KR102002472B1 - 염료감응형 태양전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 본 발명에서는 <기판(예컨대, 하부 기판)에 구비된 전도성 물질층의 광 흡수층과의 접촉면에, 해당 광 흡수층의 수광면적 증가를 유도하기 위한 요철 형상을 형성시키는 조치>를 강구하고, 이를 통해, 광 흡수층 측에서, 별도의 무리한 두께 증가 없이, 단지, 요철 홈, 요철 면 등에 의해 정의되는 전도성 물질층의 요철 형상을 통해, 전/후, 좌/우, 상/하의 다양한 경로로 광선을 유입 받으면서, 자신의 수광 면적 또는 수광 량을 최적의 상태로 극대화시킬 수 있도록 유도함으로써, 결국, 태양전지 생산주체 측에서, 광 흡수층의 무리한 두께 증가에 기인한 각종 문제점(예컨대, 크랙이 발생하는 심각한 문제점, 재결합 발생확률이 증가하는 심각한 문제점 등)을 전혀 겪지 않으면서도, 제품의 전류 생산량 증가에 대한 최근의 다양한 요구에 효과적으로 대처할 수 있도록 가이드 할 수 있다.

Description

염료감응형 태양전지{Dye-sensitized solar cell}
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 <기판(예컨대, 하부 기판)에 구비된 전도성 물질층의 광 흡수층과의 접촉면에, 해당 광 흡수층의 수광면적 증가를 유도하기 위한 요철 형상을 형성시키는 조치>를 강구하고, 이를 통해, 광 흡수층 측에서, 별도의 무리한 두께 증가 없이, 단지, 요철 홈, 요철 면 등에 의해 정의되는 전도성 물질층의 요철 형상을 통해, 전/후, 좌/우, 상/하의 다양한 경로로 광선을 유입 받으면서, 자신의 수광 면적 또는 수광 량을 최적의 상태로 극대화시킬 수 있도록 유도함으로써, 결국, 태양전지 생산주체 측에서, 광 흡수층의 무리한 두께 증가에 기인한 각종 문제점(예컨대, 크랙이 발생하는 심각한 문제점, 재결합 발생확률이 증가하는 심각한 문제점 등)을 전혀 겪지 않으면서도, 제품의 전류 생산량 증가에 대한 최근의 다양한 요구에 효과적으로 대처할 수 있도록 가이드 할 수 있는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.
최근, 전기/전자/재료 관련 기술이 급격한 발전을 이루면서, 다양한 유형의 연료감응형 태양전지가 폭 넓게 개발/보급되고 있다.
예를 들어, 국내공개특허 제10-2012-114888호(명칭: 염료감응 태양전지용 봉지재 및 이를 이용한 염료감응 태양전지의 봉지방법)(2012.10.17.자 공개), 국내등록특허 제10-1223736호(명칭: 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지)(2013.1.21.자 공고) 등에는 종래의 기술에 따른 연료감응형 태양전지의 일례가 좀더 상세하게 개시되어 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 연료감응형 태양전지(10)는 전도성 물질층(13,14)을 각기 구비하는 글래스 재질의 상/하부 기판(11,12)과, 상기 상/하부 기판(11,12) 사이에 개재된 상태에서, 내부격벽(15)에 의해 상호 분리되며, 상/하부 기판(11,12)을 따라 배열되면서, 전해질을 수용하는 다수의 전해질 수용 셀(16)과, 하부 기판(12) 상에 배치되는 광 흡수층(18)과, 광 흡수층(18)과 마주보도록 상기 상부 기판(11) 상에 배치되는 상대전극(17)이 체계적으로 조합된 구성을 취하게 된다. 이 경우, 광 흡수층(18) 및 상대전극(17)은 상황에 따라, 그 배치위치를 서로 바꿀 수도 있게 된다.
이때, 광 흡수층(18) 측에서는 나노 사이즈의 금속산화물 입자(예컨대, TiO3 입자)에 염료가 흡착된 구조를 이루면서, 광원으로부터 입사되는 광선을 흡수하고, 이를 토대로, 전류를 발생시키는 역할을 수행하게 된다.
