종이에 내열성 물질을 침투시킨 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 전극층이 도전성 유기물을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 전극층이 진공증착법을 통해 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 하부 기판을 비활성 가스 분위기에서 열처리하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 제1 전극층 형성단계는 잉크젯법 또는 스크린 인쇄법 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 염료 혼합물층의 형성단계는 TiO2 분말과 염료를 혼합하여 혼합용액을 형성하는 단계와, 상기 혼합용액을 스크린 인쇄 또는 스핀코팅법을 이용하여 제1 전극층상에 도포하는 단계 및, 염료 혼합물층에 열을 가하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 전극층과 전해질층의 사이에 촉매 박막전극층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 전극층의 상측에 외부 광이 제2 전극층에 의해 반사되는 것을 방지하기 위한 반사 방지층을 형성하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 반사 방지층이 서로 광굴절률이 다른 이중층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제1 전극층이 도전성 유기물을 포함하여 한다.
또한 상기 상부 기판이 투명한 유기물로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 제3 관점에 따른 태양전지의 제조방법은 하부 기판을 형성하는 하부 기판 형성단계와, 상기 하부 기판상에 제1 전극층을 형성하는 단계, 상기 제1 전극층의 상측에 염료와 도전성 물질의 혼합물층을 형성하는 단계, 상부 기판을 형성하는 단계, 상부 기판상에 제2 전극층을 형성하는 단계 및, 하부 기판과 상부 기판을 접합시킴과 더불어 염료 혼합물층과 제2 전극층의 사이에 전해질을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 도전성 물질은 탄소나노튜브, 그라핀 또는 도전성 금속 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 염료 혼합물층의 형성단계는 도전성 물질의 분말과 염료를 혼합하여 혼합용액을 형성하는 단계와, 상기 혼합용액을 스크린 인쇄 또는 스핀코팅법을 이용하여 제1 전극층상에 도포하는 단계 및, 염료 혼합물층에 열을 가하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 전극층과 전해질층의 사이에 촉매 박막전극층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 제2 전극층의 상측에 외부 광이 제2 전극층에 의해 반사되는 것을 방지하기 위한 반사 방지층을 형성하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성으로 된 본 발명에 의하면, 기판으로서 종래의 반도체 기판 대신에 종이나 유기물 기판이 사용된다. 따라서, 고가의 반도체 기판을 사용하지 않아도 되므로 제조가격을 대폭 낮출 수 있게 된다.
또한, 반도체 기판은 제조시에 그 크기를 일정 이상 크게 하는 것이 불가능하다. 이에 대하여 종이나 유기물을 기판으로서 사용하게 되면 그 크기에 대한 제약이 제거되게 된다. 따라서, 대면적을 갖는 태양전지를 제공할 수 있게 된다.
또한, 일반적으로 종이나 유기물의 경우에는 다른 물질이나 물체에 대한 접착성이 매우 우수하고, 특히 기판으로서 종이나 유기물을 사용하게 되면 제품의 두께와 무게를 대폭 줄일 수 있게 된다. 따라서, 본 발명에 따른 태양전지는 일반적인 건물의 외벽이나 유리창 등에 용이하게 부착하여 사용할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 단, 이하에서 설명하는 실시예는 본 발명의 하나의 바람직한 구현예를 예시적으로 나타낸 것으로서, 이러한 실시예의 예시는 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명을 그 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있음은 당업자가 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1에서 참조번호 1은 하부 기판이다. 이 하부 기판(1)은 종이로 구성된다. 본 실시예에서 종이라 함은 펄프를 주원료로 하여 제조된 일체의 종이와 더불어, 이러한 종이를 포함하는 재질, 예컨대 종이에 세라믹이나 실리콘 등의 내열성 재료를 코팅하거나 침투시킨 것을 포함한다.
또한, 상기 하부 기판(1)으로서는 유연성을 갖는 플라스틱 등의 유기물이 사용될 수 있다. 이때, 유기물로서는 폴리이미드(PI), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리염화비닐(PVC), 폴리에틸렌(PE), 에틸렌 공중합체, 폴리프로필렌(PP), 프로필렌 공중합체, 폴리(4-메틸-1-펜텐)(TPX), 폴리아릴레이트(PAR), 폴리아세탈(POM), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리설폰(PSF), 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리염화비닐리덴(PVDC), 폴리초산비닐(PVAC), 폴리비닐알콜(PVAL), 폴리비닐아세탈, 폴리스티렌(PS), AS수지, ABS수지, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 불소수지, 페놀수지(PF), 멜라민수지(MF), 우레아수지(UF), 불포화폴리에스테르(UP), 에폭시수지(EP), 디알릴프탈레이트수지(DAP), 폴리우레탄(PUR), 폴리아미드(PA), 실리콘수지(SI) 또는 이것들의 혼합물 및 화합물을 이용할 수 있다.
