KR101896728B1 - 광전기 화학 전지의 수직 전기 연결 장치 - Google Patents

광전기 화학 전지의 수직 전기 연결 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 광 전기 화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소가 두 대향하는 기판(10) 사이에서 나란히 배치되며, 그 중 적어도 하나가 투명하거나 반 투명하고, 다른 기판을 향하는 면에서 상응하는 수의 인터럽션(12)에 의해 전기적으로 분리된 나란한 다수의 영역으로 나뉘어진 전기적 전도성 코팅(11)에 의해 커버되고, 상기 수직 전기 연결 요소가 광 전기 화학 셀과 전기적으로 접촉하고 있는 한 기판(10)의 전기적 전도성 코팅(11)의 전기적으로 고립된 영역과 인접한 광 전기 화학과 접촉하고 있는 대향된 기판(10)의 전기적 전도성 코팅(11)의 전기적으로 고립된 영역 사이에 배치되며, 세 개의 겹쳐지는 부분들로 만들어지며, 두 부분(20', 20")이 각각 두 대향하는 기판(10) 각각의 전도성 코팅에 결합되고, 상기 전도성 코팅(11)과 함께 집합되고 그와 일체로 되는 입자들 형태로 전도성 재료로 만들어진 상기 광 전기 화학 셀 들의 범위를 정하며, 두 기판(10) 각각의 전도성 코팅(11)과 결합된 상기 부분(20', 20")들의 높이 합계가 상기 두 기판(10)의 전도성 코팅(11)들 사이 거리와 같거나 그보다 낮으며, 또 다른 중간 개재 부분(21)이 폴리머 매트릭스 및/또는 에폭시 수지 및/또는 유기 바인더로 구성된 전도성 재료로 만들어진, 두 기판(10) 각각의 전도성 코팅(11)과 결합된 두 부분(20', 20")을 연결시키고, 전도성 재료 또는 전도성 폴리머 입자들이 분산됨을 특징으로 하는 광 전기 화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소에 대한 것이다.

Description

광전기 화학 전지의 수직 전기 연결 장치{VERTICAL ELECTRICAL CONNECTION OF PHOTOELECTROCHEMICAL CELLS}
본 발명은 광전기 화학 전지 또는 DSSC(다이(dye) 감응형 태양 전지)의 수직 전기 연결 장치에 대한 것이다.
특히, 본 발명은 상기 광전기 화학 전지의 수직 전기 연결 장치의 구조에 대한 것이며, 다이 감응형 태양 전지 셀의 태양 광 모듈을 일체로 하는 것이고, 그 실현 방법에 대한 것이다.
다이 감응형 태양 전지 셀은 두 개의 기판에 의해 다층 구조로 구분되어 구성된 태양 전지이다. 대개, 상기 기판은 투명 재료(가급적 유리뿐만 아니라 PET 나 PEN)로 만들어지며, 다층 구조의 내부를 향한 측면에서, 전기 전도성 코딩에의해 코팅되고, 이때의 전도성 코팅도 투명하다(일반적으로 투명한 전도성 산화물, 바람직하게는 불소나 요오드로 도핑 티타늄 산화물, FTO 및 ITO).
두 기판 가운데 광 전극(양극)이 배열되며, 이는 두 기판 가운데 한 기판의 전도성 코팅 상에 배열되고; 상대 전극이 다른 기판의 전도성 코팅 상에 배열되며; 그리고 전해액이 상기 광 전극과 상기 상대 전극 사이에 배치된다. 특히, 광 전극은 대개 다공성 티타늄 산화물로 만들어지며, 이는 광자의 흡수에 이어 전자를 전달할 수 있는 다이로 구성된다. 상기 상대 전극은 대개 백금으로 만들어지며, 전해질 용액은 요오드(I2) 그리고 요오드화 칼륨(KI)으로 만들어진다.
이 같은 유형의 광전기 화학 전지는 미국 특허 제4,927,721호에서 예를 들어 설명하고 있다; 이 같은 유형의 셀에 사용되는 재료는 미국 특허 제5,350,644호에서 예를 들어 설명하고 있다.
이들의 특성에 의해, 상기 구조를 갖는 전도성 코팅은 높은 저항을 갖는다. 또한, 이러한 유형의 개별 셀은 광 전기 화학 셀이 어드레스 될 수 있는 대부분의 가능한 애플리케이션에서 요청되는 전압 레벨을 발생시킬 수 없다.
이와 같은 단점을 극복하기 위해, 서로 직렬로 연결된 다수의 광 전기 화학 셀 들을 연결시키는 것이 필요하며, 전체 전류를 최소로 하는, 즉 상기 전도성 코팅의 저항으로 인해 파워 손실을 최소로 하는, 더욱 큰 전압 차를 발생시킨다.
실제로, 동일한 기판에 광 전기 화학 모듈이 실현되며, 즉 기판 각각의 전도성 코팅이 다수의 전기적으로 고립된 영역으로 나뉘어지며, 이들은 나란히 배열된 다수의 스트립들과 일치하고, 두 기판 가운데 한 기판의 전도성 코팅 영역 각각은 일치하는 위치에 위치하며, 광 전지 화학 셀이 릴리이스되는, 두 기판의 겹쳐지는 영역 각 쌍 사이에서, 다른 기판의 전도성 코팅 영역 방향을 횡단하는 방향으로 다소 오프셋 될 뿐이다. 이와 같이 하여 얻어진 나란히 놓인 광 전기 화학 셀들은 상기 모듈의 실현 중에 만들어진, 동일한 기판에 일체로 된 연결에 의해 직렬로 연결된다.
기판에 일체로 직렬 연결하는 것은 Z-연결, W-연결 그리고 외부 연결로 알려진 여러 방식에 따라 가능하다.
Z-연결과 같은 연결은 나란히 놓인 두 셀들 사이 공간에 배치된, 특히 두 셀들 또는 스트립들 긴 측면 사이 공간, 즉 두 기판의 전도성 코팅의 전기적으로 고립된 영역의 엇갈린 배열로 인해 셀 들을 위해 사용되지 않는 공간에 배치된 일련의 수직 접촉 부로 만들어지며, 본 명세서에서 나중에 더욱 상세히 설명될 구성에 따라, 두 기판의 전도성 코팅 고립 영역을 서로 전기적으로 연결시킨다.