이러한 종래의 체제 하에서, 상술한 바와 같이, 각 전해질 수용 셀(16)에 상응하는 각 광 흡수층(18)은 금속산화물 입자(예컨대, TiO3 입자)에 염료가 흡착된 구조를 이루면서, 광원으로부터 입사되는 광선을 흡수하고, 그에 상응하는 전류를 발생시키는 역할을 수행하게 되는 바, 이 상황에서, 태양전지 생산주체 측에서, 만약, 광 흡수층(18)의 두께를 자유롭게 증가시킬 수 있게 된다면, 해당 태양전지 생산주체 측에서는 별다른 어려움 없이, 염료감응형 태양전지(10)의 전체적인 전류 생산량이 크게 증가하는 이점을 유연하게 향유할 수 있게 될 것이다.
이는, 광 흡수층(18)의 두께가 증가하게 된다면, 해당 광 흡수층(18)이 흡수할 수 있는 광선의 양 또한 광 흡수층(18)의 두께 증가에 비례하여 커지게 되고, 그 결과, 광 흡수층(18)이 발생시킬 수 있는 전류의 양 역시 크게 증가할 수 있게 되기 때문이다.
하지만, 현실적으로, 태양전지 생산주체 측에서는 염료감응형 태양전지(10)의 전체적인 전류 생산량을 증가시키는데 있어서 큰 어려움을 겪고 있는 실정이다.
이는, 광 흡수층(18)은 그 두께 증가에 제한이 있어서, 만약, 그 두께가 일정 수준(예컨대, 15nm~20nm 정도)을 넘어서게 될 경우, 예를 들어, 크랙(Crack)이 발생하는 심각한 문제점, 재결합(Recombination) 발생확률이 증가하는 심각한 문제점 등을 불가피하게 일으키기 때문이다.
결국, 상술한 광 흡수층(18)의 두께증가 제한상황 하에서, 태양전지 생산주체 측에서는 제품의 전류 생산량 증가에 대한 다양한 요구가 있음에도 불구하고, 그에 효과적으로 대처할 수 없는 곤란한 상황에 수시로 놓일 수밖에 없게 된다.
국내공개특허 제10-2012-114888호(명칭: 염료감응 태양전지용 봉지재 및 이를 이용한 염료감응 태양전지의 봉지방법)(2012.10.17.자 공개) 국내등록특허 제10-1223736호(명칭: 염료감응 태양전지용 전해질 및 이를 이용한 염료감응 태양전지)(2013.1.21.자 공고)
따라서, 본 발명의 목적은 <기판(예컨대, 하부 기판)에 구비된 전도성 물질층의 광 흡수층과의 접촉면에, 해당 광 흡수층의 수광면적 증가를 유도하기 위한 요철 형상을 형성시키는 조치>를 강구하고, 이를 통해, 광 흡수층 측에서, 별도의 무리한 두께 증가 없이, 단지, 요철 홈, 요철 면 등에 의해 정의되는 전도성 물질층의 요철 형상을 통해, 전/후, 좌/우, 상/하의 다양한 경로로 광선을 유입 받으면서, 자신의 수광 면적 또는 수광 량을 최적의 상태로 극대화시킬 수 있도록 유도함으로써, 결국, 태양전지 생산주체 측에서, 광 흡수층의 무리한 두께 증가에 기인한 각종 문제점(예컨대, 크랙이 발생하는 심각한 문제점, 재결합 발생확률이 증가하는 심각한 문제점 등)을 전혀 겪지 않으면서도, 제품의 전류 생산량 증가에 대한 최근의 다양한 요구에 효과적으로 대처할 수 있도록 가이드 하는데 있다.
