KR102623963B1 - 스마트팜용 태양전지 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스마트팜용 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 스마트팜용 태양전지는 입사된 광의 파장을 변환하는 파장변환층과, 파장변환층의 하부에 배치되며 투명소재로 된 제1투명전극층과, 제1투명전극층 하부에 배치된 전자수송층과, 전자수송층 하부에 상호 이격되게 형성되며 입사된 광을 흡수하여 전력으로 변환하기 위한 복수개의 제1광흡수층과, 제1광흡수층 사이에 형성되며 입사된 광의 적어도 일부를 투과시키는 반투명 광흡수층과, 제1광흡수층과 상기 반투명 광흡수층 하부에 배치된 정공수송층과, 정공수송층 하부에 투명소재로 형성되어 배치된 제2투명전극층을 구비한다. 이러한 스마트팜용 태양전지 및 그 제조방법에 의하면 태양광을 농작물 재배용과 태양광 발전용으로 동시에 활용할 수 있는 장점을 제공한다. 또한, 유리온실의 투명패널을 본 태양전지로 대체하면 전력공급원이 됨과 동시에 온실구조물로서 기능하여 자체전원공급형 스마트팜을 용이하게 구현할 수 있게 지원할 수 있다.
Description
본 발명은 스마트팜용 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 태양광의 일부는 투과시켜 작물재배용으로 이용하고 일부는 흡수층에 의해 전력을 생산할 수 있도록 된 광합성 파장대역 투과형 스마트팜용 태양전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈과 신재생에너지에 대한 관심이 대두하고 있는바 태양전지의 청정에너지의 기술의 많은 연구가 이루어지고 있다. 태양전지란 광기전력 효과(photovoltaic effect)를 이용하여 빛 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 것으로, 국내 등록특허 제10-1495764호 등 다양하게 제안되어 있다.
한편, 식물이 광합성에 주로 활용하는 파장은 전체 태양광 스펙트럼 중 일부분으로 주로 청색광, 적색광을 엽록체에서에 흡수하여 사용하며, 자외선, 녹색광~황색광, 근적외선 이상 대역은 많이 활용하지 않는 것으로 알려져 있다.
식물 광합성에 활용하지 않는 잉여 파장 대역의 빛을 태양전지에 적용하여 태양광발전을 도모하고자 하는 쏠라 쉐어링(solar sharing)은 태양광을 농작물 재배용과 태양광 발전용으로 동시에 활용하는 것을 말하며 최근에는 영농태양광(ariculture + photovoltaic = agrivoltaic)이라고도 한다.
식물이 광합성에 주로 활용하는 파장은 전체 태양광 스펙트럼 중 적색광, 청색광과 같이 일부만 이용되고 있어, 광합성에 이용되지 않는 광의 이용효율을 향상시킬 수 있는 스마트팜용 태양전지 구조가 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 입사된 태양광 중 식물광합성 과정에서 필수적인 청색, 적색 파장 대역은 하부로 투과시키고, 동시에 식물광합성 과정에서 많이 필요하지 않는 자외선, 녹색파장 대역은 청색, 적색 파장 대역으로 파장변환하여 하부로 전달함으로써 식물 광합성 활동을 보장하면서 전력생산을 할 수 있는 스마트팜용 태양전지 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스마트팜용 태양전지는 입사된 광의 파장을 변환하는 파장변환층과; 상기 파장변환층의 하부에 배치되며 투명소재로 된 제1투명전극층과; 상기 제1투명전극층 하부에 배치된 전자수송층과; 상기 전자수송층 하부에 상호 이격되게 형성되며 입사된 광을 흡수하여 전력으로 변환하기 위한 복수개의 제1광흡수층과; 상기 제1광흡수층 사이에 형성되며 입사된 광의 적어도 일부를 투과시키는 반투명 광흡수층과; 상기 제1광흡수층과 상기 반투명 광흡수층 하부에 배치된 정공수송층과; 상기 정공수송층 하부에 투명소재로 형성되어 배치된 제2투명전극층;을 구비한다.