W-연결과 같은 연결은 접촉 부 필요 없이 얻을 수 있지만, 이 구성에 따라 만들어진 광 전기 화학 모듈의 구성은 내부의 전류 불균형을 갖는 경향이 있는데, 이는 이 같은 구성에 따른 셀 들의 절반이 상대 전극의 측면으로부터 빛을 받기 때문이다. 또한, 동일한 기판에서는, 광 전극과 상대 전극이 교대하며; 따라서 티타늄 이산화물과 백금이 증착과 동시에 경화된다. 이는 각기 다른 최적의 소성 온도 및 시간을 갖는 두 물질(백금의 경우 420 ℃ 및 15 분, 티타늄 이산화물의 경우 500 ℃ 및 30 분)을 갖는 두 물질의 경화 처리를 개별적으로 최적화하는 것은 불가능함을 의미한다.
반면에, 외부 연결에 관한 한, 이 같은 종류의 연결은 광 전기 화학 셀들을 형성시키는 스트립들의 짧은 측면에 인접하여, 모듈의 경계에서 만들어진다. 개별 셀 들의 연결이 만들어지는 모듈의 경계(borders)에 도달하기 위해, 전자들이 통과하여야 하는 긴 경로는, 셀 들의 길이를 제한하며(저항으로 인한 추가 손실을 막기위해), 그리고 상기 모듈 채움 팩터(module fill factor)를 중요하게 위험에 빠뜨린다. 이 같은 팩터(factor)는 특정 파라미터로서 장치에 의해 발생된 최대 파워와 폐쇄 회로 전류에 의해 곱하여진 개방 회로 전압 프로덕트 사이의 비율을 설명하며, 셀 들 사이의 연결에 의해 발생된 저항값 그리고 전자들의 긴 경로에 의해 발생된 저항값 증가에 비례하여 감소한다.
도 1에서, Z-타입 연결 구성이 광 전기 화학 모듈의 두 셀 들 사이에 도시된다.
특히, 도 1은 도면 부호 10으로 기재된 두 개의 기판을 도시하며, 이들 각각은 다른 기판을 향하여 마주하는 면에서 투명 전기 전도성 코팅(11)으로 코팅되어 있다. 상기 전기 전도 코팅(11)은 인터럽션(12)에 의해 전기적으로 고립된 영역들에 의해 나뉘어진다. 광 전기 화학 셀 각각은 두 개의 대향하는 기판(10)의 전도성 코팅(11)의 전기적으로 고립된 영역을 마주하도록, 두 개의 면 사이에서 구성된 공간에 만들어지며, 셀 각각은 두 기판(10) 가운데 한 기판의 전도성 코팅(11) 상에 배열된 광 전극(13); 다른 기판(10)의 전도성 코팅 상에 배열된 상대 전극(14); 그리고 상기 광 전극(13)과 상기 상대 전극(14) 사이에 내재하는 액체 전해액으로 만들어진다.
셀 각각은 상기 셀 내에 전해액을 유지시키는 목적을 갖는 봉합재(16)에 의해 측면 방향의 경계를 갖는다.
셀 들을 직렬로 연결하는 것은 수직 연결 요소(17)에 의해 달성되는데, 이들은 두 기판(10) 가운데 한 기판의 전도성 코팅(11)의 전기적 고립 영역의 엇갈린 부분을 대향하는 기판(10)의 전도성 코팅(11)의 전기적 고립 영역의 일치하는 엇갈린 부분과 연결시킨다. 전도성 코팅(11)의 모든 전기적 고립 영역이 각각의 전극과 전기적으로 접촉하고 있기 때문에, 수직 연결 요소(17)가 두 대향하는 전극(10) 각각에서의 전도성 코팅(11)을 통해, 나란한 광 전기 화학 셀 들의 전극들을 연결시킬 수 있도록 한다.
수직 접촉 부에 의한 연결 경로는 세 개의 저항 부분에 의해 대표될 수 있다: 제1 기판(10) 상에 배열된 전도성 코팅(11)과 수직 연결 요소(17) 사이의 접촉 저항에 의해 구성된 제1 저항, 상기 수직 연결 요소(17) 자신의 재료 저항에 의해 구성된 제2 저항 그리고 제1 기판에 대향하는 기판(10) 상에 배열된 전도성 코팅(11)과 상기 수직 연결 요소(17) 사이의 접촉 저항에 의해 구성된 제3 저항.
종래 기술에 따라, 상기 수직 연결 요소는 여러 기술들에 의해 만들어질 수 있다:
- 두 기판의 전도성 코팅 상에 전도성 페이스트를 증착하고 광 전기 화학 모듈(캡슐화)을 형성하기 위해 기판을 결합시키기 전에 상기 페이스트를 경화시킴;
- 기판의 전도성 코팅 상에 전도성 페이스트를 증착하고 상기 광 전기 화학 모듈(캡슐화)을 형성시키기 위해 기판들을 결합시키기 전에 상기 페이스트를 경화시킴;
(두 기판 또는 이들 가운데 한 기판의 전도성 코팅 상에) 전도성 페이스트를 증착하고 그리고 상기 광 전기 화학 모듈의 실링 단계 동안(캡슐화에 의해) 상기 페이스트를 경화시킴.
어느 경우에든, 상기 증착은 하나 또는 둘 이상의 바인더 및/또는 용매와 함께, 두 기판(10) 또는 이들 한 기판의 전도성 코팅(11) 상에 상기 수직 연결 요소(17)를 만드는 재료를 포함하는 페이스트로 "스트립"을 만들어서 발생되며, 이때 전도성 코팅(11)의 인터랍션(interruption)(12) 라인들과 나란한 위치, 즉 전도성 코팅(11)의 전기적으로 고립된 영역의 엇갈린 부분 상에서 만들어지며, 이에 의해서 상기 광 전기 화학 모듈을 형성하기 위해 기판(10)들을 결함시킴에 의해, 인터럽션의 라인들이 다소 엇갈리고, 따라서 수직 접촉 부를 구성시키는 상기 전도성 요소들이 대향하는 기판(10)의 전기적으로 고립된 요소들의 전도성 코팅(11)들을 서로 연결시킬 수 있도록 한다.