본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 첨부된 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 전도성 물질층을 구비하는 상/하부 기판과; 상기 상/하부 기판 사이에 개재된 상태에서, 내부격벽에 의해 상호 분리되며, 상/하부 기판을 따라 배열되면서, 전해질을 수용하는 전해질 수용 셀과; 상기 하부 기판 상에 배치되는 광 흡수층과; 상기 광 흡수층과 마주보도록 상기 상부 기판 상에 배치되는 상대전극을 포함하며, 상기 하부 기판에 구비된 전도성 물질층은 상기 광 흡수층의 수광면적 증가를 위하여, 상기 광 흡수층과의 접촉면이 요철 형상을 이루고, 상기 요철 형상은 상기 하부 기판의 표면을 노출시키는 요철홈 및 상기 요철홈을 형성하는 요철 면으로 정의되며, 상기 광 흡수층의 하부 면은 상기 요철 형상의 요철 홈을 따라 유입되어, 상기 하부 기판의 표면 및 요철 형상의 요철 면과 다각도로 접촉되면서, 상기 광 흡수층에 대한 광선의 유입경로를 전/후, 좌/우 및 상/하로 다양화시키는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지를 개시한다.
본 발명에서는 <기판(예컨대, 하부 기판)에 구비된 전도성 물질층의 광 흡수층과의 접촉면에, 해당 광 흡수층의 수광면적 증가를 유도하기 위한 요철 형상을 형성시키는 조치>를 강구하기 때문에, 본 발명의 구현환경 하에서, 광 흡수층 측에서는, 별도의 무리한 두께 증가 없이, 단지, 요철 홈, 요철 면 등에 의해 정의되는 전도성 물질층의 요철 형상을 통해, 전/후, 좌/우, 상/하의 다양한 경로로 광선을 유입 받으면서, 자신의 수광 면적 또는 수광 량을 최적의 상태로 극대화시킬 수 있게 되며, 결국, 태양전지 생산주체 측에서는, 광 흡수층의 무리한 두께 증가에 기인한 각종 문제점(예컨대, 크랙이 발생하는 심각한 문제점, 재결합 발생확률이 증가하는 심각한 문제점 등)을 전혀 겪지 않으면서도, 제품의 전류 생산량 증가에 대한 최근의 다양한 요구에 효과적으로 대처할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 기술에 따른 염료감응형 태양전지를 개념적으로 도시한 예시도.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지를 개념적으로 도시한 예시도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 연료감응형 태양전지(20)는 전도성 물질층(23,24)을 각기 구비하는 글래스 재질의 상/하부 기판(21,22)과, 상기 상/하부 기판(21,22) 사이에 개재된 상태에서, 내부격벽(25)에 의해 상호 분리되며, 상/하부 기판(21,22)을 따라 배열되면서, 전해질을 수용하는 다수의 전해질 수용 셀(26)과, 하부 기판(22) 상에 배치되는 광 흡수층(28)과, 상기 광 흡수층(28)과 마주보도록 상기 상부 기판(21) 상에 배치되는 상대전극(27)이 체계적으로 조합된 구성을 취하게 된다. 이 경우에도, 광 흡수층(28) 및 상대전극(27)은 상황에 따라, 그 배치위치를 서로 바꿀 수도 있게 된다.
이때, 광 흡수층(28) 측에서는 금속산화물 입자(예컨대, TiO3 입자)에 염료가 흡착된 구조를 이루면서, 광원으로부터 입사되는 광선을 흡수하고, 이를 토대로 전류를 발생시키는 역할을 수행하게 된다.
물론, 이러한 본 발명의 체제 하에서도, 광 흡수층(28)의 두께가 증가하게 된다면, 해당 광 흡수층(28)이 흡수할 수 있는 광선의 양 또한 광 흡수층(28)의 두께 증가에 비례하여 커지게 되고, 그 결과, 광 흡수층(28)이 발생시킬 수 있는 전류의 양 역시 크게 증가할 수 있게 되기 때문에, 만약, 태양전지 생산주체 측에서, 광 흡수층(28)의 두께를 자유롭게 증가시킬 수 있게 된다면, 해당 태양전지 생산주체 측에서는 별다른 어려움 없이, 염료감응형 태양전지(20)의 전체적인 전류 생산량이 크게 증가하는 이점을 유연하게 향유할 수 있게 될 것이다.