바람직하게는 상기 반투명 광흡수층의 면적은 상기 제1광흡수층의 면적의 3배 내지 10배가 되게 적용한다.
또한, 상기 파장변환층 상부에 투명소재로 된 기판이 형성되거나, 상기 파장변환층과 상기 제1투명전극층 사이에 투명소재로 된 기판이 형성될 수 있다.
바람직하게는 상기 제1광흡수층은 자외선, 가시광선 및 적외선의 광을 흡수하여 전력 생성에 기여하는 소재로 형성되고, 상기 반투명 광흡수층은 자외선의 광은 흡수하여 전력생성에 기여하고, 가시광선 및 적외선광은 투과시키는 소재로 형성된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 파장변환층은 투명유무기물질에 파장변환물질인 형광체 또는 파장변환 염료가 분산된 상태로 형성되고, 상기 파장변환 염료는 녹황색을 적색근적외선으로 변환하는 perylene(Lumogen Red)을 포함하고, 상기 형광체는 근자외선을 청색으로 변환하는 (Sr,Mg)2SiO4:Eu, 근자외선, 녹색을 적색으로 변환하는 Ba3Y2WO9:Mn4+ 중 적어도 하나 이상을 포함하며, 상기 제1광흡수층은 불투명 페로브스카이트(perovskite) 구조인 APbI3 (A = MA, FA, Cs)로 형성되고, 상기 반투명 광흡수층은 반투명 페로브스카이트(perovskite) 구조인 APbCl3, APbCl3-xBrx (A = MA, FA, Cs ) 중 어느 하나로 형성된다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스마트팜용 태양전지의 제조방법은 상기 파장변환층, 상기 제1투명전극층, 상기 전자수송층, 상기 제2투명전극층이 순차적으로 적층되게 제조하되, 상기 전자수송층 하부에 상호 이격되게 형성되는 상기 제1광흡수층 및 상기 반투명 광흡수층은 상기 반투명 광흡수층의 점유면적이 상기 제1광흡수층의 점유 면적의 3배 내지 10배가 되게 제조한다.
본 발명에 따른 광합성파장대역 투과형 스마트팜용 태양전지 및 그 제조방법에 의하면 태양광을 농작물 재배용과 태양광 발전용으로 동시에 활용할 수 있는 장점을 제공한다. 또한, 유리온실의 투명패널을 본 태양전지로 대체하면 전력공급원이 됨과 동시에 온실구조물로서 기능하여 자체전원공급형 스마트팜을 용이하게 구현할 수 있게 지원할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜용 태양전지의 단면도이고,
도 2는 도 1의 파장변환층에서의 파장변환을 설명하기 위한 파장변환 그래프이고,
도 3은 도 1의 반투명 광흡수층과 제1흡수층의 점유면적에 대한 상대 비율을 설명하기 위한 평면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜용 태양전지의 단면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 도 1의 스마트팜용 태양전지의 파장별 광이용 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 파장변환층에서의 파장변환을 설명하기 위한 파장변환 그래프이고,
도 3은 도 1의 반투명 광흡수층과 제1흡수층의 점유면적에 대한 상대 비율을 설명하기 위한 평면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜용 태양전지의 단면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 도 1의 스마트팜용 태양전지의 파장별 광이용 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트팜용 태양전지 및 그 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트팜용 태양전지의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 스마트팜용 태양전지(100)는 기판(110), 파장변환층(120), 제1투명전극층(130), 전자수송층(140), 제1광흡수층(150), 반투명 광흡수층(160), 정공수송층(170) 및 제2투명전극층(180)을 구비한다.
기판(110)은 지지체로 이용되고, 투명소재 예를 들면, 유리소재 등 공지된 다양한 소재로 형성된 것을 적용하면 된다.
기판(110)은 파장변환층(120) 상부에 마련되어 있다. 이와는 다르게 기판(110)의 두께가 얇은 경우 도 4에 도시된 바와 같이 파장변환층(120) 하부에 배치되게 적용할 수 있다. 즉, 파장변환층(120)이 외부에 노출되고, 기판(110)이 파장변환층(120) 하부에 배치되게 구축될 수 있음은 물론이다.
