KR102653690B1 - 태양전지 배터리 일체형 디바이스 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양전지 배터리 일체형 디바이스에 관한 것으로서, 제1전극; 상기 제1 전극에 대향하는 제2전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비되는 전해질; 상기 제1 전극 상에 형성되고, 제1 파장영역대의 광을 흡수하는 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 형성되고 제2 파장영역대의 광을 흡수하고 상기 전해질을 통해 이동하는 양이온을 저장 및 방출하는 광흡수저장층을 포함한다.

Description

태양전지 배터리 일체형 디바이스 및 그의 제조방법{PHOTO-RECHARGEABLE BATTERY AND METHOD OF FABRICATING THE SAME}
본 발명은 태양전지 배터리 일체형 디바이스 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 효율성을 향상시킨 태양전지와 배터리가 일체화된 구조의 태양전지 배터리 일체형 디바이스 및 그의 제조방법에 관한 것이다
근래의 고용량 소형 배터리 기술의 필요에 따라, 에너지 밀도가 높은 2차전지의 사용이 증대되고, 그에 따라 2 차전지의 성능 개선을 위한 다양한 연구가 개발되고 있다. 이러한 2차전지를 전원 공급을 위해 주기적으로 소정 시간 동안 충전을 해주어야 하는 불편함을 가진다.
이러한 이유로, 대한민국특허 제10-2003-0081250호는 광전지 패널과 충전배터리를 일체화한 광전지 충전배터리를 개시한다. 하지만 광전지 충전배터리는 광전지 패널과 충전배터리는 개별적으로 구성되며, 광전지 패널과 충전배터리가 실질적으로 일체화되어 있지 않아 소형화가 어렵고 효율성이 떨어진다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명은 소형화가 가능하며, 효율성을 향상시킨 태양전지 배터리 일체형 디바이스를 제공하는 것에 목적이 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지 배터리 일체형 디바이스는, 제1전극; 상기 제1 전극에 대향하는 제2전극; 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비되는 전해질; 상기 제1 전극 상에 형성되고, 제1 파장영역대의 광을 흡수하는 광흡수층; 및 상기 광흡수층 상에 형성되고 제2 파장영역대의 광을 흡수하고 상기 전해질을 통해 이동하는 양이온을 저장 및 방출하는 광흡수저장층을 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 전해질은, 고체전해질 및 액체전해질 중 어느 하나로 구비되고, 상기 전해질이 액체전해질인 경우, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이를 분리하는 세퍼레이터를 더 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 제1 파장영역대가 상기 제2 파장영역대보다 단파장영역대에 속한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수층은 10nm 내지 1um의 두께로 형성될 수 있다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수층의 전체중량 대비 상기 광흡수층에 포함된 제1 광활성물질의 중량비는, 상기 광흡수저장층의 전체중량 대비 상기 광흡수저장층에 포함된 제2 광활성물질의 중량비보다 크게 형성된다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수층은 도전재 및 바인더를 포함하지 않고, 상기 광흡수저장층은 도전재 및 바인더를 포함한다..