두 기판(10)의 전도성 코팅(11) 상에 전도성 페이스트를 증착시키고 뒤이어 캡슐화하기 전에 경화시키는 경우, 상기 경화 온도는 사용된 재료에 따라 선택될 수 있으며, 특히 상기 전도성 페이스트를 경화함에 의해 얻어진 층과 전도성 코팅 사이 인터페이스와 관련하여, 낮은 저항을 갖는 전기 접촉 부를 확보할 수 있도록 한다. 실제에서는, 이들 온도는 대체로 500-520℃ 이며, 항상 550℃ 미만이어서(그 이상의 온도에서는 전도성 코팅 및/또는 기판이 손상을 입을 위험이 있다), 상기 페이스트 내 전도성 재료의 모든 캐리어들을 가능한 한 제거할 수 있도록 하며, 따라서 가능한 한 선택된 전도성 재료의 전도도에 근접한 높은 전도도를 얻을 수 있도록 한다.
이와 같은 경우, 도 2에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 대향하는 기판(10)들의 코팅(11) 상에 증착된 수직 연결 요소의 두 부분(18', 18") 사이 단순한 기계적 연결에 의해 전도가 발생되며, 결과적으로 상기 수직 연결 요소를 형성시키는 두 부분(18', 18") 사이 저항은 무시할 수 없지만, 반면 각 기판(10) 상에 증착된 전도성 코팅(11)과 상기 수직 연결 요소의 각 부분(18', 18") 사이의 저항은 무시할 수 있다. 또한, 이와 같이 하여 만들어진 연결은 온도가 증가함에 따라 전기적 전도 문제를 일으킨다. 이는 전도 요소가 만들어진 재료와 각 셀들 내에 전해액(15)을 유지시키는 봉합재(16) 재료 사이 상이한 열 동작(열 확장)에 따른 것이다.
이 같은 경우, 단일 기판(10)의 전도성 코팅(11) 상에 전도성 페이스트를 증착시키고 상기 수직 연결 요소를 만들기 위해 캡슐화하기 전에 동 페이스트를 경화시킴에 대하여 상기 설명에서 개시된 도면에서는 제공되지 않았으나, 수직 연결 요소와 전도성 코팅(11) 사이의 단순한 기계적 접촉에 의해 전도가 발생되며, 상기 페이스트가 증착되지 않았던 기판(10)의 전도성 코팅(11)과 상기 수직 연결 요소 사이의 저항이 무시할 수 없다.
도 3은 두 기판(10) 또는 이들 중 한 기판의 전도성 코팅(11) 상에 전도성 페이스트를 증착시키고 뒤이어 모듈의 실링 단계 중에(캡슐화에 의해) 상기 전도성 페이스트를 경화시키고, 이에 의해 상기 접촉 부(contact)가 두 대향하는 기판(10)의 코팅(11)을 연결시키는 단일 동체에 의해 구성된 한 수직 연결 요소(19)에 의해 얻어지도록 함을 도시한다. 그러나 이와 같이하여, 상기 전도성 페이스트를 경화하는 것은 모듈을 형성하는 요소들, 특히 광 전극(13)의 다이 그리고 봉합재(16)를 형성하는 재료에 손상을 줄 수 있는 온도 이하의 온도에서만 발생되며, 결국 전기 전도와 관련하여서는 최적의 특징을 가질 수 없도록 한다. 이와 같은 경우, 상기 전도성 코팅(11)과 수직 연결 요소(19)의 두 측면에서 발생된 저항은 무시할 수 없다.
더욱이, 이 같은 종류의 연결은 온도 증가로 이들 성능이 손상을 입히는 것외에, 최적 전도도를 달성할 수 없다.
매우 유사한 문제들이 종래 기술에 따른 다른 해결에서도 만날 수 있는데, 이는 상기 설명된 종래 기술들 사이의 타협적인 해결 형태이다.
예를 들면, US2005/067006호는 직렬로 연결된 광 전기 화학 셀들을 공개하며, 나란히 놓인 두 셀 들의 전도성 코팅들(그리고 전극들)이 낮은 용융 금속에 코팅되고 접착제 층 내에 캡슐화된, 셀 들에 평행하게 배열된 금속 도선으로 만들어진 수직 연결 요소에 의해 연결된다.
AU761370호는 US2005/067006호에서 개시된 것과 유사한 구성을 공개하며, 수직 연결 요소는 티타늄 도선 그리고 SiO2 매트릭스 내에 포함된 텅스텐 입자들을 포함한다.
EP1603169호는 US2005/067006호에서 개시된 것과 유사한 구성을 개시하며, 수직 연결 요소가 금속 또는 낮은 온도 땜납 또는 실버-기반 에폭시 수지로 코팅된 합금을 포함한다.
US2010/0024875호는 나란히 놓인 두 셀 들의 전도성 코팅(그리고 전극들)이 다수의 층들로 만들어진 수직 연결 요소에 의해 연결된 직렬 연결된 광 전기 화학 셀 들을 개시하며, 이때 첫 번째 층은 두 기판 가운데 한 기판의 전도성 코팅 상에 적용되고 다이(dye)의 적용 이전에 경화되며, 두 번째 층은 다른 기판의 전도성 코팅 상에 적용되고 모듈을 폐쇄한 후에 그리고 다이를 적용한 이후 경화된다. 이 같은 특허 출원의 가르침에 따라, 다음에 상기 첫 번째 층은 사용된 재료를 감안하여 가장 좋은 경화 온도를 선택하여 만들져서, 낮은 저항을 갖는 전기적 접촉을 얻을 수 있도록 하며, 반면에 상기 모듈을 페쇄시키는 순간에 만들어진 두 번째 층은 한편으로는 상기 첫 번째 층과 대향하는 층의 전도성 코팅 사이의 접촉 표면을 증가시키어, 앞서 형성된 첫 번째 층의 형상과 일치하도록 하고 그리고 아직 이용가능한 공간을 채우며, 다른 한편으로는 상기 봉합재 및/또는 다이를 손상시키지 않고 만들어져야 하기 때문에 전기적 전도와 관련하여서는 최적의 특징을 가질 수 없다.