파장변환층(120)은 입사된 광의 파장을 변환한다.
파장변환층(120)은 입사된 광에 대해 식물광합성에 필요하지 않은 파장대역을 식물광합성에 필수적인 파장대역으로 변환하여 출사하도록 구축된다.
파장변환층(120)은 식물광합성에 필요하지 않은 파장대역인 녹황색광(500 내지 600nm) 및 자외선을 식물광합성에 필수적인 파장대역인 적색광 및 근적외선(600 내지 1100nm)으로 변환하도록 구축될 수 있다.
또한, 파장변환층(120)은 광합성 효율 증진을 위해 근자외선(300 내지 400nm)을 흡수하여 청색광(400 내지 500nm)으로 변환하여 출사하도록 구축될 수 있음은 물론이다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 파장변환층(120)은 a1으로 표기된 근자외선(300 내지 400nm)을 흡수하여 a2로 표기된 청색광(400 내지 500nm)으로 변환하고, b1으로 표기된 녹황색(500 내지 600nm)광을 b2로 표기된 적색광 및 근적외선(600 내지 1100nm)으로 변환하도록 구축될 수 있다.
파장변환층(120)은 투명 유무기물질에 파장변환물질인 형광체 또는 염료가 분산된 상태로 형성될 수 있다.
여기서, 유기물질은 PDMS, 실록산 수지, 실리콘(silocone), EVA, 에폭시(epoxy)가 적용될 수 있고, 무기물질로서는 유리(glass), SOG(spin-on-glass)가 적용될 수 있다.
또한, 파장변환 염로로서는 녹황색을 적색근적외선으로 변환하는 perylene(Lumogen Red)이 적용될 수 있고, 형광체는 근자외선을 청색으로 변환하는 (Sr,Mg)2SiO4:Eu, 근자외선, 녹색을 적색으로 변환하는 Ba3Y2WO9:Mn4+ 중 적어도 하나 이상의 형광체가 적용될 수 있다.
제1투명전극층(130)은 파장변환층(120)의 하부에 배치되며 투명 도전소재로 형성된다. 제1투명전극층(130)은 생성된 전력을 방출하는 전극으로 이용되며, 태양광의 투과율이 높은 FTO(fluorine doped tin oxide), ITO(indium tin oxide) 박막으로 형성될 수 있다.
전자수송층(140)은 제1투명전극층(130) 하부에 배치되어 있다.
전자수송층(140)은 제1광흡수층(150)에서 생성된 전자를 원활하게 추출 및 전달하는 층으로 TiO2, SnO2, ZnO, NiO로 형성될 수 있다.
제1광흡수층(150)은 전자수송층(140) 하부에 상호 이격되게 형성되며 입사된 광을 흡수하여 전력으로 변환하기 위해 적용되어 있고, 복수개가 적용되어 있다.
제1광흡수층(150)은 도 2에 C로 표기된 파장대역인 자외선, 가시광선 및 적외선의 광을 모두 흡수하여 전력 생성에 기여하는 소재로 형성된다.
제1광흡수층(150)은 태양광의 전영역의 파장을 흡수하고, 흡수된 광으로부터 전자 및 정공을 형성하는 광전변환을 통해 전력생산에 기여하는 층이다.
제1광흡수층(150)은 불투명 페로브스카이트(perovskite) 구조인 APbI3 (단, A = MA, FA, Cs)로 형성될 수 있다.
반투명 광흡수층(160)은 제1광흡수층(150) 사이에 형성되며 입사된 광의 적어도 일부를 투과시킨다.
반투명 광흡수층(160)은 도 2에서 D로 표기된 곡선과 같이 자외선의 광은 흡수하여 전력생성에 기여하고, 가시광선 및 적외선광은 투과시키는 소재로 형성된다.