또한 실시예에 있어서, 상기 바인더는 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리헥사플루오르프로필렌-폴리비닐리덴플루오라이드 코폴리머, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴 및 카르복실메틸셀룰로오스(CMC), 열가소성 폴리에스테르 수지 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되고, 상기 도전재는 흑연, 기상탄화탄소섬유(Vapor Grown Carbon fibers), 케첸 블랙(Ketjen black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다중벽탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube), 메조기공탄소(Ordered Mesoporous Carbon)로 이루어진 군에서 선택된다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수층은, 전체 중량 100중량부(wt%) 대비 제1 광활성물질을 95(wt%) 초과 100중량부(wt%) 이내로 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수저장층은, 전체 중량 100중량부(wt%) 대비 제2 광활성물질 60 내지 95중량부(wt%), 도전재 2 내지 20중량부(wt%), 및 결합재 3 내지 20중량부(wt%)를 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수저장층은, 페로브스카이트 소재를 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극 상에 제1 파장영역대의 광을 흡수하는 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 상에, 제2 파장영역대의 광을 흡수하고 양이온을 저장 및 방출하는 광흡수저장층을 형성하는 단계; 제2 전극을 형성하는 단계; 및 전해질을 형성하는 단계를 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 전해질은, 고체전해질 및 액체전해질 중 어느 하나로 구비되고, 상기 전해질이 액체전해질인 경우, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이를 분리하는 세퍼레이터를 형성하는 과정을 더 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 제1 파장영역대가 상기 제2 파장영역대보다 단파장영역대에 속한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수층은 10nm 내지 1um의 두께로 형성된다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수층의 전체중량 대비 상기 광흡수층에 포함된 제1 광활성물질의 중량비는, 상기 광흡수저장층의 전체중량 대비 상기 광흡수저장층에 포함된 제2 광활성물질의 중량비보다 크게 형성된다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수층은 도전재 및 바인더를 포함하지 않고, 상기 광흡수저장층은 도전재 및 바인더를 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 바인더는 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리헥사플루오르프로필렌-폴리비닐리덴플루오라이드 코폴리머, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴 및 카르복실메틸셀룰로오스(CMC), 열가소성 폴리에스테르 수지 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되고, 상기 도전재는 흑연, 기상탄화탄소섬유(Vapor Grown Carbon fibers), 케첸 블랙(Ketjen black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다중벽탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube), 메조기공탄소(Ordered Mesoporous Carbon)로 이루어진 군에서 선택된다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수층은, 전체 중량 100중량부(wt%) 대비 제1 광활성물질을 95(wt%) 초과 100중량부(wt%) 이내로 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수저장층은, 전체 중량 100중량부(wt%) 대비 제2 광활성물질 60 내지 95중량부(wt%), 도전재 2 내지 20중량부(wt%), 및 결합재 3 내지 20중량부(wt%)를 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 광흡수저장층은, 페로브스카이트 소재를 포함한다.
본 발명에 따르면, 태양전지 배터리 일체형 디바이스는 광 조사시 전력생산이 가능하며, 전력을 자체적으로 저장할 수 있어 경량화 및 소형화가 가능하다.
본 발명에 따르면, 적외선을 흡수하는 광흡수저장층 상에 가시광선을 흡수하는 광흡수층을 부가함으로써, 광흡수 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지-배터리 일체형 디바이스의 단면도이다.
도 2는 도 1a에 도시된 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 충방전시의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1a에 도시된 광흡수저장층의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시 형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 단면도이고, 도 2는 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 충방전시의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 태양전지 배터리 일체형 디바이스에서 전해질(150)은 액체전해질 또는 고체전해질로 구비된다.
도 1a에서의 전해질(150)은 액체전해질이며, 양이온을 통과시키고 전자를 차단하기 위해 세퍼레이터(140)를 포함한다. 한편 도 1b에서의 전해질(150)은 고체전해질이며, 고체전해질은 도 1a에서의 액체전해질의 기능 및 세퍼레이터(140)의 기능을 모두 포함한다.
도 1a를 참조하면, 태양전지 배터리 일체형 디바이스(100)는 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 세퍼레이터(140), 전해질(150), 광흡수층(160), 광흡수저장층(170)을 포함한다. 여기서 전해질은 액체전해질이다.
그리고 도 1b를 참조하면, 태양전지 배터리 일체형 디바이스(100)는 기판(110), 제1 전극(120), 제2 전극(130), 전해질(150), 광흡수층(160), 광흡수저장층(170)을 포함한다. 여기서 전해질은 고체전해질이며, 고체전해질은 세퍼레이터의 기능을 포함한다.
이하 도 1a를 참조하여 전해질이 액체전해질인 태양전지 배터리 일체형 디바이스에 대해 설명한다. 그리고 도 1b과 같이 전해질이 고체전해질인 경우는 설명이 중복되므로 설명을 생략한다.
기판(110)은 디바이스 전체를 지지하며, 광을 투과시키는 기능을 수행한다.