상기 하부 기판(1)상에 제1 전극층(2)으로서 도전성 전극층이 형성된다. 이때, 도전성 전극으로서는 예컨대 금, 은, 알루미늄, 플라티늄, 인듐주석화합물(ITO), 스트론튬티타네이트화합물(SrTiO3)이나, 그 밖의 전도성 금속 산화물과 이것들의 합금 및 화합물, 또는 전도성 중합체를 기재로 하는 예컨대 폴리아닐린, 폴리(3, 4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리스티렌술포네이트(PEDOT:PSS) 등의 혼합물이나 화합물 또는 다층물 등을 포함하는 모든 도전성 금속 및 금속 산화물과 도전성 유기물이 이용된다.
만일, 상기 하부 기판(1)으로서 유기물을 이용하는 경우에는 제1 전극층(2)으로서 바람직하게는 도전성 유기물이 이용될 수 있다.
또한, 종이 기판(1)상에 금속 재질로 구성되는 제1 전극층(2)을 형성하는 경우에는 예컨대 진공증착법이 이용된다. 그리고, 이때 필요에 따라 제1 전극층(2)을 형성하기 전에 종이 기판(1)을 진공상태 또는 예컨대 아르곤(Ar), 네온(Ne) 등의 비활성 가스분위기내에서 열처리함으로써 종이에 흡착되어 있는 수분이나 공기를 제거하는 것도 바람직하다.
또한 제1 전극층(2)으로서 도전성 유기물을 이용하는 경우에는 잉크젯 방식이나 스크린 인쇄법 등을 이용하여 제1 전극층(2)을 형성할 수 있게 된다.
제1 전극층(2)의 상측에는 예컨대 TiO2와 염료의 혼합물층(3)이 형성된다. 이때 염료로서는 예컨대 루테늄(Ru)계 물질로 이루어지는 염료가 사용된다.
이 혼합물층(3)은 예컨대 에탄올 등의 용매에 염료가 용해된 염료 용액에 TiO2 분말을 혼합하여 혼합용액을 형성하고, 이 혼합용액을 스크린 인쇄나 스핀코팅 등의 방법을 이용하여 전극층(2)의 상측에 도포한 다음, 이를 일정 온도 이상으로 가열하여 에탄올 용매를 제거하는 방법을 통해 생성하게 된다.
또한 상기 혼합물층(3)은 CNT(탄소나노튜브)와 염료의 혼합물, 또는 TiO2와 CNT 또는 다른 도전성 금속 및 염료의 혼합물을 이용하여 형성하는 것도 가능하다.
상기 혼합물층(3)의 상측에는 전해질층(4)이 형성된다. 이 전해질층(4)은 필요에 따라 점도가 서로 다른 2 이상의 전해질층으로 구성될 수 있다. 이 전해질층(4)은 제1 전극층(2)과 이후에 설명할 제2 전극층(6)을 각각 형성한 후, 이들 전극층을 서로 접합할 때 그 사이의 공극에 주입된다.
제2 전극층(6)은 예컨대 ITO, TCO, FTO, ZnO, CNT 등의 투명 전극으로 구성된다. 제2 전극층(6)은 투명한 재질의 유기물이나 유리 등으로 이루어지는 상부 기판(7)상에 형성되고, 제2 전극층(6)의 상측에는 바람직하게는 촉매 박막전극층(5)이 형성된다. 이 촉매 박막전극층(5)으로서는 예컨대 Pt(백금), Ru(루테늄), Pd(팔라듐) 등의 백금계 금속이나 이들의 합금 또는 혼합물이 사용된다.
상술한 실시예에 있어서는 TiO2층과 염료층을 별로로 형성하지 않고 TiO2와 염료를 혼합하여 혼합물층을 형성하게 된다. 이와 같은 혼합물층은 스크린 인쇄나 스핀코팅 등을 이용하여 형성할 수 있게 되므로 고온에서의 제조공정이 요구되지 않는다. 따라서 기판으로서 반도체 기판 대신에 유기물이나 종이를 사용할 수 있게 된다.
또한 제조공정에서도 증착이나 스퍼터링 등을 위한 반도체공정이 요구되지 않으므로 저가이면서도 친환경적인 제조장비를 사용할 수 있게 된다.
또한 상기 실시예에 있어서는 기판으로서 종이나 유기물 기판을 사용할 수 있게 되므로 가벼우면서도 대면적의 태양전지를 구현할 수 있게 된다.
한편, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 태양전지의 구조를 나타낸 단면도이다.
