KR102542113B1 - 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지모듈 - Google Patents

광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지모듈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지모듈에 관한 것으로, 전도성투명기판, 상기 전도성투명기판의 일면에 구비되고 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 복수개가 상기 전도성투명기판 상에서 서로 이격되어 일정한 패턴을 가지도록 배치되는 광전극, 상기 전도성투명기판에 대향되어 배치되는 상대전극, 상기 광전극 및 상기 상대전극 사이에 구비되는 전해질 및 상기 전도성투명기판의 타면에 구비되어, 입사되는 광의 입사각을 변경시키는 광포집층을 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의하여 광손실을 최소화하고 태양전지의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지모듈 {DYE-SENSITIZED SOLAR CELL USING LIGHT TRAPPING LAYER AND PATTERNED PHOTOANODE, AND DYE-SENSITIZED SOLAR CELL MODULE　USING THE SAME}
본 발명은 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광의 입사각을 변형시키는 광포집 렌즈가 구비된 광포집층을 이용하여 광의 이동 길이를 최대화하고 광전극 내부에 균일하게 분포하며, 패턴이 형성된 광전극을 이용하여 광을 효율적으로 수집하여 에너지를 발생시킴으로써 동일 면적에 대하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 염료감응형 태양전지 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지모듈에 관한 것이다.
최근 세계적인 고유가 행진과 화석연료 고갈에 대응하기 위하여 대체 에너지원 발굴에 대한 필요성이 높아지고 있다. 아울러 지구 온난화를 방지하기 위한 기후 조약 발효에 이어 우리나라도 2013년부터 포스트 교토의정서 국제협약에 기준한 대기오엽 해소 및 이산화탄소 가스 감축 등을 위한 정보차원 대응방안 마련이 요구되고 있다.
태양광은 지구상에서 가장 풍부하고 고갈의 염려가 없는 에너지원이다. 태양으로부터 지표면에 공급되는 에너지는 청명한 날 1 제곱 미터당 1,000W의 전력 (AM1.5)이 지구상에 도달하고 있으며, 총량은 현재 인류가 사용하는 에너지 총량인 12 테라와트 (TW)의 약 10,000배에 해당하는 약 12만 TW이다. 이와 같이 태양광 에너지는 재생에너지 중에서도 가장 풍부한 자원으로서 미래에 지배적으로 사용될 수 있는 에너지원이 될 수 있음을 예상하고 있다.
태양전지란 광기전력 효과태양전지란 광기전력 효과(Photovoltaic Effect)를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이며, 태양광을 직접 전기로 변환하기 때문에 전통적인 화석연료를 연소하는 방법과 달리 찌꺼기나 공해물질을 생성하지 않는다. 즉, 태양광발전은 화석연료와 달리 지구온난화 주범으로 알려진 탄소배출이 전혀 없는 청정한 에너지 기술이기도 하다.
태양전지는 그 구성 물질에 따라서 실리콘 태양전지, 박막 태양전지, 염료감응 태양전지 및 유기고분자 태양전지 등으로 구분될 수 있다. 여기서 염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)는 산화환원 전해질로 구성되어 있으며 표면에 화학적으로 흡착된 염료 분자가 태양 빛을 받아 전자를 방출함으로써 전기를 생산하는 전지이다. 염료감응 태양전지는 특정염료를 흡착한 나노입자로 이루어진 광전극과 상대 전극 사이에 전해질을 채운 간단한 구조로 되어 있다. 유리기판을 통과한 태양광은 염료와 만나는데, 이때 염료는 전자를 생성한다. 생성된 전자는 나노입자(전공)를 따라 투명전극으로 흐르게 되는데, 이것이 전기를 만들게 되는 것이다. 염료감응 태양전지의 에너지 변환 효율은 광 흡수에 의해 생성된 전자의 양에 비례하기 때문에, 광 흡수에 의해 많은 양의 전자를 생성하기 위해서는 염료 분자의 흡착량을 증가시킬 수 있는 광전극의 제조가 요구되고 있다.
일반적으로 광전극의 두께가 감소함에 따라 광흡수는 감소하여, 광변환 효율의 저하를 야기한다. 광전극 두께의 감소로 인하여 광흡수 부족을 상충하기 위해 광을 효율적으로 포집하려는 다양한 시도가 있어 왔다. 특히, 염료감응형 태양전지(DSC)와 유기 태양전지(OPV)와 같이 제한된 필름 두께를 갖는 박막 태양전지의 광변환 효율을 향상시키는데 있어서 광포집 전략은 매우 유용하다. 예를 들면, inverse opal 나노구조, 광흡수층 위의 산란층 및 금속 나노구조의 표면 플라스모닉스는 DSC 광전극 내에서 입사광선을 효과적으로 포집하기 위해 적용된 사례이다.
