KR102162099B1 - Dye sensitized solar cell having a plurality of photoelectrodes and s-shaped gel type agar electrolyte - Google Patents
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Abstract
Description
본 개시는, 염료감응형 태양전지에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 복수의 광전극과 겔형 한천 전해질을 포함하는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다.The present disclosure relates to a dye-sensitized solar cell, and more specifically, to a dye-sensitized solar cell comprising a plurality of photoelectrodes and a gel-type agar electrolyte.
우리나라 1인당 전기 사용량은 해가 갈수록 급격히 증가해왔고, 2000년대를 넘어서면서는 홍콩과 일본을 제치며 급증하는 추세를 보이고 있다. 2018년 기준 우리나라 국민 1인당 전기사용량은 10.2MWh로 종전의 역대 최고치를 경신하였고, 가정용 전기사용량은 연간 5.2MWh로 전년보다 4.8% 늘었다는 보고가 있다. 그런데, 우리나라도 여타의 산업국가들과 마찬가지로 주로 화석연료의 연소를 통해 전기 생산을 하는데, 이는 여러가지 환경 문제를 수반하고 있어서 문제가 되고 있다. 예컨대, 전기 생산을 위한 화석연료의 연소에서 발생하는 이산화탄소 등은 지구 온난화의 주요 원인 중 하나로 알려져 있고, 화석연료의 채굴 및 정제 과정에 수반되는 수질과 토양 오염 또한 매우 심각한 수준에 이르렀다. 무엇보다도 화석연료는 자원의 유한성이라는 매우 큰 문제에 직면하고 있다.Korea's per capita electricity consumption has been increasing rapidly each year, and beyond the 2000s, it is showing a rapid increase, beating Hong Kong and Japan. As of 2018, Korea's per capita electricity consumption was 10.2MWh, a record high, and it is reported that household electricity consumption was 5.2MWh per year, an increase of 4.8% from the previous year. By the way, Korea, like other industrial countries, mainly produces electricity through the combustion of fossil fuels, which is a problem because it involves various environmental problems. For example, carbon dioxide generated from the combustion of fossil fuels for electricity generation is known as one of the main causes of global warming, and water and soil pollution accompanying the extraction and refining process of fossil fuels has also reached very serious levels. Above all, fossil fuels face a very big problem of finite resources.
이러한 상황에서 화석연료를 대체할 수 있는 신재생 에너지에 대한 요구가 커져가고 있고, 그 중에서도 가격 경쟁력 및 안전성이 높고 유지 보수가 용이한 태양광 발전이 많은 주목을 받고 있다. 특히, 최근에는, 염료감응형 태양전지(Dye Sensitized Solar Cell; DSSC)가, 실리콘 또는 박막 태양전지 등 종래의 태양전지에 비해 생산 단가가 현저히 낮고, 반도체 접합 대신 전기 화학적 원리에 의해서 전기를 생산하여 친환경적이라는 점에서, 3세대 태양전지로 떠오르고 있다. In this situation, there is a growing demand for renewable energy that can replace fossil fuels, and among them, photovoltaic power generation, which has high price competitiveness, high safety, and easy maintenance, is attracting much attention. In particular, in recent years, dye-sensitized solar cells (DSSC) have a significantly lower production cost compared to conventional solar cells such as silicon or thin film solar cells, and generate electricity based on electrochemical principles instead of semiconductor bonding. In terms of being eco-friendly, it is emerging as a third-generation solar cell.
통상, 염료감응형 태양전지는, 투명 도전성 기판과, 그 위에 배치된 광흡수층(광감응성 염료 및 TiO2 등 광촉매 금속산화물 나노입자를 포함함)과, 산화-환원 반응용 전해질과, 전해질 환원을 위한 상대전극을 포함한 구조를 갖는다. 염료감응형 태양전지의 경우, 태양광이 입사하면 태양광을 흡수한 광감응성 염료가 여기 상태(excited state)가 되어 전자를 금속산화물의 전도대로 보낸다. 전도된 전자는 투명전극으로 이동한 후 외부 회로로 흘러가서 전기 에너지를 전달한 후 상대전극으로 이동한다. 태양광 흡수에 의해 산화된 광감응성 염료는 전해질로부터 전자를 공급받아 원래 상태로 환원되고, 이때 전해질은 상대전극으로부터 전자를 받아 광감응성 염료에 전달하는 역할을 담당한다. In general, a dye-sensitized solar cell includes a transparent conductive substrate, a light absorbing layer disposed thereon (including a photosensitive dye and photocatalytic metal oxide nanoparticles such as TiO 2 ), an electrolyte for an oxidation-reduction reaction, and an electrolyte reduction. It has a structure including a counter electrode for In the case of a dye-sensitized solar cell, when sunlight is incident, a photosensitive dye absorbing sunlight enters an excited state and sends electrons to the conduction band of the metal oxide. Conducted electrons move to the transparent electrode, then flow to an external circuit, transfer electrical energy, and then move to the counter electrode. The photosensitive dye oxidized by absorption of sunlight receives electrons from the electrolyte and is reduced to its original state. At this time, the electrolyte plays a role of receiving electrons from the counter electrode and transferring them to the photosensitive dye.