본 실시예에 있어서는 전해질층(4)의 상측에 형성되는 제2 전극층(21)으로서 도전성 유기물을 이용하고, 상부 기판(22)으로서도 유리 대신에 투명한 재질의 유기물을 이용하도록 된 것이다.
본 실시예에 있어서는 제2 전극층(21)과 상부 기판(22)을 유기물을 이용하여 구성하게 되므로 유연성을 갖는 태양전지를 구현할 수 있게 된다.
또한 태양전지를 전체적으로 유기물이나 종이 등을 이용하여 구현할 수 있게 되므로 제조비용을 대폭 절감할 수 있게 되고, 또한 태양전지의 제조방식도 롤투롤(ro11-to-roll) 방식을 채용할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 다른 방식이나 구조가 적용되는 임의의 태양전지에 대하여 동일한 방식으로 적용시켜 실시할 수 있다.
예를 들어, 상술한 실시예에 있어서 상부 기판(7)의 상측이나 제2 전극층과 상부 기판(7)의 사이에는 제2 전극층으로부터 광이 반사되어 외부로 방출되는 것을 방지하기 위한 반사 방지층을 형성하는 것도 바람직하다. 또한, 이때 반사 방지층으로서는 서로 광굴절률이 다른 이중층으로 구성되거나, 상부 기판(7)과 광굴절률이 다른 유기물층으로 구성될 수 있다.
1: 하부 기판, 2: 제1 전극층,
3: 혼합물층, 4: 전해질층,
5: 촉매전극층, 6: 제2 전극층,
7: 상부 기판.
3: 혼합물층, 4: 전해질층,
5: 촉매전극층, 6: 제2 전극층,
7: 상부 기판.
Claims (31)
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- 하부 기판을 형성하는 하부 기판 형성단계와,
상기 하부 기판상에 제1 전극층을 형성하는 단계,
상기 제1 전극층의 상측에 염료와 TiO2의 혼합물층을 형성하는 단계,
상부 기판을 형성하는 단계,
상부 기판상에 제2 전극층을 형성하는 단계 및,
하부 기판과 상부 기판을 접합시킴과 더불어 염료 혼합물층과 제2 전극층의 사이에 전해질을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계를 포함하되,
염료와 TiO2의 혼합물층을 형성하는 단계는
TiO2 분말과 염료를 혼합하여 혼합용액을 형성하는 단계;
상기 혼합용액을 스크린 인쇄 또는 스핀코팅법을 이용하여 제1 전극층상에 도포하는 단계; 및,
염료 혼합물층에 열을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 하부 기판이 종이인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 하부 기판이 내열성 물질이 코팅된 종이인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 하부 기판이 종이에 내열성 물질을 침투시킨 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 제1 전극층이 도전성 유기물을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전극층이 진공증착법을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제18항에 있어서,
상기 하부 기판을 비활성 가스 분위기에서 열처리하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제17항에 있어서,
제1 전극층 형성단계는 잉크젯법 또는 스크린 인쇄법 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 삭제
- 제13항에 있어서,
상기 제2 전극층과 전해질층의 사이에 촉매 박막전극층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 제2 전극층의 상측에 외부 광이 제2 전극층에 의해 반사되는 것을 방지하기 위한 반사 방지층을 형성하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제23항에 있어서,
상기 반사 방지층이 서로 광굴절률이 다른 이중층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 삭제
- 제13항에 있어서,
상기 상부 기판이 투명한 유기물로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 하부 기판을 형성하는 하부 기판 형성단계와,
상기 하부 기판상에 제1 전극층을 형성하는 단계,
상기 제1 전극층의 상측에 염료와 도전성 물질의 혼합물층을 형성하는 단계,
상부 기판을 형성하는 단계,
상부 기판상에 제2 전극층을 형성하는 단계 및,
하부 기판과 상부 기판을 접합시킴과 더불어 염료 혼합물층과 제2 전극층의 사이에 전해질을 주입하여 전해질층을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 염료와 도전성 물질의 혼합물층을 형성하는 단계는
도전성 물질의 분말과 염료를 혼합하여 혼합용액을 형성하는 단계;
상기 혼합용액을 스크린 인쇄 또는 스핀코팅법을 이용하여 제1 전극층 상에 도포하는 단계; 및,
상기 염료 혼합물층에 열을 가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제27항에 있어서,
상기 도전성 물질은 탄소나노튜브, 그라핀 또는 도전성 금속 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제27항에 있어서,
상기 제2 전극층의 상측에 외부 광이 제2 전극층에 의해 반사되는 것을 방지하기 위한 반사 방지층을 형성하는 단계를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 제27항에 있어서,
상기 제2 전극층과 전해질층의 사이에 촉매 박막전극층을 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 제조방법. - 삭제
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