모든 종래 기술의 문헌에서, 각기 다른 광 전기 화학 셀 들을 연속하여 연결시키는 연결의 효율이 두 기판을 접합시키는 동안 또는 그 후에 경화되는 층들의 존재로 인해 나쁜 영향을 받는다. 이 같은 층의 영향은 기판(10)의 전도성 코팅(11)과 직접 접촉하기 때문에 더욱더 중요하다. 실제로, 접촉 요소의 각기 다른 성질 그리고 전도성 재료를 형성시키는 재료의 성질이 각기 다르기 때문에, 접촉 요소와 전도성 코팅(11) 사이의 인터페이스를 통한 전기적 연결은 무시될 수 없다.
상기 설명에 비추어, 수직 접촉 부의 성능을 향상시키고 기계적 및 열적 스트레스와 관련하여 상기 연결의 신뢰도를 증가시키도록 하는 광 전기 화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소를 갖는 것이 필요함이 명백하다.
이와 관련하여, 본 발명에 따른 솔루션이 제안되며, 그 목적은 두 기판 가운데 한 기판상의 전도성 코팅, 상기 수직 연결 요소 그리고 대향 기판상의 전도성 코팅 사이 단일 경로를 실현하는 연결로서, 약 100℃의 온도에서도 높은 전도성을 갖는 연결을 제공하는 것이다.
이들과 다른 결과가 본 발명에 따라 달성되며, 두 부분으로 만들어진 한 합성 종류의 광 전기 화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소를 제공하고, 이들 연결을 구성하는 두 부분은 각각 전도성 코팅으로 시일(seal)되며 높은 밀집도와 전도도를 갖는 전도성 재료로 만들어진 두 대향된 기판가운데 한 기판의 전도성 코팅에 결합되고, 상기 연결을 구성하는 세 번째 부분이 낮은 하소(calcination) 포인트를 갖는 전도성 재료의 페이스트로 만들어진다. 따라서 본 발명의 목적은 종래 기술에 따른 솔루션 한계를 극복하도록 하며 앞서 설명된 기술적인 결과를 얻어내도록 하는 광 전기 화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소를 실현하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 수직 연결 요소가 상당히 낮은 비용으로 만들어 질 수 있다는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상당히 단순하고, 안전하며 신뢰할 수 있는 수직 연결 요소를 실현하는 것이다.
따라서 본 발명의 첫 번째 특정 목적은 광 전기 화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소가 두 대향하는 기판 사이에서 나란히 배치되며, 그 중 적어도 하나가 투명하거나 반 투명하고, 다른 기판을 향하는 면에서 상응하는 수의 인터럽션에의해 전기적으로 분리된 나란한 다수의 영역으로 나뉘어진 전기적 전도성 코팅에 의해 커버되고, 상기 수직 전기 연결 요소가 광 전기 화학 셀과 전기적으로 접촉하고 있는 한 기판의 전기적 전도성 코팅의 전기적으로 고립된 영역과 인접한 광 전기 화학 셀과 접촉하고 있는 대향된 기판의 전기적 전도성 코팅의 전기적으로 고립된 영역 사이에 배치되며, 세 개의 겹쳐지는 부분들로 만들어지며, 두 부분이 각각 두 대향하는 기판 각각의 전도성 코팅에 결합되고, 상기 전도성 코팅과 함께 집합되고 그와 일체로 되는 입자 형태 전도성 재료로 만들어진 상기 광 전기 화학 셀 들의 범위를 정하며, 두 기판 각각의 전도성 코팅과 결합된 상기 부분들의 높이 합계가 상기 두 기판의 전도성 코팅 들 사이 거리와 같거나 그보다 낮으며, 또 다른 중간 개재 부분이 폴리머 매트릭스 및/또는 에폭시 수지 및/또는 유기 바인더로 구성된 전도성 재료로 만들어진, 두 기판 각각의 전도성 코팅과 결합된 두 부분을 연결시키고, 전도성 재료 또는 전도성 폴리머 입자들이 분산되는 광 전기 화학 셀 들의 수직 전기 연결을 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따라, 두 기판 각각의 전도성 코팅과 결합된 상기 두 부분이 0.5 보다 낮은 다공성(전체 체적에서 빈 공간의 체적으로 표시)을 가지며, 두 기판 각각의 전도성 코팅과 결합된 상기 두 부분이 화학 타입 결합으로 서로 집합된 입자들을 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 실시 예에 따라, 두 기판 각각의 전도성 코팅과 결합된 상기 두 부분이 중량비 10% 미만의 그리고 더욱 바람직하게는 중량비 0.1% 미만의 일정량의 유기 용매와 바인더 잔여물을 포함한다.
또한, 본 발명에 따라, 상기 중간 개재 부분이 중량비 5%보다 많은 일정량의 유기 용매와 바인더 잔여물을 포함한다.
또한 본 발명에 따라, 상기 높은 온도에서 소결되는 전도성 재료 그리고 낮은 온도에서 소결되는 상기 전도성 재료가 모두 실버-기반 재료일 수 있다.
또한 본 발명에 따라, 상기 유기 용매 및 바인더의 잔여물이 에틸 셀룰로오즈 또는 히드록시 에틸 셀룰로오즈 또는 폴리 에틸린 글리콜(PEG) 또는 카르보박스(carbovax) 또는 테르피네올(terpineol) 또는 이들의 조합을 기초로 하는 유기 캐리어의 잔여물로 구성된다.