이러한 염료감응형 태양전지는, 전술한 바와 같이, 생산 단가가 낮고 친환경적이라는 장점이 있지만, 전력 생산 효율이 다소 떨어진다는 단점이 있다. 최근에는, 전력 생산 효율의 증대를 위하여, 염료감응형 태양전지의 광 흡수 파장 영역을 넓히기 위한 다양한 방안의 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러한 연구 중에는, 예컨대 서로 다른 파장 영역의 빛을 흡수하는 둘 이상의 염료를 포함하는 광흡수층을 이용한 염료감응형 태양전지에 관한 연구가 포함된다. 그런데, 둘 이상의 염료를 포함하는 광흡수층을 형성하기 위해서는 복잡한 광전극 제조 과정을 거쳐야 하는바, 제조 단가의 상승 등을 유발하는 문제가 있다.Such a dye-sensitized solar cell, as described above, has the advantage of low production cost and eco-friendliness, but has a disadvantage in that power production efficiency is somewhat lowered. In recent years, in order to increase the power production efficiency, research on various methods for expanding the light absorption wavelength range of the dye-sensitized solar cell has been actively conducted. Among those studies, for example, a study on a dye-sensitized solar cell using a light-absorbing layer containing two or more dyes that absorbs light in different wavelength ranges. However, in order to form a light absorbing layer containing two or more dyes, a complicated photoelectrode manufacturing process has to be performed, which causes an increase in manufacturing cost.
본 개시는, 전술한 문제점을 해결하고자, 각기 다른 파장 영역의 광을 흡수하는 염료를 각각 이용하는 복수의 광전극을 하나의 셀에 적층하여 포함시킨 탠덤 구조의 염료 감응형 태양 전지를 제공하고자 한다.In order to solve the above-described problems, the present disclosure is to provide a tandem structure dye-sensitized solar cell in which a plurality of photoelectrodes each using dyes that absorb light in different wavelength ranges are stacked and included in one cell.
본 개시의 일 특징에 의하면, 염료감응형 태양전지 셀로서, 제1 광전극- 상기 제1 광전극은, 제1 투명 도전성 기판과, 상기 제1 투명 도전성 기판의 일측 상에 형성된 제1 파장 영역의 광 흡수 특성을 갖는 제1 염료를 포함한 제1 광흡수층을 포함하고, 상기 제1 광흡수층은 상기 염료감응형 태양전지 셀의 내측을 향하여 배치됨 -; 상기 제1 광전극의 상기 제1 광흡수층 하방에 배치된 제2 광전극- 상기 제2 광전극은, 제2 투명 도전성 기판과, 상기 제2 투명 도전성 기판의 일측 상에 형성된 제2 파장 영역의 광 흡수 특성을 갖는 제2 염료를 포함한 제2 광흡수층을 포함함 -; 상기 제2 광전극의 하방에 배치된 상대전극- 상기 상대전극은, 제3 투명 도전성 기판과, 상기 제3 투명 도전성 기판의 일측 상에 형성된 촉매층을 포함하고, 상기 상대전극은, 상기 촉매층이 상기 제2 광전극의 상기 제2 광흡수층에 대향하도록 배치됨 -; 및 상기 제1 광전극, 상기 제2 광전극, 그리고 상기 상대전극 사이를 연속하여 지나도록 배치된 전해질층- 상기 전해질층은, KNO3를 포함하는 겔형 한천 전해질을 포함함 -을 포함하는, 염료감응형 태양전지 셀이 제공된다.According to a feature of the present disclosure, as a dye-sensitized solar cell, a first photoelectrode- the first photoelectrode includes a first transparent conductive substrate and a first wavelength region formed on one side of the first transparent conductive substrate. A first light absorbing layer including a first dye having a light absorbing property of, wherein the first light absorbing layer is disposed toward the inside of the dye-sensitized solar cell; A second photoelectrode disposed under the first light absorbing layer of the first photoelectrode- The second photoelectrode includes a second transparent conductive substrate and a second wavelength region formed on one side of the second transparent conductive substrate. Comprising a second light absorbing layer including a second dye having light absorbing properties; A counter electrode disposed under the second photoelectrode- The counter electrode includes a third transparent conductive substrate and a catalyst layer formed on one side of the third transparent conductive substrate, and the counter electrode includes the catalyst layer. Arranged to face the second light absorbing layer of the second photoelectrode; And an electrolyte layer disposed to continuously pass between the first photoelectrode, the second photoelectrode, and the counter electrode-the electrolyte layer includes a gel-type agar electrolyte containing KNO 3- A responsive solar cell is provided.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 상기 제2 투명 도전성 기판의, 상기 제2 광흡수층이 형성된 상기 일측의 반대쪽 타측 상에 형성된 제2 촉매층- 상기 제2 촉매층은, 상기 제1 광전극의 상기 제1 광흡수층에 대향하도록 배치됨 -을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질층은, 상기 제1 광흡수층과 상기 제2 촉매층 사이, 상기 제2 광흡수층과 상기 상대전극의 상기 촉매층 사이를 연속하여 지나도록 배치되는 ㄷ자 형상을 가질 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, a second catalyst layer formed on the other side opposite to the one side of the second transparent conductive substrate on which the second light absorbing layer is formed-the second catalyst layer is the second catalyst layer of the first photoelectrode. 1 arranged to face the light absorption layer-may further include. The electrolyte layer may have a U shape disposed to continuously pass between the first light absorption layer and the second catalyst layer, and between the second light absorption layer and the catalyst layer of the counter electrode.