하지만, 상술한 바와 같이, 상기 광 흡수층(28)은 그 두께 증가에 제한이 있어서, 만약, 그 두께가 일정 수준(예컨대, 15nm~20nm 정도)을 넘어서게 될 경우, 예를 들어, 크랙(Crack)이 발생하는 심각한 문제점, 재결합(Recombination) 발생확률이 증가하는 심각한 문제점 등을 불가피하게 일으키기 때문에, 별다른 조치가 취해지지 않는 한, 태양전지 생산주체 측에서는 염료감응형 태양전지(20)의 전체적인 전류 생산량을 증가시키는데 있어서 큰 어려움을 겪을 수밖에 없게 된다.
이러한 민감한 상황 하에서, 본 발명에서는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 기판, 예컨대, 하부 기판(22)에 구비된 전도성 물질층(24)의 광 흡수층(28)과의 접촉면에, 해당 광 흡수층(28)의 수광면적 증가를 유도하기 위한 요철 형상(24c)을 형성시키는 조치를 강구하게 된다. 이 경우, 요철 형상(24c)은 하부 기판(22)의 표면(22a)을 노출시키는 요철 홈(24a), 요철 홈(24a)을 형성하는 요철 면(24b) 등에 의해 정의되는 구조를 취하게 된다.
이때, 본 발명에서는 일련의 코팅 공정을 진행시켜, 하부 기판(22) 상에, 예컨대, FTO(Fluorine Tin Oxide) 재질을 가지는 전도성 물질층(24)을 예컨대, 300nm~400nm 정도의 두께로 형성시킨 후, 형성 완료된 전도성 물질층(24)을 대상으로 일련의 물리적 패턴 공정(예컨대, 레이저를 이용한 물리적 패턴 공정 등), 일련의 화학적 패턴 공정(예컨대, Zinc의 화학적 반응을 이용한 화학적 패턴 공정 등) 등을 선택적으로 진행시키고, 이를 통해, 도 3에 도시된 바와 같이, 전체적으로 육면체 패턴을 반복적으로 가지면서, <하부 기판(22)의 표면(22a)을 노출시키는 요철 홈(24a)>, <요철 홈(24a)을 형성하는 요철 면(24b)> 등에 의해 정의되는 본 발명 고유의 요철 형상(24c)을 형성하는 절차를 진행하게 된다.
물론, 본 발명의 요철 형상(24c)이 이루는 전체적인 패턴 유형은 상기 육면체 패턴 이외에도, 상황에 따라 다양한 변형을 이룰 수 있다.
상술한 바와 같이, 예컨대, 전체적으로 육면체 패턴을 반복적으로 가지면서, <하부 기판(22)의 표면(22a)을 노출시키는 요철 홈(24a)>, <요철 홈(24a)을 형성하는 요철 면(24b)> 등에 의해 정의되는 본 발명 고유의 요철 형상(24c)이 형성된 상황 하에서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 기판(22)에 구비된 전도성 물질층(24)의 상부에 광 흡수층(28)이 형성되게 되면, 광 흡수층(28)의 하부면(28a)은 요철 형상(24c)의 요철 홈(24a)을 따라 빠르게 유입되면서, 하부 기판(22)의 표면, 요철 형상(24c)의 요철 면(24b) 등과 다각도로 접촉되는 구조를 이루게 된다(도 2 참조).
물론, 상술한 절차를 통해, 광 흡수층(28)의 하부면(28a)이 요철 형상(24c)의 요철 홈(24a)을 따라 빠르게 유입되면서, 하부 기판(22)의 표면(22a), 요철 형상(24c)의 요철 면(24b) 등과 다각도로 접촉되는 구조를 이루게 되면(도 2 참조), 광 흡수층(28) 측에서는 별다른 어려움 없이, 광선의 유입 경로를 자신의 전/후, 좌/우, 상/하로 다양화시킬 수 있게 된다.