또한 본 발명의 두 번째 특정 목적에 따라,
- 높은 온도에서 소결될 수 있는 전도성 재료의 페이스트로 만들어지며, 상호 보완적인 경로에 따라, 스트립의 광 전기 화학 셀을 형성하기 위해, 앞서 세척되고 소성(fired)되나 아직 해당하는 대향 기판에 맞춰지지 않은 기판 각 각에서 증착시키는 단계;
- 기판을 소성(firing)시키고, 따라서 높은 온도에서 앞서 증착된 스트립의 전도성 재료의 소결을 얻는 단계;
- 앞서 증착된 그리고 소결된 재료의 스트립에 상응하여 낮은 온도에서 소결될 수 있는 전도성 재료 페이스트로 만들어진, 증착시키는 단계;
- 상기 대향하는 기판들을 맞추고, 동시에 낮은 온도로 소결될 수 있는, 전도성 재료 페이스트의 중간 개재에 의해, 앞서 증착되고 소결된 재료의 스트립들을 맞추는 단계를 포함하는 광 전기 화학 셀 들의 수직 전기 연결 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따라, 상기 기판을 소성하고 높은 온도로 소결될 수 있는 전도성 재료를 소결하는 단계가 300℃ 보다 낮은 온도 그리고 550℃ 보다 높지 않은 온도 그리고 바람직하게는 520℃의 온도에서 발생된다.
본 발명에 따라, 상기 대향 기판에 맞추는 단계가 70 내지 170℃로 그리고 더욱 바람직하게는 약 100℃의 온도로 발생한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조로 하여 바람직한 실시 예에 따라 설명적이고 비제한적 목적으로 하기에서 상세히 설명한다;
- 도 1은 광 전기 화학 모듈의 두 셀 들 사이 Z-타입 연결 구성을 개략적으로 도시한 도면.
- 도 2는 종래 기술에 따른 광 전기 화학 모듈의 두 셀 들 사이 첫 번째 Z-타입 연결 구성을 도시한 도면.
- 도 3은 종래 기술에 따른 광 전기 화학 모듈의 두 셀 들 사이 두 번째 Z-타입 연결 구성을 도시한 도면.
- 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 광 전기 화학 모듈의 두 셀 들 사이 Z-타입 연결 구성을 도시한 도면.
- 도 5는 본 발명에 대하여 하기 보고된 생산 예에 따라 만들어진 모듈의 전기적 특징에 대한 도표를 도시한 도면.
- 도 6은 본 발명에 대하여 하기 보고된 생산 예에 따라 얻어진 4개의 모듈에 대한 온도 작용 효율에 대한 도표를 도시한 도면.
- 도 7은 본 발명에 대하여 하기 보고된 생산 예에 따라 얻어진 4개의 모듈에 대한 온도 작용으로서 채움 팩터(fill factor)에 대한 도표를 도시한 도면.
도 4와 관련하여, 본 발명에 따른 수직 연결 요소가 두 기판의 전도성 코팅 상에 높은 온도(전도성 산화물 및/또는 기판의 변환 필요로 제한된)로 소결될 수 있는 전도성 재료 페이스트로 만들어진 스트립을 스크린-프린팅(screen-printing), 블래이즈 코팅 증착(blade coating deposition) 또는 디스펜싱(dispensing)하여 제조될 수 있다. 전도성 재료로 만들어진 페이스트 증착 스트립(20', 20")은 뒤에 가서, 300℃ 보다 항상 높고 550℃ 보다 낮은, 약 500-520℃(이 이상의 온도에서는 전도성 산화물 및/또는 기판이 손상될 가능성이 높다)에서, 높은 온도 경화를 받게 되며, 페이스트 내 전도성 재료의 가능한 한 모든 캐리어(carriers)를 제거하여, 따라서 상기 선택된 전도성 재료의 전도도에 가능한 한 인접하여, 높은 전도도를 달성할 수 있도록 할 뿐 아니라, 상기 페이스트 내에 존재하는 전도성 재료의 마이크로 입자의 개선된 소결을 달성할 수 있도록 하고(입자들 사이 다공성을 결과적으로 줄이는 더욱 큰 입자를 형성하도록 한다), 페이스트의 전도성 재료와 전도성 코팅(11)의 재료 사이 통합을 달성하도록 한다. 특히, 높은 온도에서 소결될 수 있는 전도성 재료의 상기 페이스트는 가령 소결 온도 500-540℃의 듀퐁 프로덕트 7713 실버 피드-쓰로우(Dupont product 7713 Silver Feed-Through)와 같은 실버로 구성된다. 선택적으로 페이스트로서는 다음을 선택할 수 있다; Chimet Silver Paste Ag 1710 IC, Chimet Silver Paste 1121 IC 80%. 그러나 실버를 대신하여, 전도성 재료로서 광 전기 화학 셀 들 사이 수직 연결 요소를 만들기 위해 알려져 있는 어떤 다른 재료도 사용될 수 있다.
모듈을 폐쇄시키는 단계 이전에, 앞서 경화하도록 된 상대 전극의 전도성 재료 스트립(20')을 통하여 전도성 재료의 페이스트(21)가 증착되며, 에틸 셀룰로오즈 또는 히드록시 에틸 셀룰로오즈 또는 폴리 에틸린 글리콜(PEG) 또는 카르보박스(carbovax) 또는 테르피네올(terpineol) 또는 이들의 조합을 기초로 하는 유기 캐리어를 기반으로 하여 낮은 온도에서 소결될 수 있으며, 가령 중량비로 실버 80% 까지의 퍼센트를 갖는 Dupont Solamet PV410 Silver Conductor와 같은 높은 퍼센트의 전도성 재료로 만들어진다. 선택적으로, 낮은 온도에서 소결될 수 있는 전도성 재료의 상기 페이스트는 다음에서 선택될 수 있다: Dupont Solamet PV410 Silver Conductor, Dupont Solamet PV412 Photovoltaic Metallization, Dupont Solamet PV430 Photovoltaic Metallization, Dupont Solamet PV480 Carbon Conductive Composition, ECM (엔지니어드 전도성 재료) Sol Ag CI-1042, ECM (엔지니어드 전도성 재료) Sol Ag DB-1541-S. 그러나 일례로서 상기 목록된 페이스트를 대신하여, 광 전기 화학 셀 들 사이에서 수직 연결 요소들을 만드는 것으로 알려져 있는 전도성 재료를 포함하는 다른 페이스트가 선택될 수 있기도 하다. 상기 모듈이 선택되는 때, 상기 전도성 낮은 소결 온도를 갖는 전도성 페이스트(21)는 아직 액체이며 접촉 부를 두 전도성 스트립(20', 20")(둘 모두를 투과하는) 사이에서 폐쇄시킨다.