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 광전극과 상기 제2 광전극 사이에 배치된 제2 상대전극- 상기 제2 상대전극은, 제4 투명 전도성 기판과, 상기 제4 투명 전도성 기판의 일측 상에 형성된 제2 촉매층을 포함하고, 상기 제4 투명 전도성 기판은, 상기 제2 촉매층이 상기 제1 광전극의 상기 제1 광흡수층에 대향하도록 배치됨 -을 더 포함할 수 있다. 상기 전해질층은, 상기 제1 광흡수층과 상기 제2 촉매층 사이, 상기 제4 투명 전도성 기판의 상기 제2 촉매층이 형성된 상기 일측의 반대쪽 타측과 상기 제2 투명 전도성 기판의 상기 제2 광흡수층이 형성된 상기 일측의 반대쪽 타측 사이, 그리고 상기 제2 광흡수층과 상기 상대전극의 상기 촉매층 사이를 연속하여 지나도록 배치되는 S자 형상을 가질 수 있다.According to an exemplary embodiment of the present disclosure, a second counter electrode disposed between the first photoelectrode and the second photoelectrode-the second counter electrode includes a fourth transparent conductive substrate and a fourth transparent conductive substrate. Including a second catalyst layer formed on one side, the fourth transparent conductive substrate, the second catalyst layer is disposed to face the first light absorption layer of the first photoelectrode-may further include. The electrolyte layer is formed between the first light absorbing layer and the second catalyst layer, the other side opposite to the one side of the fourth transparent conductive substrate on which the second catalyst layer is formed, and the second light absorbing layer of the second transparent conductive substrate It may have an S-shape disposed so as to continuously pass between the opposite side of the one side and between the second light absorption layer and the catalyst layer of the counter electrode.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 상기 제1 광흡수층이 형성된 상기 제1 광전극의 상기 제1 투명 도전성 기판의 상기 일측과, 상기 촉매층이 형성된 상기 상대전극의 상기 일측 사이에, 상기 염료감응형 태양전지 셀 내측에 포함된, 상기 제1 광전극의 상기 제1 광흡수층, 상기 전해질층, 상기 제2 광전극, 및 상기 상대전극의 상기 촉매층을 밀봉하도록 배치된, 밀봉재를 더 포함할 수 있다. 상기 밀봉재는, 상기 제1 투명 도전성 기판의 상기 일측 및 상기 상대전극의 상기 일측 각각에 대해, 에폭시, 카제인, 및 자외선 경화형 접착제 중 하나를 이용하여 접착될 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, between the one side of the first transparent conductive substrate of the first photoelectrode on which the first light absorption layer is formed and the one side of the counter electrode on which the catalyst layer is formed, the dye-sensitized type A sealing material disposed inside the solar cell, disposed to seal the first light absorbing layer, the electrolyte layer, the second photoelectrode, and the catalyst layer of the counter electrode of the first photoelectrode may be further included. . The sealing material may be adhered to each of the one side of the first transparent conductive substrate and the one side of the counter electrode using one of an epoxy, casein, and ultraviolet curable adhesive.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 상기 밀봉재는 유리판일 수 있다. 상기 제1 염료 및 제2 염료 중 적어도 하나는, 하나 이상의 천연 염료 물질을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, the sealing material may be a glass plate. At least one of the first dye and the second dye may include one or more natural dye materials.
본 개시의 실시예에 의하면, 하나의 태양광 전지 셀 안에, 각각 서로 다른 파장 영역의 광을 흡수할 수 있는 광흡수 염료 물질들을 이용한 복수의 광전극을 적층 배치함으로써 단위 면적당 광 이용 효율을 증가시키고, 그에 따라 단위 면적당 에너지 생산량이 증대되는 염료감응형 태양광 전지의 제공이 가능해진다. 본 개시의 실시예에 의하면, 또한 기존 고가의 고분자 막을 대신하여, KNO3를 첨가하여 전기전도성을 갖게 한 겔형 한천 배지를 전해질로 사용함으로써, 염료감응형 태양광 전지 내부의 복수의 전극 간 층상 구조를 유지하는 동시에, 액체 전해질을 사용하는 경우보다 사용상 안전성을 높이고 제조단가를 낮출 수 있다. According to an exemplary embodiment of the present disclosure, a plurality of photoelectrodes using light-absorbing dye materials capable of absorbing light of different wavelength regions are stacked and disposed in one solar cell, thereby increasing light utilization efficiency per unit area. Accordingly, it is possible to provide a dye-sensitized solar cell in which the amount of energy produced per unit area is increased. According to an embodiment of the present disclosure, a layered structure between a plurality of electrodes inside a dye-sensitized solar cell by using a gel-type agar medium obtained by adding KNO 3 to provide electrical conductivity as an electrolyte in place of the existing expensive polymer membrane. At the same time, it is possible to increase safety in use and lower manufacturing cost compared to the case of using a liquid electrolyte.
도 1은, 본 개시의 일 실시예에 따른 단일 전지 내 복수의 광전극 및 복수의 상대전극을 구비한 염료감응형 태양전지 셀(100)의 내부 구성을 보여주는 투명 사시 단면도이다.