종래기술로서, 광포집 효율 증대를 위하여 광전극 위에 추가적인 산란층을 도입하는 기술이 있다. 이는 수백 나노미터 이상 크기의 입자를 광전극 위에 코팅하여 광전극에서 흡수되지 않고 투과된 빛이 산란을 통해 재이용되는 구조이다. 이 방식은 광전극의 두께를 증가시킨다는 단점이 있으며, 특히 최근 각광 받고 있는 고체 염료감응 태양전지에서는 느린 전하 이동 때문에 산란층을 삽입하면 오히려 소자의 효율이 감소하는 현상을 보이는 문제점이 있다.
한편, 이러한 태양광 발전을 위한 태양전지는 태양광을 받을 수 있는 면적에 비례하여 발전량이 결정되므로 태양전지의 설치를 위한 큰 면적을 반드시 필요로 한다.
하지만, 도심과 같이 이용 가능한 면적이 제한된 지역에서는 충분한 발전량을 확보할 수 없어 태양광 발전의 효과가 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 넓은 면적에 태양전지를 설치하더라도, 태양의 움직임에 따라 태양광이 입사되는 각도가 변경되며, 이에 따라 태양광발전의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 태양의 움직임을 추적하여 이동하는 태양광발전 시스템이 개발되었으나, 이러한 시스템 역시 태양전지를 회전시키고, 인접한 태양전지간의 그림자 간섭을 해소하기 위하여 간격을 벌리는 등 넓은 면적을 필요로 하는 문제점 역시 있다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
대한민국특허청 등록특허 제10-1038987호
본 발명의 기술적 과제는, 배경기술에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광의 입사각을 변형시키는 광포집 렌즈가 구비된 광포집층을 이용하여 광의 이동 길이를 최대화하고 광전극 내부에 균일하게 분포하며, 패턴이 형성된 광전극을 이용하여 광을 효율적으로 수집하여 에너지를 발생시킴으로써 동일 면적에 대하여 발전효율을 향상시킬 수 있는 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지 및 이를 이용한 염료감응형 태양전지모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
기술적 과제를 해결하기 위해 안출된 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지는, 전도성투명기판과, 상기 전도성투명기판의 일면에 구비되고 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 복수개가 상기 전도성투명기판 상에서 서로 이격되어 일정한 패턴을 가지도록 배치되는 광전극과, 상기 전도성투명기판에 대향되어 배치되는 상대전극과, 상기 광전극 및 상기 상대전극 사이에 구비되는 전해질 및 상기 전도성투명기판의 타면에 구비되어, 입사되는 광의 입사각을 변경시키기 위한 광포집렌즈가 적어도 하나 이상 구비되는 광포집층을 포함하며, 상기 광전극은 다각형으로 형성되어 패턴을 형성함으로써 염료감응형 태양전지의 전체 면적에서 광전극이 배치되는 면적비율을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 광전극은 육각형 형태로 형성되어 벌집 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 광전극의 패턴은 광전극 소재를 상기 전도성투명기판 상에 스크린 프린팅하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 광전극은 스크린 프린팅 과정에서 다공성 전이금속 페이스트의 표면장력에 의해 유도되어 중앙부의 높이가 상대적으로 높게 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 광포집렌즈는 입사되는 광의 입사각을 변경시키는 초점이 상기 광전극을 향하도록 형성되며, 상기 광전극 배치와 평면상 형태가 대응되는 것을 특징으로 한다.
한편, 전술한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지를 이용한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈은, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지를 복수개 포함하며, 외측면으로 광을 제공받는 염료감응형 태양전지모듈로서, 일측이 내측면을 향하고, 타측이 외측면을 향하여 기울어지도록 배치되는 제1 염료감응형 태양전지 및 일측이 상기 제1 염료감응형 태양전지의 타측과 접하여 외측면을 향하고, 타측은 내측면을 향하여 기울어지도록 배치되는 제2 염료감응형 태양전지를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 염료감응형 태양전지 및 상기 제2 염료감응형 태양전지가 반복적으로 배치될 수 있다.