모듈 메이팅(mating) 중에 전도성 페이스트(21)가 경화되고, 적어도 장치의 초기 수명기간 동안 이 같은 경화가 일어날 수 있도록 하며, 결과의 접촉 부가 세 가지의 부분으로 구성된다: 두 부분(20', 20")은 높은 온도 경화와 높은 전도도를 받는다; 인접한 요소(21)는 낮은 온도로 소결될 수 있는 전도도 페이스트를 갖는다. 특히, 상기 페이스트의 경화를 위해 사용된 낮은 온도로 인하여, 70-170℃ 범위에서, 그리고 항상 300℃ 이하의 온도에서(그 이상의 온도에서는 광 전극의 다이 그리고 봉합재의 재료가 손상될 수 있다) 페이스트 내 전도성 재료의 마이크로 입자들 사이 매우 낮은 정도의 소결을 달성할 수 있다. (이들 마이크로 입자 크기는 출발 페이스의 입자 크기와 비교하여 거의 변동되지 않거나 적어도 마이크로 입자들의 집합이 매우 저조하다.) 그러나, 경화 온도는 낮은 소결 온도를 갖는 페이스트의 전도성 재료와 앞서 높은 온도 경화를 받게 되는 두 부분(20', 20")의 재료 사이 일정한 정도의 통합을 달성하기에 충분하며, 이는 낮은 소결 온도를 갖는 페이스트의 전도성 재료 그리고 앞서 높은 온도 경화를 받는 두 부분(20', 20")의 전도성 재료가 높은 화학적 호환성을 갖기 때문이다.
상기 설명된 것으로부터, 접촉 부의 제조는 모듈 자체의 제조 과정에서 만들어지며 결과적으로 전체 제조 과정을 뒤따른다.
다음 설명에서는, 광 전기 화학 모듈의 제조 단계가 상세히 설명되며, 본 발명에 따라 수직 접촉 부(contact)의 제조 과정과 관련된 내용을 포함한다. 이는 기판으로부터 전도성 코팅 스트립의 국부적으로 제거하며, 전해액의 주입을 위한 구멍을 만들고, 그리고 아세톤과 에탄올로 기판을 세척하면서 시작된다. 다음에, 기판에 대하여 500℃로 소성이 수행되고, 냉각 후에, 높은 소결 온도로 전도성 재료의 페이스트 스트립이 두 기판상에서 증착되며, 그리고 건조된다. 그 뒤에, 상기 기판상에서 광 전극 재료(바람직하게는 TiO2) 그리고 카운터 전극 재료(바람직하게는 백금)가 제각기 증착된다. 다음에, 기판의 500-520℃에서 기판의 소성(firing)이 수행되며(따라서 수직 연결 요소의 대향하는 스트립 전도성 재료의 소결(sintering)을 얻는다), 광 전극의 스테이닝(staining)이 수행된다. 이 같은 시점에서, 폐쇄 단계가 수행된다; 봉합재가 상대 전극으로 적용되고 낮은 소결 온도를 갖는 전도성 페이스트가 앞서 증착되고 이미 소결된 접촉 부 요소에 대응하여 증착된다. 다음에 상기 두 기판(그리고 단일 셀 들 그리고 접촉 부 요소를 갖는)의 온도가 맞춰진다(mated)(사용된 봉합재에따라, 100℃ 그리고 일반적으로는 70℃ 와 170℃ 사이의 온도 범위). 상기 모듈을 완성시키기 위해 전해액이 주입된다.
바람직한 실시 예에 따라, 접촉 부를 만드는 처리를 고립시킴으로써, 상기 처리는 에탄올, 이소프로필 알코올, 아세톤으로부터 선택된 용제로 기판을 세척하고 그리고 500℃에서 뒤이어 소성(firing)함을 포함한다. 다음에, 실버(또는 광 전기 화학 셀 들 사이에 접촉 부를 만들기 위해 사용 될 수 있는 것들로부터 선택된 다른 전도성 재료)를 기반으로 하는 입자 상태의 전도성 페이스트를 증착시킨다. 이때의 페이스트는 상기 모듈의 뒤 따르는 제조 단계 동안에 500-520℃에서 경화되고 결과적으로 소결된다. 그와 같이 높은 온도에서 소결시킨 뒤에, 다양한 유기 바인더 및 전도성 페이스가 증발하며, 거의 은(실버), 납 그리고 유리 잔여물로 구성된 접촉 부를 만든다. 이와 같은 온도에서, 결과의 접촉 부는 하소(calcination)를 받게되며, 입자들의 집합이 큰 입자들을 형성시키고 다공성을 줄이며, 따라서 콤팩트하고 전도성이 높다. 또한, 항상 온도의 효과로서, 상기 접촉 부가 상기 전도성 코팅으로 시일(seal)된다.
기판들을 메이팅(mating)하는 단계에서, 봉합재가 상대 전극에서 적용되며, 이미 하소된 접촉 부의 해당부분에서, 낮은 포인트의 하소를 갖는 전도성 페이스트가 적용된다.
상기와 같은 페이스트는 높은 밀도의 전도성 재료 특성을 갖는데, 이는 전도성 재료 페센트가 80% 에 이르는 Dupont Solamet PV410 Silver Conductor 페이스트 정보자료로 부터 알수 있으며, 이는 일반적으로 에틸셀룰로오즈(또는 선택적으로; 하이드로 에틸셀룰로오즈 또는 폴리에틸렌 글리콜(PEG) 또는 카보박스 또는 테르피네올(Carbovax or Terpineol) 또는 에탄올 또는 이들의 조합)를 기반으로 하는 유기 캐리어를 기초로 하는 특정 제형과 함께, 모든 잔여물들을 제거하기 위해 그와 같은 온도로 되지 않는 다해도 저항성이 거의 없는 접촉 부들을 실현할 수 있도록 한다.
모듈 실링(캡슐화에 의함)은 100-170℃ 범위에서 발생되며, 낮은 소결 온도를 갖는 페이스트의 전도성 재료와 앞서 높은 온도 경화를 받는 두 부분(20', 20")의 전도성 재료의 높은 화학적 호환성 때문에, 상기 온도 범위는 두 기판들의 접촉 부 사이에서 영구 연결 브리지를 실현하는 데 충분하다.