도 2는, 도 1에 도시된 제1 광전극(100)의 금속산화물층(114) 및 제1 염료층(116)의 구조를 개념적으로 보여주는 도면이다.1 is a transparent perspective cross-sectional view showing an internal configuration of a dye-sensitized
FIG. 2 is a diagram conceptually showing the structures of the
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 개시의 실시예에 관하여 상세히 설명한다. 이하에서는, 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있다고 판단되는 경우, 이미 공지된 기능 및 구성에 관한 구체적인 설명을 생략한다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 어디까지나 본 개시의 일 실시예에 관한 것일 뿐 본 개시가 이로써 제한되는 것은 아님을 알아야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Hereinafter, when it is determined that there is a possibility that the subject matter of the present disclosure may be unnecessarily obscured, detailed descriptions of functions and configurations already known are omitted. In addition, it should be understood that the contents described below are only related to an embodiment of the present disclosure, and the present disclosure is not limited thereto.
본 개시에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 개시를 한정하려는 의도에서 사용된 것이 아니다. 예를 들면, 단수로 표현된 구성요소는 문맥상 명백하게 단수만을 의미하지 않는다면 복수의 구성요소를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다. 본 개시에서 사용되는 "및/또는"이라는 용어는, 열거되는 항목들 중 하나 이상의 항목에 의한 임의의 가능한 모든 조합들을 포괄하는 것임이 이해되어야 한다. 본 개시에서 사용되는 '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 본 개시 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐이고, 이러한 용어의 사용에 의해 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하려는 것은 아니다.The terms used in the present disclosure are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present disclosure. For example, a component expressed in the singular should be understood as a concept including a plurality of components unless the context clearly means only the singular. It is to be understood that the term "and/or" as used in this disclosure encompasses any and all possible combinations by one or more of the listed items. The terms "comprise" or "have" used in the present disclosure are only intended to designate the existence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the present disclosure. It is not intended to exclude the possibility of the presence or addition of one or more other features or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof by use.
덧붙여, 달리 정의되지 않는 한 기술적 또는 과학적인 용어를 포함하여, 본 개시에서 사용되는 모든 용어들은 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시에서 명백하게 달리 정의하지 않는 한 과도하게 제한 또는 확장하여 해석되지 않는다는 점을 알아야 한다.In addition, unless otherwise defined, all terms used in the present disclosure, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this disclosure belongs. Terms defined in a commonly used dictionary should be construed as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and it should be understood that they are not excessively limited or extended unless clearly defined otherwise in the present disclosure. .
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 개시의 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은, 본 개시의 일 실시예에 따른 단일 전지 내 복수의 광전극 및 복수의 상대전극을 구비한 염료감응형 태양전지 셀(100)의 내부 구성을 보여주는 투명 사시 단면도이다. 도 2는, 도 1에 도시된 제1 광전극(100)의 금속산화물층(114) 및 제1 염료층(116)의 구조를 개념적으로 보여주는 도면이다.1 is a transparent perspective cross-sectional view showing an internal configuration of a dye-sensitized
본 개시의 일 실시예에 의하면, 도시된 바와 같이, 염료감응형 태양전지 셀(100)은, 최외곽 상층에 제1 광전극(110)을 가질 수 있다. 제1 광전극(110)은, 투명 도전성 기판(112)과, 그 내측 표면 위에 배치된 금속산화물층(114) 및 제1 염료층(116)을 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, as shown, the dye-sensitized