상기한 구성에 의한 본 발명은 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 전극 내부로 향하는 광의 이동길이를 최대화시켜 광 흡수량을 증가시키고, 각 계면에서의 프레넬 반사를 최소화하여 광전극 내에서의 광 효율을 최대화할 수 있다. 그리고, 다양한 각도로 입사되는 태양광에 대응하여 효과적으로 발전효율을 유지할 수 있다.
또한, 광포집층에서 포집된 광을 패턴이 형성된 광전극을 이용하여 효과적으로 수집할 수 있으므로 광의 손실을 최소화할 수 있으며, 따라서 동일 면적에 대하여 태양전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
이러한 본 발명에 의한 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 일 실시예에서 광전극의 배치상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 기존의 염료감응형 태양전지에서 전자가 확산되는 패턴을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지에서 전자가 확산되는 패턴을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 광포집층 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지에 입사되는 광이 광포집층에 의하여 광전극으로 집중되는 상태를 나타내는 도면이다.
도 7은 광포집층이 형성되지 않는 광전극에서의 입사광 형상과 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지에서 입사광 형상을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 광포집층의 유무에 따른 전류밀도와 효율을 비교한 데이터를 나타내는 도면이다.
도 9는 식물잎의 해부학적 구조와 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 구조를 비교한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 기본적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 태양전지의 기울기에 따른 태양광의 입사면적 차이를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 태양전지모듈의 태양전지 기울기에 따라 발전효율의 변화에 대한 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 태양전지에 광포집층의 유무에 따른 효율을 비교한 데이터를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 전방/후방 또는 상측/하측과 같이 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.
먼저, 도 1 내지 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지 일 실시예의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 일 실시예는 전도성투명기판(100), 광전극(200), 상대전극(300), 전해질(400) 및 광포집층(500)을 포함할 수 있다.
전도성투명기판(100)은 태양광을 통과시켜 후술하는 광전극(200)으로 태양광이 도달할 수 있도록 하며, 광전극(200)으로부터 발생되는 전자를 제공받아 이동시키는 구성일 수 있다.
이러한 전도성투명기판(100)은 유리기판 또는 투명 고분자 기판 등 투명기판 상에 투명한 전도성 필름과 같은 투명전극을 증착하여 형성할 수 있다.
전도성투명기판(100)은 외부로부터 태양광의 입사가 가능하도록 투명하게 형성된다면 제한되지 않고 다양한 구성이 적용될 수 있다.
한편, 광전극(200)은 전술한 전도성투명기판(100)의 일면에 구비되어, 태양광의 입사에 의하여 전자를 배출하는 구성일 수 있다.
이러한 광전극(200)은 다공성 전이금속 산화물에 감광성 염료가 흡착된 형태로 형성될 수 있다.
이때, 다공성 전이금속은 이산화티타늄(TiO2), 산화아연(ZnO), 이산화주석(SnO2)와 같은 넓은 밴드갭을 가진 n형 산화물 반도체로 구성되며, 이 표면에 단분자층의 염료가 흡착될 수 있다.
이러한 구성은 본 실시예에 제한되지 않으며 염료로부터 빠져나온 전자가 이동할 수 있도록 마련된다면 다양한 구성이 적용될 수 있다.
위와 같은 구성의 광전극(200)은 전도성투명기판(100)의 일면에서 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 복수개가 서로 이격되어 일정한 패턴을 가지도록 배치될 수 있다.
보다 구체적으로, 광전극(200)은 다각형의 형태로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 육각형의 형태로 형성되어 벌집과 같이 일정한 패턴을 형성하도록 배치될 수 있다.
이러한 패턴은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 전체 면적에서 광전극(200)이 배치되는 면적비율을 가능한 높이고, 복수개의 광전극(200)이 이격되는 공간에 따른 손실을 줄여, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 발전효율을 보다 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 실시예에서 복수개의 광전극(200)이 이격되는 간격의 거리가 가능한 작게 배치되는 것이 유리할 수 있다.
전술한 광전극(200)의 패턴은 광전극(200) 소재를 전도성투명기판(100) 상에 스크린 프린팅하여 형성할 수 있으며, 이러한 제조방법은 제한되지 않고 다양할 수 있다.
또한, 광전극(200)은 중앙부의 높이가 상대적으로 높게 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서는 광전극(200)이 반구형으로 형성되어, 렌즈 또는 돔과 같은 형태로 배치될 수 있다.