실링(캡슐화에 의해)이 실온에서 실행되는 경우, 이 경우에도 상기 접촉 부가 보장되며; 그리고 장치를 실온 이상의 온도에서 수 시간 노출시키거나, 장치를 최종 사용 위치에서 설치함에 의해서도 개선될 수 있다(태양으로부터의 열이 장치를 사용하는 첫 날 접촉 부의 전도도를 증가시킨다).
제조 실시 예
제조의 실시 예로서, 모듈 DSC 10cm x 20cm의 제조가 보고되며, 17cm x 1cm 크기의 6개 셀 들이 본 발명의 명세 내용에 따라 직렬로 연결되었다.
강성(ridid)의 수직 접촉 부 증착이 전도성 페이스트 DuPont 7713를 사용하여 스크린프린팅에 의해 만들어졌으며, 상기 전도성 페이스트를 디스펜싱하여 상기 접촉 부의 증착을 위해 Dupont PV410가 사용되었다.
수직 접촉 부에 대한 상기 조합의 제조 기술(스크린프린팅+디스펜싱)이 다음의 단계들에 따라 수행되었다:
1) 실버 페이스트7713의 다섯 개 스트립들이 두 유리 기판(상대 전극 및 광 전극) 모두위에 스크린프린팅하여 증착된다. 상기 사용된 스크린메쉬는 6개의 셀 들을 연결하기 위해 0,5mm 크기와 17cm 길이(0,5mm large and 17cm long)를 갖는 5개의 수직 접촉 부를 배치하도록(depose) 디자인되었다.
2) 상기 실버 페이스트는 525℃의 오븐에서 경화되며, 따라서 소결되었다. 일단 소결되면, 상기 접촉 부는 유리 기판 각각에 대하여 두께가 8마이크론이다.
3) 실버 전도성 페이스트의 층(pv 410)이 앞서 소결된 실버 스트립과 일치하도록, 단일 전극상에서 디스펜싱 머신에 의해 증착되었다.
도 5는 얻어진 모듈의 전기적 특징에 대한 도표이며, 상기 모듈 전류 및 전력은 동작 전압의 변경을 위해 제공된다. 또한, 본 장치의 특성 매개 변수 즉, 최대 전력(Pmax), 단락 전류(Isc), 개방 회로 전압(Voc), 최대 전력 전류(Imax), 최대 출력 전압(Vmax), 효율성(Eff) 그리고 채움 팩터(FF)들이 보고된다.
종래 기술에 따라 만들어진 접촉 부의 경우, 적절한 스트럭츄어가 부족하고 기계적 및 열적 스트레스로 인해 시간이 지남에 따라 이들 성능이 크게 악화되는 경향이 있는 반면(종래 기술에 따른 접촉 부로 만들어진 Z-연결을 갖는 모듈들은 4-5% 효율의 초기 값으로부터 단지 0.5%의 값으로 변경된다), 본 발명에 따라 만들어진 접촉 부는 보다 좋은 성능을 유지한다(본 발명의 접촉 부로 만들어진 Z-연결을 갖는 모듈들은 반복된 열 스트레스가 있은 후에도 약 3.5%의 효율 값을 유지할 수 있는 것으로 입증되었다).
이론에 제한받지 않고, 수직 접촉 부가 두 번 배치됨으로써(그 자체만으로도 전기적 연결을 보장하게될 두 번의 처리에의해), 그와 같은 사실은 접촉 부 실현에 개선된 신뢰도를 제공한다. 또한, 층(layer)이 최소 탄성도를 유지하도록 하는 온도로 경화되도록 하는 중간 층이 존재함에 의해, 본 발명 솔루션은 가열의 결과로서 수직 접촉 부가 영향을 받지 않고, 모듈이 팽창하도록 하며 중간층이 그와 같은 팽창에 적응할 수 있도록 한다.
또한, 상기 중간층의 낮은 전도도, 그리고 특히 그 같은 층이 만들어진 재료 종류에서 전형적인, 상기 중간층의 낮은 인터페이스 전도도는 중간층의 전도성 재료와 높은 온도에서 경화되는 층의 전도도 재료의 높은 친화성에 의해 보상된다.
이와 같이 하여 제조된 접촉 부의 온도와의 안정도를 설명하기 위해 다음과 같은 테스트가 수행되었다. 상기 테스트된 모듈은 다음과 같은 특징과 컴포넌트들을 갖는다:
- 6개의 셀들((각각 17cm x 1cm)
- 간격:4mm
- 유리: 3mm TEC8
- TiO2: DSL-18NRT Dyesol 이중 층
- 다이(Dye): N719 Dyesol
- 전해액(Electrolyte) HSE Dyesol
- 봉합재(Encapsulant) Bynel 60 Solaronix
상기 장치는 20℃ 및 80℃ 온도에서 태양 시뮬레이터(1 태양)아래에서 측정되었다. 상기 얻어진 결과는 도 6 및 7에서 도시되며, 도 6은 온도의 함수로서 효율에 대한 그래프이고 도 7은 앞서 설명된 바와 같이 얻어진 4개 모듈의 온도에 대한 함수로서 채움 팩터(fill factor)의 그래프이다.
도 6과 7에서 도시된 결과는 여전히 높은 온도에서도 보장된다(도면에서 도시된 성능의 디케이(decay)는 셀을 만드는 재로의 온도 동작으로 인하며 수직 접촉 부의 손실에 기인하는 것이 아니다).
본 발명은 바람직한 실시 예에 따라 비 제한적인 목적으로 설명되었다. 그러나, 청구범위에서 청구한 바와 같이, 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 한도에서 다양한 변경 및/또는 수정이 만들어질 수 있음이 당업자에게 자명한 것이다.