염료감응형 태양전지 셀(100)는 또한 제1 광전극(110)의 반대쪽 최외곽에 제2 상대전극(120)을 가질 수 있다. 제2 상대전극(120)은, 투명 도전성 기판(122)과, 그 내측 표면 위에 배치된 촉매층(124)을 포함할 수 있다. 제1 광전극(110)과 제2 상대전극(120) 사이에는, 제1 상대전극(130)과 제2 광전극(140)이 순차 배치될 수 있다. 제1 상대전극(130)은, 투명 도전성 기판(132)과, 투명 도전성 기판(132)이 제1 광전극(110)과 대향하는 쪽 표면에 배치된 촉매층(134)을 포함할 수 있다. 제1 상대전극(130)은, 촉매층(134)이 배치된 표면이, 제1 광전극(110)의 제1 염료층(116)에 대향하도록 배치될 수 있다. 제2 광전극(140)은, 제1 상대전극(130)과 제2 상대전극(120) 사이에 배치될 수 있다. 제2 광전극(140)은, 투명 도전성 기판(142)과, 투명 도전성 기판(142)이 제2 상대전극(120)과 대향하는 쪽 표면에 배치된 금속산화물층(144) 및 제2 염료층(146)을 포함할 수 있다. 제2 광전극(140)의 제2 염료층(146)이 제2 상대전극(120)의 촉매층(124)에 대향하도록 배치될 수 있다. 본 도면에는, 제1 상대전극(130)과 제1 광전극(140)이 각각의 투명 도전성 기판(132, 142)을 포함하는 별도의 구성으로 도시되어 있으나 본 개시가 이로써 제한되는 것은 아니다. 본 개시의 다른 실시예에 의하면, 제1 상대전극(130) 및 제1 광전극(140)을 하나의 투명 도전성 기판 상에 형성할 수도 있다. 예컨대, 하나의 투명 전도성 기판의 일측에 촉매층을 형성하고, 반대쪽 타측에 광흡수층(금속산화물층 및 염료층)을 형성한 후, 그 일측의 촉매층이 제1 광전극(110)의 제1 염료층(116)에 대향하고, 그 타측의 광흡수층이 제2 상대전극(120)의 촉매층(124)에 대향하도록 해당 기판을 배치함으로써, 하나의 기판 상에 제1 상대전극과 제1 광전극을 형성할 수 있고, 이로써 제조 단가를 줄일 수 있다.The dye-sensitized
본 개시의 일 실시예에 의하면, 염료감응형 태양전지 셀(100)은, 전술한 적층 구조를 가진 각각의 전극들 사이에 연속하여 배치된 전해질층(150)을 포함할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 도시된 바와 같이, 제1 광전극(110)과 제1 상대전극(130) 사이, 제1 상대전극(130)과 제2 광전극(140) 사이, 그리고 제2 광전극(140)과 제2 상대전극(120) 사이에 연속하여 배치된 전해질층(150)을 포함할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 전해질층(150)은, 도시된 바와 같이, S자 형상을 그리며, 제1 광전극(110)과 제1 상대전극(130) 사이, 제1 상대전극(130)과 제2 광전극(140) 사이, 그리고 제2 광전극(140)과 제2 상대전극(120) 사이에 연속하여 배치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 개시의 다른 실시예에 따라, 예컨대 하나의 투명 전도성 기판을 이용하여 제1 상대전극 및 제2 광전극을 모두 형성한 경우, 전해질층(150)은, 제1 광전극(110)과, 그 제1 상대전극이자 제2 광전극인 투명 전도성 기판의 제1 상대전극쪽 측면(즉, 촉매층이 형성된 쪽) 사이, 그리고 해당 투명 전도성 기판의 제2 광전극쪽 측면(즉, 광흡수층이 형성된 쪽)과 그에 대향하는 제2 상대전극(120) 사이에 연속하여 배치되어, 예컨대 ㄷ자 형상을 그리도록 구성될 수 있음을 알아야 한다.According to an embodiment of the present disclosure, the dye-sensitized
본 개시의 일 실시예에 의하면, 염료감응형 태양전지 셀(100)는, 제1 광전극(110)의 투명 도전성 기판(112)과 제2 상대전극(120)의 투명 도전성 기판(122) 사이에 배치된, 전술한 제1 광전극(110)의 제1 금속산화물층(114) 및 제1 염료층(116), 제1 상대전극(130), 제2 광전극(140), 전해질층(150), 및 제2 상대전극(120)의 촉매층(122)을 밀봉하는 밀봉재(160)를 포함할 수 있다. 도 1은, 염료감응형 태양전지 셀(100)의 내부 구성을 보여주기 위한 투명 사시 단면도로서, 표현의 편의상 밀봉재(160)가 염료감응형 태양전지 셀(100)의 양측면(및 뒷면)만을 둘러싸고 있는 것처럼 도시되어 있으나, 실제 본 개시의 실시예에 의하면, 밀봉재(160)는, 염료감응형 태양전지 셀(100) 내부의 전체 구성을 에워싸고 밀봉하도록 배치될 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 염료감응형 태양전지 셀(100)의 밀봉재(160)는, 유리판일 수 있으며, 다만 본 개시가 이로써 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present disclosure, the dye-sensitized
본 개시의 일 실시예에 의하면, 투명 도전성 기판(112, 122, 132, 142)은, 폴리에틸렌테레프탈레이트트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 트리아세틸셀룰로오스(TAC) 등의 물질을 포함하는 투명 플라스틱이나 투명 유리기판 상에 코팅된 전도성 필름을 포함할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 투명 플라스틱 기판 또는 투명 유리기판 상에 코팅되는 전도성 필름은, ITO, FTO, ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3, SnO2-Sb2O3 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 본 개시가 이로써 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present disclosure, the transparent
도 1에는, 표현의 편의상, 금속산화물층(114)과 제1 염료층(116)이 각 개별 층을 형성하는 것으로 도시되어 있으나, 실제로 이들 두개의 층은 금속산화물 나노입자들과 그에 흡착된 제1 염료 물질로 구성된 하나의 층으로 구성될 수 있음을 알아야 한다. 도 1에서는, 표현의 편의상, 금속산화물층(144)과 제2 염료층(146)이 각 개별 층을 형성하는 것으로 도시되어 있으나, 실제로 이들 두개의 층은 다공질의 금속산화물 나노입자들과 그에 흡착된 제2 염료 물질로 구성된 하나의 층으로 구성될 수 있음을 알아야 한다. 도 2에는, 금속산화물층(114)와 제1 염료층(116)의 예시적 구조가 개념적으로 도시되어 있다. 도 2에 도시된 바를 참조하면, 금속산화물층(114)을 구성하는 다공질의 금속산화물 나노입자들이 투명 도전성 기판(112)의 일측에 배치되고, 제1 염료 물질이 그 금속산화물 나노입자들을 둘러싸고 흡착 배치된 구조를 명백히 이해할 수 있을 것이다. In FIG. 1, for convenience of expression, the
본 개시의 일 실시예에 의하면, 금속산화물층(114, 144)을 구성하는 금속산화물 나노입자들은, 예컨대 Ti, Zr, Sr, Zn, In, Yr, La, V, Mo, W, Sn, Nb, Mg, Al, Y, Sc, Sm, 및 Ga 등의 금속들 중에서 선택된 하나 이상의 금속에 관한 산화물로 구성될 수 있다. 예컨대, 본 개시의 일 실시예에 의하면, 금속산화물층(114)은, TiO2, ZnO, SnO2, WO3의 나노입자들로 구성될 수 있으며, 본 개시가 이로써 제한되는 것은 아니다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 금속산화물층(114, 144)을 형성하는 다공질 금속산화물 나노입자들의 크기는, 예컨대 100nm 이하일 수 있으며, 본 개시가 이로써 제한되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present disclosure, the metal oxide nanoparticles constituting the