이러한 형태는 광전극(200)을 스크린 프린팅 하는 과정에서 다공성 전이금속 페이스트의 표면장력에 의하여 유도될 수 있다.
위와 같은 광전극(200)의 형태는 광전극(200)에서 발생하는 전자를 전술한 전도성투명기판(100)으로 보다 용이하게 유도하여 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기존의 염료감응형 태양전지는 광전극층이 균일한 두께로 형성되어, 광전극(p)에서 생성된 전자(e)가 원형의 이동가능영역(a1)에서 랜덤하게 이동할 수 있다.
반면, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지는 광전극(200)이 패턴으로 인쇄되며 반구형으로 형성되어, 생성된 전자(e)가 타원형의 이동가능영역(a2)에서 이동하며, 이 과정에서 이동하는 전자가 광전극(200)의 표면에서 반사가 일어나 전도성투명기판(100)으로 보다 용이하게 유도될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 광전극(200) 형태로 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
전술한 광전극(200)의 형태 및 배치는 본 실시예에 제한되지 않으며, 복수개의 광전극(200)이 패턴을 형성하며 배열되고, 중앙부가 상대적으로 높은 형태로 형성되어, 전자를 보다 용이하게 전도성투명기판(100)으로 유도할 수 있도록 형성된다면 다양하게 적용될 수 있다.
한편, 상대전극(300)은 전술한 전도성투명기판(100)에 대향되어 배치되는 구성일 수 있다.
이러한 상대전극(300)은 전술한 전도성투명기판(100)과 동일하게 유리기판 또는 투명 고분자 기판 등 투명기판 상에 투명한 전도성 필름과 같은 투명전극을 증착하여 형성할 수 있다.
이때, 상대전극(300)은 투명전극이 전술한 광전극(200)과 대향되는 방향으로 배치될 수 있다.
전술한 전도성투명기판(100) 및 상대전극(300)은 광투과율이 100%인 경우뿐만 아니라 광투과율이 높은 경우를 모두 포함할 수 있다.
한편, 전해질(400)은 전술한 광전극(200) 및 상대전극(300) 사이에 구비되는 구성일 수 있다.
보다 구체적으로, 전해질(400)은 광전극(200) 및 상대전극(300) 간에 전자이동이 가능하도록 광전극(200)과 상대전극(300) 사이의 공간에 함침될 수 있다.
이러한 전해질(400)은 바람직하게는 아세토니트릴(Acetonitrile)이 적용될 수 있으며, 이 이외에도 일반적인 염료감응형 태양전지에 이용되는 전해질이라면 제한되지 않고 다양하게 적용될 수 있다.
또한, 전해질(400)이 외부로 누수되는 것을 방지하기 위하여, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 전도성투명기판(100) 및 상대전극(300)의 외표면에 필름을 코팅할 수 있다.
여기서 코팅필름은 태양광이 투과할 수 있도록 광투과율이 높으면서 전해질(400)이 통과하지 않아 누수의 위험이 없는 소재로 형성되는 것이 유리할 수 있다.
한편, 광포집층(500)은 전술한 전도성투명기판(100)의 타면에 구비되어, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 입사되는 광의 입사각을 변경시키는 구성일 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서 광포집층(500)은 전술한 전도성투명기판(100)의 타면측을 향하여 돌출되는 광포집렌즈(510)가 복수개 형성될 수 있다.
광포집렌즈(510)는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 입사되는 광을 전술한 광전극(200)을 향하여 보내주는 역할을 수행하는 구성일 수 있다.
보다 구체적으로, 광포집렌즈(510)는 입사되는 광을 굴절하여 입사각을 변경하며, 이때 전술한 광전극(200)이 배치되는 위치에 광이 굴절되는 초점을 맞추도록 형성될 수 있다.
본 실시예에서 광포집렌즈(510)는 도 5에 도시된 바와 같이, 소정의 높이로 돌출 형성되고, 상단부의 모서리부가 라운드 형태로 형성되는 것이 유리할 수 있다.
또한, 광포집렌즈(510)는 하단부의 폭이 중단부의 폭에 비해 상대적으로 작게 형성되는 것이 유리할 수 있다.
즉, 광포집렌즈(510)는 상대적으로 평면에 가까운 상면을 가지며, 상면의 테두리부인 모서리는 곡면으로 형성되며 라운드진 형태로 형성되어, 전체적으로 포트(pot)를 뒤집어 놓은 것과 유사한 형태를 가지도록 형성되는 것이 유리할 수 있다.