Claims (10)

  1. 대향된 2개의 기판(10)들 사이에 나란히 배열되는 복수의 광 전기화학 셀들을 포함하는 광 전기화학 셀들의 수직 전기 연결 요소에 있어서,
    대향된 상기 2개의 기판들 중 적어도 하나는 투명 또는 반투명이고, 대향된 상기 2개의 기판은 대향된 기판을 향하는 면 상에 전기 전도성 코팅(11)으로 덮이며, 상기 전기 전도성 코팅은 대응하는 개수의 인터럽션(12)에 의해 전기적으로 단절된 복수의 나란한 영역들로 나누어지고, 상기 수직 전기 연결 요소는 광 전기화학 셀과 전기적으로 접촉하는 기판(10)의 전기 전도성 코팅(11)의 전기적 단절 영역과, 다른 인접한 광 전기화학 셀과 접촉하는, 대향된 기판(10)의 전기 전도성 코팅(11)의 전기적 단절 영역 사이에 배열되며,
    상기 수직 전기 연결 요소는 3개의 겹쳐지는 부분들, 즉, 개별적인 2개의 부분(20', 20")과 하나의 중간 개재 부분(21)으로 구성되고, 상기 2개의 부분(20', 20")은 상기 광 전기화학 셀의 경계를 형성하는 대향된 상기 2개의 기판(10) 각각의 전기 전도성 코팅(11)과 각자 연결되고, 상기 2개의 부분(20', 20")은 상기 전기 전도성 코팅(11)과 일체인 전도성 물질의 복수의 소결 입자로 이루어지며, 2개의 기판(11) 각각의 전기 전도성 코팅과 결합된 상기 2개의 부분(20', 20")의 높이의 합은 상기 2개의 기판(10)의 상기 전기 전도성 코팅(11)들 사이의 거리보다 작고,
    상기 중간 개재 부분(21)은 2개의 기판(10) 각각의 전기 전도성 코팅(11)과 결합된 상기 2개의 부분(20', 20")을 둘러싸고 결합하며, 상기 중간 개재 부분(21)은 상기 2개의 부분(20', 20")의 높이의 합이 상기 2개의 기판(10)의 전기 전도성 코팅(11)들 사이의 거리보다 작을 경우 상기 2개의 부분(20', 20") 사이에 임의의 갭을 충전하고, 상기 중간 개재 부분(21)은 폴리머 또는 에폭시 수지 또는 유기 바인더를 단독으로 또는 조합하여 포함하는 매트릭스에 의해 구성되는 전도성 물질로 이루어지며, 상기 매트릭스 내에 전도성 물질 입자 또는 전도성 폴리머 입자들이 분산되는
    광 전기화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소.
  2. 제1항에 있어서, 상기 2개의 기판(10) 각각의 전도성 코팅(11)과 결합된 상기 2개의 부분(20', 20")이 0.5보다 낮은 다공성(전체 체적에서 빈 공간의 체적으로 표시)을 가짐을 특징으로 하는 광 전기화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 기판(10) 각각의 전도성 코팅(11)과 결합된 상기 2개의 부분(20', 20")이 화학적 타입 결합으로 서로에게 소결된 입자들을 포함함을 특징으로 하는 광 전기화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 2개의 기판(10) 각각의 전도성 코팅(11)과 결합된 상기 2개의 부분(20', 20") 그리고 상기 전도성 코팅(11)이 기계적 타입 결합, 화학적 타입 결합 또는 이들 두 타입 결합의 조합으로 소결됨을 특징으로 하는 광 전기화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 두 기판(10) 각각의 전도성 코팅(11)과 결합된 상기 2개의 부분(20', 20")이 중량비 10% 미만의 일정량의 유기 용매와 바인더 잔여물을 포함함을 특징으로 하는 광 전기화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소.
  6. 제5항에 있어서, 상기 2개의 기판(10) 각각의 전도성 코팅(11)과 결합된 상기 2개의 부분(20', 20")이 중량비 0.1% 미만의 일정량의 유기 용매와 바인더 잔여물을 포함함을 특징으로 하는 광 전기화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중간 개재 부분(21)이 중량비 5%보다 많은 일정량의 유기 용매와 바인더 잔여물을 포함함을 특징으로 하는 광 전기화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소.
  8. 대향된 2개의 기판(10)들 사이에서 나란히 배열되는 광 전기화학 셀들의 수직 전기 연결 요소를 제조하는 방법에 있어서,
    대향된 상기 2개의 기판 중 적어도 하나는 투명 또는 반투명이고, 대향된 상기 2개의 기판은 대향된 기판을 향하는 면 상에서 전기 전도성 코팅(11)으로 덮이며, 상기 전기 전도성 코팅은 대응하는 개수의 인터럽션(12)을 이용하여 전기적으로 단절된 복수의 나란한 영역으로 나누어지고, 상기 방법은,
    - 광 전기화학 셀과 접촉하는 기판(10)의 전기 전도성 코팅(11)의 전기적 단절 영역과, 인접한 다른 광 전기화학 셀과 접촉하는 대향된 기판(10)의 전기 전도성 코팅(11)의 전기적 단절 영역 사이에 광 전기화학 모듈을 형성하도록, 이미 세척되고 소성(fired)되었으나 대응하는 대향 기판과 아직 접합되지 않은 각각의 기판 상에서, 전도성 물질 페이스트로 이루어진 스트립을 증착하는 단계와,
    - 300℃ 내지 500℃의 온도에서 기판을 소성(firing)하여, 미리 증착된 스트립의 전도성 물질의 소결을 획득하는 단계와,
    - 앞서 증착 및 소결된 물질의 스트립에 대응하여 추가의 전도성 물질 페이스트층을 증착하는 단계와,
    - 대향된 상기 2개의 기판들을 정합시키고, 그리고 이와 동시에, 70℃와 170℃ 사이 온도에서 상기 추가의 전도성 물질 페이스트층의 개재를 이용하여, 앞서 증착 및 소결된 물질의 스트립들을 정합시키는 단계를 포함하는,
    광 전기화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 기판을 소성하고 전도성 물질을 소결하는 단계가 520℃ 온도에서 발생함을 특징으로 하는 광 전기화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소 제조 방법.
  10. 제8항 또는 9항에 있어서, 대향된 기판들을 정합하는 단계가 100℃ 온도에서 발생함을 특징으로 하는 광 전기화학 셀 들의 수직 전기 연결 요소 제조 방법.
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