본 개시의 일 실시예에 의하면, 제1 광전극(110)은, 투명 도전성 기판(112)의 한쪽 면에 금속산화물 나노입자 페이스트를 도포 및 열처리 한 후에 제1 염료 물질을 흡착시킴으로써 형성될 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 제1 염료 물질은, 특정 파장 영역의 태양광을 흡수할 수 있는 광흡수 고분자 물질을 포함할 수 있다. 제1 염료 물질의 흡착은 당업계에 알려진 임의의 방법에 의하여 이루어질 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 예컨대 투명 도전성 기판(112) 상에 배치 형성된 금속산화물 나노입자를 제1 염료 물질이 포함된 분산액에 침지시킨 후 적정 온도의 열처리함으로써, 금속산화물 나노입자에 제1 염료 물질을 흡착시킬 수 있다. According to an embodiment of the present disclosure, the
본 개시의 일 실시예에 의하면, 제2 광전극(140)은, 투명 도전성 기판(142)의 한쪽 면에 금속산화물 나노입자 페이스트를 도포 및 열처리 한 후에 제2 염료 물질을 흡착시킴으로써 형성될 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 제2 염료 물질은, 제1 염료 물질과는 다른 특정 파장 영역의 태양광을 흡수할 수 있는 광흡수 고분자 물질을 포함할 수 있다. 제2 염료 물질의 흡착은 당업계에 알려진 임의의 방법에 의하여 이루어질 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 예컨대 제2 염료 물질의 흡착은 제1 염료의 흡착과 같은 방법에 의해 이루어질 수 있으며, 본 개시가 이로써 제한되는 것은 아니다. According to an embodiment of the present disclosure, the
본 개시의 일 실시예에 의하면, 제1 염료 물질 및/또는 제2 염료 물질은, 흑미, 블랙커런트, 치자, 파래 등(그러나 본 개시가 이로써 한정되는 것은 아님)과 같은 천연 염료 중 선택된 물질을 포함할 수 있으며, 본 개시가 이로써 제한되는 것은 아니다. 제1 염료 물질 및/또는 제2 염료 물질이 천연 염료 물질로 구성될 경우, 전지 사용에 따른 안전도 및 제작단가 감소의 이점을 얻을 수 있고, 아울러 환경적 측면에서도 바람직할 것이다. 그러나, 본 개시의 다른 실시예에 의하면, 제1 염료 물질 및/또는 제2 염료 물질은, 페로센, 퀴논을 비롯한 다양한 인공 염료 중에서 선택된 물질을 포함할 수도 있다. According to an embodiment of the present disclosure, the first dye material and/or the second dye material may include a material selected from natural dyes such as black rice, black currant, gardenia, and green (but the disclosure is not limited thereto). May include, but the present disclosure is not limited thereto. When the first dye material and/or the second dye material is composed of a natural dye material, it is possible to obtain an advantage of reducing the safety and manufacturing cost according to the use of the battery, and it will be desirable from an environmental aspect. However, according to another embodiment of the present disclosure, the first dye material and/or the second dye material may include a material selected from various artificial dyes including ferrocene and quinone.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 제1 상대전극(130) 및 제2 상대전극(120) 각각은, 투명 도전성 기판(132, 122)의 한쪽 표면에 촉매층(134, 144)을 배치함으로써 형성될 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 촉매층(134, 144)은, 전해질층(150)의 환원을 위한 촉매로서 기능할 수 있으며, 예컨대 백금, 탄소, 탄소나노튜브 등의 물질로 구성될 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, each of the
본 개시의 일 실시예에 의하면, 하나의 염료감응형 태양전지 셀(100) 셀은, 한 쌍의 대향하는 기판, 즉 제1 광전극(110)과 제2 상대전극(120)을 구비하는 동시에, 이들 사이에 배치된 제1 상대전극(130)과 제2 광전극(140)을 포함하며, 아울러 제1 광전극과 제1 상대전극(130) 사이, 제1 상대전극(130)과 제2 광전극(140) 사이, 그리고 제2 광전극(140)과 제2 상대전극(120) 사이에 연속하여 배치된 S자 형상의 전해질층(150)을 포함한다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 전해질층(150)은 KNO3를 첨가한 겔형 한천 배지를 포함할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 겔형 한천 배지를 이용한 전해질층(150)은 S자 형상을 유지함으로써, 제1 광전극(110), 제1 상대전극(130), 제2 광전극(140) 및 제2 상대전극(120) 사이의 층상 구조를 유지할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 전해질층(150)을 겔형 한천 배지를 이용하여 구성함으로써, 종래의 액체 전해질을 사용하는 경우에 비해 사용상 안전성을 높일 수 있고, 아울러 종래의 고분자막을 사용하는 경우에 비해 제조 단가를 줄일 수 있을 뿐 아니라 기존의 태양전지 제작 과정에서 파생되는 환경 오염 문제를 줄이는 효과를 가져올 수 있다.According to an embodiment of the present disclosure, one dye-sensitized
본 개시의 일 실시예에 의하면, 밀봉재(160)는, 전술한 바와 같이, 제1 광전극(110)의 투명 도전성 기판(112)과 제2 상대전극(120)의 투명 도전성 기판(122) 사이에서, 제1 광전극(110)의 제1 금속산화물층(114) 및 제1 염료층(116), 제1 상대전극(130), 제2 광전극(140), 전해질층(150), 및 제2 상대전극(120)의 촉매층(122)을 에워싸도록 배치되고, 제1 광전극(110)의 투명 도전성 기판(112)과 제2 상대전극(120)의 투명 도전성 기판(122) 각각에 부착(실링)되어 염료감응형 태양전지 셀의 내부를 밀봉할 수 있다. 그런데, 본 개시의 일 실시예에 따라 전술한 바와 같이 전해질층(150)을 위하여 열에 약한 겔형 한천 배지를 이용할 경우, 고열 가공이 필요로 되는 통상적인 설린(Surlyn) 등을 이용하는 방식의 밀봉재 실링이 곤란할 수 있다. 따라서, 본 개시의 일 실시예에 의하면, 밀봉재(160)는, 고열 가공이 필요하지 않은 접착제, 예컨대 경제적으로 저렴한 에폭시, 친환경적 특징의 카제인, 자외선 경화형 접착제 등을 이용해서 제1 광전극(110)의 투명 도전성 기판(112)과 제2 상대전극(120)의 투명 도전성 기판(122) 각각에 부착(실링)될 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 밀봉재(160)의 실링을 위한 접착제 사용시, OPTOACE 등 방수 방습 코팅제도 함께 사용될 수 있음을 알아야 한다.According to an embodiment of the present disclosure, the sealing