당연하게도, 광 흡수층(28)이 자신의 하부면(28a)을 하부 기판(22)의 표면(22a), 요철 형상(24c)의 요철 면(24b) 등과 다각도로 접촉시켜, 광선의 유입 경로를 자신의 전/후, 좌/우, 상/하로 다양화시킬 수 있게 되는 경우, 광 흡수층(28) 측에서는 무리한 두께 증가 없이도, 자신의 수광 면적 또는 수광 량을 최적의 상태로 극대화시킬 수 있게 되며, 결국, 자신이 생산할 수 있는 전류의 양 역시 최대한으로 증가시킬 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 <예컨대, 하부 기판(22)에 구비된 전도성 물질층(24)의 광 흡수층(28)과의 접촉면에, 해당 광 흡수층(28)의 수광면적 증가를 유도하기 위한 요철 형상(24c)을 형성시키는 조치>를 강구하기 때문에, 본 발명의 구현환경 하에서, 광 흡수층(28) 측에서는, 별도의 무리한 두께 증가 없이, 단지, 요철 홈(24a), 요철 면(24b) 등에 의해 정의되는 전도성 물질층(24)의 요철 형상(24c)을 통해, 전/후, 좌/우, 상/하의 다양한 경로로 광선을 유입 받으면서, 자신의 수광 면적 또는 수광 량을 최적의 상태로 극대화시킬 수 있게 되며, 결국, 태양전지 생산주체 측에서는, 광 흡수층(28)의 무리한 두께 증가에 기인한 각종 문제점(예컨대, 크랙이 발생하는 심각한 문제점, 재결합 발생확률이 증가하는 심각한 문제점 등)을 전혀 겪지 않으면서도, 제품의 전류 생산량 증가에 대한 최근의 다양한 요구에 효과적으로 대처할 수 있게 된다.
이러한 본 발명은 특정 분야에 국한되지 아니하며, 태양전지의 활용이 필요한 여러 분야에서, 전반적으로 유용한 효과를 발휘한다.
그리고, 앞에서, 본 발명의 특정한 실시 예가 설명되고 도시되었지만 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다.
이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구의 범위 안에 속한다 해야 할 것이다.
10,20: 염료감응형 태양전지
11.21: 상부 기판
12,22: 하부 기판
13,23,14,24: 전도성 물질층
24a: 요철 홈
24b: 요철 면
24c: 요철 형상
15,25: 내부격벽
16,26: 전해질 수용 셀
17,27: 상대 전극
18,28(28a): 광 흡수층

Claims (2)

  1. 전도성 물질층을 구비하는 상/하부 기판과;
    상기 상/하부 기판 사이에 개재된 상태에서, 내부격벽에 의해 상호 분리되며, 상/하부 기판을 따라 배열되면서, 전해질을 수용하는 전해질 수용 셀과;
    상기 하부 기판 상에 배치되는 광 흡수층과;
    상기 광 흡수층과 마주보도록 상기 상부 기판 상에 배치되는 상대전극을 포함하며,
    상기 하부 기판에 구비된 전도성 물질층은 상기 광 흡수층의 수광면적 증가를 위하여, 상기 광 흡수층과의 접촉면이 요철 형상을 이루고,
    상기 요철 형상은 상기 하부 기판의 표면을 노출시키는 요철홈 및 상기 요철홈을 형성하는 요철 면으로 정의되며,
    상기 광 흡수층의 하부 면은 상기 요철 형상의 요철 홈을 따라 유입되어, 상기 하부 기판의 표면 및 요철 형상의 요철 면과 다각도로 접촉되면서, 상기 광 흡수층에 대한 광선의 유입경로를 전/후, 좌/우 및 상/하로 다양화시키는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 요철 형상은 상기 전도성 물질층을 대상으로 진행되는 물리적 패턴 공정 또는 화학적 패턴 공정에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지.
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