반투명 광흡수층(160)은 자외선과 자외선 보다 짧은 파장의 광을 흡수하고, 흡수된 광으로부터 전자 및 정공을 형성하는 광전변환을 통해 전력생산에 기여하는 층이다. 반투명 광흡수층(160)은 반투명 페로브스카이트(perovskite) 구조인 APbCl3, APbCl3-xBrx (단, A = MA, FA, Cs ) 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
여기서, 도 3에 도시된 바와 같이 동일평면상에 상호 구획되어 폭a를 갖게 형성된 제1광흡수층(150)과 폭b를 갖게 형성된 반투명 광흡수층(160)에 대해 반투명 광흡수층(160)의 점유 전체 면적은 제1광흡수층(150)의 점유 면적의 3배 내지 10배로 적용한다.
바람직하게는 동일 평면상에서 상호 구획되게 분할배치되는 반투명 광흡수층(160)과 제1광흡수층(150)에 대해 제1광흡수층(150)의 점유 면적은 반투명 광흡수층(160)의 면적의 1/3이하, 바람직하게는 1/3 내지 1/5로 적용한다.
제1광흡수층(150)과 반투명 광흡수층(160) 면의 전류를 비슷하게 분배하기 위해서 제1광흡수층(150)의 전류밀도가 반투명 광흡수층(160)의 전류밀도 대비 약 3배 이상이므로 광흡수층의 면적을 1/3 이하로 설정한다. 또한, 이러한 점유 비율 조정에 의해 하부에 배치된 식물에 충분한 태양광을 공급할 수 있다.
정공수송층(170)은 제1광흡수층(150)과 반투명 광흡수층(160) 하부에 배치되어 있다.
정공수송층(170)은 제1광흡수층(150)에서 생성된 정공을 원활하게 추출 및 전달하는 층으로서, Spiro-mF, Spiro-MeOTAD, PEDOT:PSS 로 형성될 수 있다.
제2투명전극층(180)은 정공수송층 하부에 배치되어 있고, 투명도전소재로 형성되어 있다.
제2투명전극층(180)은 생성된 전력을 방출하는 전극으로 이용되며, 태양광의 투과율이 높은 FTO, ITO 박막 또는 그래핀(graphene), 은나노와이어가 부가된 ITO, 은나노와이어, CNT로 형성될 수 있다.
이러한 구조에 의하면, 도 5에 도시된 바와 같이 태양전지(100)에 입사한 태양광은 파장변환층(120)에서 앞서 설명된 바와 같이 녹황색 파장을 적색 및 근적외선으로 변환시키고 하부로 이동하여 제1광흡수층(150)에서는 자외선 이하 파장을 모두 흡수하고 지외선을 제외한 가시광선 및 적외선광을 포함하는 나머지 파장의 광은 반투명광흡수층(150)에서 투과되어 하부로 방출되어 식물의 광합성에 이용된다.
이러한 스마트팜용 태양전지는 도 1에 도시된 구조로 기판(110), 파장변환층(120), 제1투명전극층(130), 전자수송층(140), 제1광흡수층(150) 및 반투명 광흡수층(160), 정공수송층(170) 및 제2투명전극층(180)이 순차적으로 적층되게 형성하거나, 도 4에 도시된 구조로 제조하면 된다.