이러한 형태는 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지에 입사되는 광의 입사각을 효율적으로 변경시킬 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 입사되는 광을 전술한 전도성투명기판(100)의 일면에 구비되는 광전극(200)을 향하여 보내는 역할을 수행할 수 있다.
이때, 광포집렌즈(510)는 전술한 광전극(200)의 배치와 대응되도록 배치되며 형성되는 것이 유리할 수 있다.
또한, 광포집렌즈(510)의 평면상 형태 역시, 전술한 광전극(200)과 대응되는 형태로 형성될 수도 있다.
이러한 광포집렌즈(510)의 구성은, 광포집층(500)이 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 입사되는 광의 입사각을 변경시키는 초점이 상기 광전극을 향하도록 할 수 있다.
본 실시예에서, 광전극(200)은 복수개가 서로 이격되어 배치되는데, 이러한 구성에서는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 입사되는 광이 광전극(200) 사이의 공간으로 통과할 수 있어, 일부 효율이 낮아지는 문제가 발생할 수 있으나, 전술한 광포집층(500)의 광포집렌즈(510)를 통하여 입사되는 광을 광전극(200)으로 집중시켜 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
즉, 도 7을 참조하면, 광포집층 구성 없이 패턴이 형성된 광전극이 구비된 경우 광전극과 광전극 사이로 광이 손실이 발생되는 반면 광포집층이 형성되고 패턴이 형성된 광전극이 구비되는 경우 입사되는 광을 광전극으로 집중할 수 있다. 따라서 손실되는 광을 최소화하는 효과를 가질 수 있다.
전술한 광포집렌즈(510)의 형태는 본 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지에 입사되는 광을 광전극(200)을 향하여 집중시키도록 마련된다면 그 구성은 다양할 수 있다.
이러한 광포집층(500)은 본 실시예에서는 폴리다이메틸실록산 등과 같은 투명한 실리콘 소재를 이용하고 있으나, 광굴절율이 1.2이상인 투명한 소재로 형성된다면 소재는 제한되지 않고 다양할 수 있다.
전술한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지를 통하여 태양전지의 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
따라서, 태양전지 자체의 발전효율이 향상하므로 동일 면적 대비 태양전지의 발전효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 광포집층(500)의 유무에 따른 전류밀도 및 효율을 측정한 결과, 광포집층(500)이 구비되는 경우에 전류밀도 및 효율이 향상됨을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 광포집층(500)에 의하여 발전효율이 향상됨을 알 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지의 구조는 식물학적 구조의 접근법을 활용한 것이다.
예를 들어, 도 9를 참조하면, 식물 잎의 내부 구조를 참고하여 염료감형형 태양전지의 광포집층과 광전극층의 구성을 도출할 수 있다.
즉, 태양전지의 광포집층은 식물 잎의 구조에서 표피(epidermis)층에 해당할 수 있다. 즉, 볼록렌즈와 같은 형태로 광을 포집시켜 에너지 생산을 높여주는 역할을 할 수 있다.
광전극은 식물 잎의 구조에서 엽록체가 분포되어 있는 책상(palisade)구조에 해당되며, 실제 광합성을 하는 엽록체와 광으로부터 전자를 생성하여 전기에너지를 발생시켜주는 광전극이 동일한 형태로 형성되어 광을 효율적으로 받아 에너지를 생성할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 광포집층과 패턴이 형성된 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지는 광전극에서 발생할 수 있는 광손실을 제거하고 에너지효율을 증가시킬 수 있다.
이어서, 도10 내지 도 13을 참조하여, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈의 기본적인 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
여기서, 도 10은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈의 기본적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 11는 태양전지의 기울기에 따른 태양광의 입사면적 차이를 나타내는 도면이며, 도 12은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈의 태양전지 기울기에 따라 발전효율의 변화에 대한 실험결과를 나타내는 도면이고, 도 13은 본 발명에 따른 태양전지모듈의 태양전지에 광포집층의 유무에 따른 효율을 비교한 데이터를 나타내는 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈은 복수개의 태양전지를 포함하며, 외측면으로 태양빛을 제공받는 태양전지모듈일 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈은 제1 염료감응형 태양전지(10) 및 제2 염료감응형 태양전지(20)를 포함할 수 있다.