전술한 바와 같이 본 개시의 바람직한 실시예를 참조하여 본 개시를 설명하였지만 본 개시는 이에 한정되지 아니하며, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 특허청구의 범위에 기재된 본 개시의 기술 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.As described above, the present disclosure has been described with reference to a preferred embodiment of the present disclosure, but the present disclosure is not limited thereto, and those of ordinary skill in the technical field to which the present disclosure pertains to the technical idea of the present disclosure described in the claims It will be understood that various modifications or changes are possible within the range not departing from.
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Claims (5)
제1 광전극- 상기 제1 광전극은, 제1 투명 도전성 기판과, 상기 제1 투명 도전성 기판의 일측 상에 형성된 제1 파장 영역의 광 흡수 특성을 갖는 제1 염료를 포함한 제1 광흡수층을 포함하고, 상기 제1 광흡수층은 상기 염료감응형 태양전지 셀의 내측을 향하여 배치됨 -;
상기 제1 광전극의 상기 제1 광흡수층 하방에 배치된 제2 광전극- 상기 제2 광전극은, 제2 투명 도전성 기판과, 상기 제2 투명 도전성 기판의 일측 상에 형성된 제2 파장 영역의 광 흡수 특성을 갖는 제2 염료를 포함한 제2 광흡수층을 포함함 -;
상기 제2 광전극의 하방에 배치된 상대전극- 상기 상대전극은, 제3 투명 도전성 기판과, 상기 제3 투명 도전성 기판의 일측 상에 형성된 촉매층을 포함하고, 상기 상대전극은, 상기 촉매층이 상기 제2 광전극의 상기 제2 광흡수층에 대향하도록 배치됨 -;
상기 제1 광전극, 상기 제2 광전극, 그리고 상기 상대전극 사이를 연속하여 지나도록 배치된 연속적 전해질층- 상기 전해질층은, KNO3를 포함하는 겔형 한천 전해질을 포함함 -; 및
상기 제1 광흡수층이 형성된 상기 제1 광전극의 상기 제1 투명 도전성 기판의 상기 일측과, 상기 촉매층이 형성된 상기 상대전극의 상기 일측 사이에, 상기 염료감응형 태양전지 셀 내측에 포함된, 상기 제1 광전극의 상기 제1 광흡수층, 상기 연속적 전해질층, 상기 제2 광전극, 및 상기 상대전극의 상기 촉매층을 밀봉하도록 배치된, 밀봉재를 포함하고,
상기 밀봉재는, 상기 제1 투명 도전성 기판의 상기 일측 및 상기 상대전극의 상기 일측 각각에 대해, 에폭시, 카제인, 및 자외선 경화형 접착제 중 하나를 이용하여 접착되는, 탠덤구조 염료감응형 태양전지 셀.As a tandem structure dye-sensitized solar cell,
First photoelectrode- The first photoelectrode includes a first transparent conductive substrate and a first light absorbing layer including a first dye having light absorption characteristics in a first wavelength region formed on one side of the first transparent conductive substrate. Including, the first light absorption layer is disposed toward the inside of the dye-sensitized solar cell -;
A second photoelectrode disposed under the first light absorbing layer of the first photoelectrode- The second photoelectrode includes a second transparent conductive substrate and a second wavelength region formed on one side of the second transparent conductive substrate. Comprising a second light absorbing layer including a second dye having light absorbing properties;
A counter electrode disposed under the second photoelectrode- The counter electrode includes a third transparent conductive substrate and a catalyst layer formed on one side of the third transparent conductive substrate, and the counter electrode includes the catalyst layer. Arranged to face the second light absorbing layer of the second photoelectrode;
A continuous electrolyte layer disposed so as to continuously pass between the first photoelectrode, the second photoelectrode, and the counter electrode, the electrolyte layer comprising a gel-type agar electrolyte containing KNO 3 ; And
Between the one side of the first transparent conductive substrate of the first photoelectrode on which the first light absorption layer is formed and the one side of the counter electrode on which the catalyst layer is formed, the dye-sensitized solar cell A sealing material disposed to seal the first light absorption layer of the first photoelectrode, the continuous electrolyte layer, the second photoelectrode, and the catalyst layer of the counter electrode,
The sealing material is adhered to each of the one side of the first transparent conductive substrate and the one side of the counter electrode, using one of epoxy, casein, and ultraviolet curable adhesive, a tandem dye-sensitized solar cell.