기판(110) 상에 제1 전극(120), 광흡수층(160), 광흡수저장층(170), 세퍼레이터(140), 제2 전극(120)이 순차적으로 적층되며, 제1 전극과 제2 전극 사이에는 전해질(150)이 개재된다.
기판(110)은 광을 투과시킬 수 있는 소재를 포함한다. 기판(110)을 투과한 광은 광흡수층(160) 및 광흡수저장층(170)에 제공된다.
기판(110)은 광의 투과가 가능한 유리, 플라스틱, 플라스틱 필름 중 어느 하나의 소재를 포함한다.
이때 플라스틱 필름은 화학정안정성, 기계적강도, 투명도, 유연성이 높은 소재로 형성될 수 있다. 플라스틱 필름은, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리스티렌(PS), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 폴리에틸렌설포네이트(PES), 폴리옥 시메틸렌(POM), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르설폰(PES) 및 폴리에테르이미드(PEI) 중 적어도 어느 하나로 선택될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 전극(120)은 기판(110) 상에 형성되며, 광흡수층(160) 및 광흡수저장층(170)의 홀/전자이동에 관여한다. 제1 전극(120)은 기판(110)을 투과한 광이 광흡수층(160) 및 광흡수저장층(170)에 도달되도록 투명한 전도성 금속산화물을 포함한다.
투명한 전도성 금속산화물은 산화주석인듐(indium tin oxide, ITO), 불소함유 산화주석 (fluorine doped tin oxide; FTO), 알루미늄이 도핑된 징크 옥사이드(aluminium doped zink oxide, AZO), IZO (indium zinc oxide), ZnO-Ga2O3, ZnOAl2O3 및 ATO (antimony tin oxide) 중 어느 하나로 선택될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
제2 전극(130)은 충전가능한 이차전지의 양극 또는 음극이 될 수 있으며, 충전극이 양극인 경우, 양이온을 제공할 수 있는 리튬금속이나 리튬을 포함한 산화물(LiCoO2, LiNiCoMnO2, LiMnO2, LiFeO4)을 포함할 수 있고, 음극일 경우 흑연(graphite)을 포함할 수 있다.
세퍼레이터(140)는 제1 전극(120) 및 제2 전극(130)을 물리적으로 분리하며, 양이온을 통과시키고, 전자의 이동을 차단한다.
전해질(150)은 광흡수저장층(170)과 제2 전극(130) 사이에서 양이온이 이동할 수 있게 한다. 전해질은 이미 널리 사용되고 있는 액체전해질, 겔폴리머 전해질, 고체전해질 중 어느 하나로 구비될 수 있다. 한편 전해질이 고체전해질인 경우, 세퍼레이터(140)는 생략될 수 있다.
전해질의 경우, 광산란입자를 포함할 수 있다. 광산란입자는 투명한 재질을 포함하며, 광흡수층(160) 및 광흡수저장층(170)에 흡수되지 못하고 투과하여 전해질(150)에 도달한 광을 산란시켜 산란된 광의 일부를 광흡수층(160) 및 광흡수저장층(170)으로 되돌림으로써 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 효율을 증가시킬 수 있다.
광흡수층(160)은 제1 파장영역대의 광을 흡수하여 홀전자쌍을 생성하고, 제2 전극(120)에 도선을 통해 전자를 제공한다.
구체적으로 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 동작을 설명하는 도 2를 참조하면, 충전시, 광흡수층(160)은 광을 흡수하여 홀전자쌍을 생성하고, 도선을 통해 제2 전극(130)에 전자를 제공한다. 방전시, 광흡수층(160)은, 제2 전극(120)으로부터 도선을 통해 제공되는 전자를 흡수한다.
광흡수저장층(170)은 광을 흡수하여 홀전자쌍을 생성하여 도선을 통해 전자를 제2 전극(130)에 제공하며, 제2 전극(130)으로부터 전해질(150)을 통해 제공되는 양이온을 저장하거나 전해질(150)을 통해 제2 전극(130)에 양이온을 제공하는 기능을 수행한다.