제1 염료감응형 태양전지(10)는 일측이 내측면을 향하고, 타측이 외측면을 향하여 기울어지도록 배치되는 구성일 수 있다.
제1 염료감응형 태양전지(10)는 전술한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 구성을 모두 가지고 있는 태양전지로 구성될 수 있다.
이러한 구성은 제한되지 않고, 일반적으로 태양광 발전을 할 수 있도록 소정의 면적을 가지는 태양전지로 구성될 수 있으며, 박막형 태양전지 및 결정 Si 태양전지로 구성될 수도 있다.
한편, 제2 염료감응형 태양전지(20)는 일측이 전술한 제1 염료감응형 태양전지(10)의 타측과 접하여 외측면을 향하고, 타측은 내측면을 향하여 기울어지도록 배치되는 구성일 수 있다.
제2 염료감응형 태양전지(20)는 전술한 제1 염료감응형 태양전지(10)와 마찬가지로 전술한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지의 구성을 모두 가지고 있는 태양전지로 구성될 수 있다.
또한, 이러한 구성 역시 제한되지 않고, 일반적으로 태양광 발전을 할 수 있도록 소정의 면적을 가지는 태양전지로 구성될 수 있으며, 박막형 태양전지 및 결정 Si 태양전지로 구성될 수도 있다.
이러한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈의 기본 구성에서 전술한 제1 염료감응형 태양전지(10) 및 제2 염료감응형 태양전지(20)의 구성은 반복적으로 배치될 수 있다.
즉, 전술한 제1 염료감응형 태양전지(10) 및 제2 염료감응형 태양전지(20)가 서로 인접하여 상호 대향되는 방향으로 기울어져 배치되고, 이러한 패턴이 반복적으로 연결되며 본 발명에 따른 태양전지를 구성할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 태양전지의 단면상에서 제1 염료감응형 태양전지(10) 및 제2 염료감응형 태양전지(20)가 기울어지며 전체 태양전지가 주름진 형태로 형성될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 평판형의 태양전지에 수직으로 태양광이 입사되는 경우, 단면상에서 태양전지의 길이(A)에 따라 발전효율이 비례할 수 있다.
따라서, 태양전지를 θ만큼의 각도로 기울여 배치하는 경우, 단면상에서 태양전지의 길이(A)에 cos(θ)를 곱한만큼의 길이(A’)에 대한 발전효율이 낮아질 수 있다.
하지만, 도 12에 도시된 바와 같이, 실제로 태양전지를 θ만큼의 각도로 기울인 상태에서 cos(θ) 이상의 발전효율이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 경우, 동일 면적에 대해서는 태양전지를 기울인 상태로 배치하는 것이 발전효율을 보다 향상시킬 수 있다.
따라서, 전술한 제1 염료감응형 태양전지(10) 및 제2 염료감응형 태양전지(20)의 배치를 통하여 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈의 발전효율이 동일면적의 평판형 태양전지에 비해 상대적으로 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 태양전지의 기본 구성에서는 단면상에서 일측으로부터 타측을 향하는 방향으로 제1 염료감응형 태양전지(10) 및 제2 염료감응형 태양전지(20)가 서로 대향되는 방향으로 기울어지도록 배치되는 상태를 설명하였으며, 이러한 기본 구성은 전체 태양전지모듈의 가로 및 세로에 모두 적용될 수 있다.
즉, 전체 태양전지모듈 면적의 가로 및 세로 방향 모두에서 제1 염료감응형 태양전지(10) 및 제2 염료감응형 태양전지(20)가 서로 대향되는 방향으로 기울어지도록 배치될 수 있다.
위와 같은 구성을 포함하는 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈은 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지가 적용되어 광포집층(500)의 구성이 포함될 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 입체적으로 배치된 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈의 염료감응형 태양전지에 광포집층(500)이 적용되는 경우, 광포집층(500)이 없는 구조의 태양전지모듈 대비 전력량이 55% 향상되는 것을 확인할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈의 태양전지 배치 형태는 제한되지 않으며, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈의 기본 구성과 같이 복수개의 태양전지가 기울어지며 배치되도록 형성된다면 다양하게 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈은 기본적으로 동일면적에 대한 발전효율이 높을 뿐만 아니라, 태양전지가 경사를 가지며 배치되므로, 다양한 각도로 입사되는 태양광에 대응하여 발전효율을 효과적으로 유지하는 효과도 얻을 수 있다.