상기 제2 투명 도전성 기판의, 상기 제2 광흡수층이 형성된 상기 일측의 반대쪽 타측 상에 형성된 제2 촉매층- 상기 제2 촉매층은, 상기 제1 광전극의 상기 제1 광흡수층에 대향하도록 배치됨 -을 더 포함하고,
상기 전해질층은, 상기 제1 광흡수층과 상기 제2 촉매층 사이, 상기 제2 광흡수층과 상기 상대전극의 상기 촉매층 사이를 연속하여 지나도록 배치되는 ㄷ자 형상을 갖는, 탠덤구조 염료감응형 태양전지 셀.The method of claim 1,
A second catalyst layer formed on the other side of the second transparent conductive substrate opposite to the one side on which the second light absorption layer is formed-the second catalyst layer is disposed to face the first light absorption layer of the first photoelectrode. Including more,
The electrolyte layer is a tandem dye-sensitized solar cell having a U shape disposed to continuously pass between the first light absorbing layer and the second catalyst layer, and between the second light absorbing layer and the catalyst layer of the counter electrode. .
상기 제1 광전극과 상기 제2 광전극 사이에 배치된 제2 상대전극- 상기 제2 상대전극은, 제4 투명 도전성 기판과, 상기 제4 투명 도전성 기판의 일측 상에 형성된 제2 촉매층을 포함하고, 상기 제4 투명 도전성 기판은, 상기 제2 촉매층이 상기 제1 광전극의 상기 제1 광흡수층에 대향하도록 배치됨 -을 더 포함하고,
상기 전해질층은, 상기 제1 광흡수층과 상기 제2 촉매층 사이, 상기 제4 투명 도전성 기판의 상기 제2 촉매층이 형성된 상기 일측의 반대쪽 타측과 상기 제2 투명 도전성 기판의 상기 제2 광흡수층이 형성된 상기 일측의 반대쪽 타측 사이, 그리고 상기 제2 광흡수층과 상기 상대전극의 상기 촉매층 사이를 연속하여 지나도록 배치되는 S자 형상을 갖는, 탠덤구조 염료감응형 태양전지 셀.The method of claim 1,
A second counter electrode disposed between the first photoelectrode and the second photoelectrode- The second counter electrode includes a fourth transparent conductive substrate and a second catalyst layer formed on one side of the fourth transparent conductive substrate And, the fourth transparent conductive substrate, the second catalyst layer is disposed to face the first light absorbing layer of the first photoelectrode further comprises -,
The electrolyte layer is formed between the first light absorbing layer and the second catalyst layer, the other side opposite to the one side of the fourth transparent conductive substrate on which the second catalyst layer is formed, and the second light absorbing layer of the second transparent conductive substrate A tandem dye-sensitized solar cell having an S-shape disposed so as to continuously pass between the opposite side of the one side and between the second light absorbing layer and the catalyst layer of the counter electrode.
상기 밀봉재는 유리판이고,
상기 제1 염료 및 제2 염료 중 적어도 하나는, 하나 이상의 천연 염료 물질을 포함하는, 탠덤구조 염료감응형 태양전지 셀.The method of claim 1,
The sealing material is a glass plate,
At least one of the first dye and the second dye includes one or more natural dye materials, a tandem dye-sensitized solar cell.
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| KR1020190139286A KR102162099B1 (en) | 2019-11-04 | 2019-11-04 | Dye sensitized solar cell having a plurality of photoelectrodes and s-shaped gel type agar electrolyte |
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| KR102162099B1 true KR102162099B1 (en) | 2020-10-06 |
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Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| KR20000000571A (en) * | 1998-06-01 | 2000-01-15 | 김연택 | Gel contained electrolyte, preparation method thereof, electrochemical cell, preparation method thereof, double lipid molecular membrane and preparation method thereof |
| KR20090091869A (en) * | 2008-02-26 | 2009-08-31 | 한국과학기술연구원 | Dye-sensitized solar cells using wide wavelength range absorption nanostructure and method for preparing the same |
| JP2012181983A (en) * | 2011-03-01 | 2012-09-20 | Sony Corp | Dye-sensitized photoelectric conversion device and method for manufacturing the same, and electronic device |
| KR20150137730A (en) * | 2014-05-30 | 2015-12-09 | 재단법인 녹색에너지연구원 | Method for manufacturing natural dyes for dye-sensitized solar cell |
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2019
- 2019-11-04 KR KR1020190139286A patent/KR102162099B1/en active IP Right Grant
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