일반적으로 태양전지의 경우, 발전능력은 있지만 저장능력이 없어서, 광충전에 의해 발생한 전력을 저장할 별도의 배터리가 필요하다. 본 발명의 경우, 광흡수저장층이 광을 흡수하여 광전효과를 일으킬 뿐만 아니라 양이온의 저장 및 방출을 통해 저장능력도 구비함으로써 별도의 배터리가 필요하지 않게 된다.
도 2의 (a)를 참조하면, 광충전 과정에서, 광흡수저장층(170)은, 광을 흡수하여 홀전자쌍을 생성하고, 도선을 통해 제2 전극(130)에 전자를 제공한다. 이와 동시에 광흡수저장층(170)은 리튬양이온(Li+)을 방출하고 방출된 리튬양이온(Li+)을 전해질(150)을 통해 제2 전극(130)에 제공한다. 제2 전극(130)에 제공된 리튬양이온(Li+)은 리튬(Li)으로 환원된다. 도 2에서 양이온이 리튬양이온(Li+)으로 설명되었지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
방전과정에서, 광흡수저장층(170)은, 제2 전극(120)으로부터 도선을 통해 제공되는 전자에 정공을 제공하과 동시에, 제2 전극(120)으로부터 방출되어 전해질(150)을 통과해온 리튬양이온(Li+)을 흡수하여 저장한다.
광흡수층(160)이 흡수하는 광의 제1 파장영역대는 광흡수저장층(170)이 흡수하는 광의 제2 파장영역대보다 단파장영역대에 속한다.
광흡수층(160)이 흡수하는 광의 제1 파장영역대는 380 내지 780nm 파장인 가시광선영역이 될 수 있으며, 광흡수저장층(170)이 흡수하는 광의 제2 파장영역대는 750 내지 1000nm 파장으로서 적외선영역이 될 수 있다.
상기와 달리, 제1 파장영역대는 가시광선 영역 중 높은 파장대영역이고, 제2 파장영역대는 가시광선 영역 중 제1 파장영역대보다 낮은 가시광선 파장대영역 및 적외선 영역 중 적어도 하나가 될 수 있으며, 제1 파장영역대가 제2 파장영역대보다 단파장영역에 해당되되, 일부의 파장영역은 중첩될 수도 있다.
광흡수저장층(170)은 광흡수층(160)보다 두껍게 형성된다. 바람직하게는 광흡수층(160)의 두께는 10nm 내지 1um로 형성되고, 광흡수저장층(170)의 두께는 1um 내지 1000um로 형성될 수 있다.
광흡수층(160)은 전체중량대비 중량비(wt%)가 95(wt%)를 초과하며 100(wt%)이내의 제1 광활성물질을 포함하므로 광흡수저장층의 두께보다 얇은 두께로 형성할 수 있다. 광흡수층(160)의 두께가 1um를 초과하는 경우, 광흡수량은 증가하지만, 광흡수층(160)과 제1 전극(120)과의 결합이 약해지고 결함이 발생할 수 있다. 그리고 광흡수저장층(170)의 두께가 1um이하로 형성되는 경우, 양이온 저장능력이 떨어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 제1 전극(120)에 접하는 광흡수층(160)의 두께를 광흡수저장층(170)의 두께보다 얇게 형성함으로써, 광흡수저장층(170)에 도달하는 제2 파장대역의 광의 손실을 최소화할 수 있다.
제2 파장대역인 장파장대역의 광은 제1 파장대역인 단파장대역의 광보다 투과율이 높다. 본 발명은 광흡수층(160)을 제1 전극(120)과 광흡수저장층(170) 사이에 배치함으로써, 제2 파장대역인 장파장대역의 광이 광흡수층(160)을 투과할 때 광흡수저장층(170)에 도달하는 광량의 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명과 달리 광흡수저장층(170)과 광흡수층(160)의 위치가 바뀌면, 제1 파장대역인 단파장대역의 광은 광흡수저장층(170)을 투과할 때 광흡수층(160)에 도달하는 광량손실이 증가하게 된다.