즉, 경사지게 배치된 태양전지의 배치로 인하여 다양한 각도로 입사되는 태양광의 반사를 줄여 발전효율을 유지할 수 있다.
그리고, 태양전지를 기울여 배치하는 과정에서 다양한 패턴의 태양전지모듈을 조합할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈의 실시예와 같이, 기울어진 태양전지의 조합은 일정한 패턴을 형성하여, 평판형의 태양전지모듈에 비하여 상대적으로 높은 심미감을 얻을 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈을 부착 또는 설치하는 장소에 대한 제약이 크게 줄어들어 범용성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
전술한 효과들로 인하여 본 발명에 따른 염료감응형 태양전지모듈은 건물의 외벽 또는 지붕 등 도심 내에서 제한적인 공간에 설치되어 높은 발전효율을 달성할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100 : 전도성투명기판
200 : 광전극
300 : 상대전극
400 : 전해질
500 : 광포집층
510 : 광포집렌즈
10 : 제1 염료감응형 태양전지
20 : 제2 염료감응형 태양전지

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 전도성투명기판;
    상기 전도성투명기판의 일면에 구비되고 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 복수개가 상기 전도성투명기판 상에서 서로 이격되어 일정한 패턴을 가지도록 배치되는 광전극;
    상기 전도성투명기판에 대향되어 배치되는 상대전극;
    상기 광전극 및 상기 상대전극 사이에 구비되는 전해질; 및
    상기 전도성투명기판의 타면에 구비되어, 입사되는 광의 입사각을 변경시키기 위한 광포집렌즈가 적어도 하나 이상 구비되는 광포집층;을 포함하며,
    상기 광전극은 다각형으로 형성되어 패턴을 형성함으로써 염료감응형 태양전지의 전체 면적에서 광전극이 배치되는 면적비율을 증가시키고,
    상기 광전극의 패턴은 광전극 소재를 상기 전도성투명기판 상에 스크린 프린팅하여 형성되되
    상기 광전극은 스크린 프린팅 과정에서 다공성 전이금속 페이스트의 표면장력에 의해 유도되어 중앙부의 높이가 상대적으로 높게 형성되며,
    상기 광포집렌즈의 평면상 형태는 상기 광전극과 대응되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4 항에 있어서,
    상기 광포집렌즈는 상대적으로 상면이 평면 형상으로 형성되고, 상기 상면의 테두리부인 모서리는 곡면으로 형성되며,
    하단부의 폭은 중단부의 폭에 비해 상대적으로 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 광전극을 이용한 염료감응형 태양전지.
  8. 일측이 내측면을 향하고, 타측이 외측면을 향하여 기울어지도록 배치되는 제1 염료감응형 태양전지; 및
    일측이 상기 제1 염료감응형 태양전지의 타측과 접하여 외측면을 향하고, 타측은 내측면을 향하여 기울어지도록 배치되는 제2 염료감응형 태양전지가 반복적으로 배치되며,
    상기 제1 염료감응형 태양전지 및 제2 염료감응형 태양전지는
    전도성투명기판과, 상기 전도성투명기판의 일면에 구비되고 소정의 면적을 가지도록 형성되며, 복수개가 상기 전도성투명기판 상에서 서로 이격되어 일정한 패턴을 가지도록 배치되는 광전극과, 상기 전도성투명기판에 대향되어 배치되는 상대전극과, 상기 광전극 및 상기 상대전극 사이에 구비되는 전해질 및 상기 전도성투명기판의 타면에 구비되어, 입사되는 광의 입사각을 변경시키기 위한 광포집렌즈가 적어도 하나 이상 구비되는 광포집층을 포함하며,
    상기 광전극은 다각형으로 형성되어 패턴을 형성함으로써 염료감응형 태양전지의 전체 면적에서 광전극이 배치되는 면적비율을 증가시키고, 상기 광전극의 패턴은 광전극 소재를 상기 전도성투명기판 상에 스크린 프린팅하여 형성되되, 상기 광전극은 스크린 프린팅 과정에서 다공성 전이금속 페이스트의 표면장력에 의해 유도되어 중앙부의 높이가 상대적으로 높게 형성되며, 상기 광포집렌즈의 평면상 형태는 상기 광전극과 대응되는 형태로 형성되어 입사되는 광의 입사각을 변경시키는 초점이 상기 광전극을 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 염료감응형 태양전지모듈.
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