< 제조예 1 >
유리 기판에 녹황색 흡수/여기 적색발광형 형광체인 Ba3Y2WO9:Mn4+를 3wt.% 함유한 SOG(spin-on-glass)를 스핀코팅(spin-coating)한 후, 제1투명전극층으로 FTO 층을 진공증착코팅하고, 전자수송층으로 TiO2를 스핀코팅하고 그 위에 면적 75% 영역에 MAPbCl3를, 나머지 25% 영역에 MAPbCl2.4Br0.6를 스크린 프린팅하여 반투명광흡수층 및 제1광흡수층을 형성하고, 후속으로 정공수송층을 Spiro-MeOTAD로 스핀코팅하고 제2투명전극층을 ITO로 진공증착하여 태양전지를 구현함
[제조예 2]
제1투명전극층으로 FTO가 코팅된 유리 기판에 제1투명전극층인 FTO 층 위에 전자수송층으로 TiO2를 스핀코팅하고, 그 위에 면적 75% 영역에 MAPbCl3를, 나머지 25% 영역에 MAPbCl2.4Br0.6를 스크린 프린팅하여 반투명광흡수층 및 제1광흡수층을 형성하고, 후속으로 정공수송층을 Spiro-MeOTAD로 스핀코팅하고, 제2투명전극층을 ITO로 진공증착하여 태양전지층을 구현한 후, 유리기판 반대편에 청녹황색 흡수/여기 적색발광형 염료 perylene을 1.5wt.% 함유한 무기실리콘(silicone)수지를 스핀코팅하여 태양전지를 구현함
이상에서 설명된 광합성파장대역 투과형 스마트팜용 태양전지 및 그 제조방법에 의하면 태양광을 농작물 재배용과 태양광 발전용으로 동시에 활용할 수 있는 장점을 제공한다. 또한, 유리온실의 투명패널을 본 태양전지로 대체하면 전력공급원이 됨과 동시에 온실구조물로서 기능하여 자체전원공급형 스마트팜을 용이하게 구현할 수 있게 지원할 수 있다.
110: 기판 120: 파장변환층
130: 제1투명전극층 140: 전자수송층
150: 제1광흡수층 160: 반투명 광흡수층
170: 정공수송층 180: 제2투명전극층
130: 제1투명전극층 140: 전자수송층
150: 제1광흡수층 160: 반투명 광흡수층
170: 정공수송층 180: 제2투명전극층
Claims (7)
- 입사된 광의 파장을 변환하는 파장변환층과;
상기 파장변환층의 하부에 배치되며 투명소재로 된 제1투명전극층과;
상기 제1투명전극층 하부에 배치된 전자수송층과;
상기 전자수송층 하부에 상호 이격되게 형성되며 입사된 광을 흡수하여 전력으로 변환하기 위한 복수개의 제1광흡수층과;
상기 제1광흡수층과 동일 평면상에서 상기 제1광흡수층 사이에 형성되며 입사된 광의 적어도 일부를 투과시키는 반투명 광흡수층과;
상기 제1광흡수층과 상기 반투명 광흡수층 하부에 배치된 정공수송층과;
상기 정공수송층 하부에 투명소재로 형성되어 배치된 제2투명전극층;을 구비하고,
상기 반투명 광흡수층의 면적은 상기 제1광흡수층의 면적의 3배 내지 10배이며,
상기 제1광흡수층은 자외선, 가시광선 및 적외선의 광을 흡수하여 전력 생성에 기여하는 소재로 형성되고,
상기 반투명 광흡수층은 자외선의 광은 흡수하여 전력생성에 기여하고, 가시광선 및 적외선광은 투과시키는 소재로 형성되며,
상기 파장변환층은 투명유무기물질에 파장변환물질인 형광체 또는 파장변환 염료가 분산된 상태로 형성되고,
상기 파장변환 염료는 녹황색을 적색근적외선으로 변환하는 perylene(Lumogen Red)을 포함하고,
상기 형광체는 근자외선을 청색으로 변환하는 (Sr,Mg)2SiO4:Eu, 근자외선, 녹색을 적색으로 변환하는 Ba3Y2WO9:Mn4+ 중 적어도 하나 이상을 포함하며,
상기 제1광흡수층은 불투명 페로브스카이트(perovskite) 구조인 APbI3 (A = MA, FA, Cs)로 형성되고,
상기 반투명 광흡수층은 반투명 페로브스카이트(perovskite) 구조인 APbCl3, APbCl3-xBrx (A = MA, FA, Cs ) 중 어느 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 스마트팜용 태양전지. - 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 파장변환층 상부에 투명소재로 된 기판이 형성된 것을 특징으로 하는 스마트팜용 태양전지.
- 제1항에 있어서, 상기 파장변환층과 상기 제1투명전극층 사이에 투명소재로 된 기판이 형성된 것을 특징으로 하는 스마트팜용 태양전지.
- 삭제
- 삭제
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