광흡수층(160)은 제1 광활성물질을 포함하지만 도전재 및 바인더는 포함하지 않는다. 그리고 광흡수저장층(170)은 제2 광활성물질, 도전재 및 바인더를 포함한다. 광흡수저장층(170)은 도전재 및 바인더를 포함함으로써 광흡수층(160)보다 두꺼운 두께로 형성될 수 있고, 도전재를 포함함으로써 양이온의 저장능력을 향상시킬 수 있다.
도전재는 흑연, Super C, 기상탄화탄소섬유(Vapor Grown Carbon fibers), 케첸 블랙(Ketjen black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다중벽탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube), 메조기공탄소(Ordered Mesoporous Carbon)로 이루어진 군에서 선택된다.
바인더는 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리헥사플루오르프로필렌-폴리비닐리덴플루오라이드 코폴리머, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴 및 카르복실메틸셀룰로오스(CMC), 열가소성 폴리에스테르 수지, 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택된다.
광흡수저장층(170)의 제2 광활성물질은 양이온 저장기능 및 광전변환기능을 갖는 페로브스카이트 소재를 포함한다. 그리고 광흡수층(160)의 제1 광활성물질은 양이온 저장기능없이 광전변환기능을 갖는 페로브스카이트 소재 또는 그외 현재까지 알려진 다른 종류의 광활성물질을 포함할 수 있다.
페로브스카이트 소재는 ABX3로 나타낼 수 있고, A는 메틸암모늄, 포르마미디늄, 페닐아민, 페닐메틸아민, 페닐에틸아민 및 세슘 중 적어도 하나이고, B는 Pb 및 Sn 중 어느 하나이고, X는 I, Br 및 Cl 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
광흡수층(160)은 전체 중량 100중량부(wt%) 대비 제1 광활성물질을 96 내지 100중량부(wt%)를 포함한다.
광흡수층(160)은 얇은 층으로 구성되므로, 바인더 없이도 제1 전극(120)에 접합이 가능하다. 또한 광흡수층(160)은 고순도의 제1 광활성물질을 포함하고 있어 얇은 층으로 이루어지더라도 제1 파장대역의 광을 효율적으로 흡수할 수 있을 뿐만 아니라, 얇은 층으로 이루어진 광흡수층(160)을 거쳐 광흡수저장층(170)에 도달하는 제2 파장대역의 광의 손실을 최소화할 수 있다.
광흡수저장층(170)은 전체 중량 100중량부(wt%) 대비 제2 광활성물질 60 내지 95중량부(wt%), 도전재 2 내지 20중량부(wt%), 및 결합재 3 내지 20중량부(wt%)를 포함한다. 광흡수저장층(170)은 광흡수층(160)에 비해 두꺼운 층으로 구성되며, 바인더를 포함하므로 광흡수층(160)에 접합이 가능하다. 또한 광흡수저장층(170)은 광흡수층(160)에 비해 저순도의 제2 광활성물질을 포함하고 있지만, 광흡수층(160)보다 두꺼운 층으로 이루어져 제2 파장대역의 광을 효율적으로 흡수할 수 있다.
또한 광흡수저장층(170) 상에 위치한 광흡수층(160)은 복수로 구비될 수도 있다. 광흡수층(160)이 복수로 구비되는 경우, 제1 전극(120) 쪽에 가까울수록 광흡수층의 두께가 더 얇게 구비되고, 더 짧은 파장영역대의 광을 흡수하도록 형성될 수 있다. 광흡수층(160)이 흡수하는 광의 파장영역대가 광활성물질마다 서로 다르므로, 복수의 서로 다른 파장영역대의 광을 흡수하는 광흡수층들은 서로 다른 파장대역의 광을 흡수하여 광흡수율을 높일 수 있다. 한편, 제1 전극(120) 쪽에 가까울수록 광흡수층의 두께를 더 얇게 형성함으써, 해다 광흡수층을 통과하는 광이 손실을 최소활 수 있다. 또한 광흡수층을 복수로 형성하는 것과 같은 방식으로 광흡수저장층(170)을 복수로 구비할 수도 있다.
도 3은 광흡수저장층의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 광흡수저장층(170)이 층상구조인 경우, 세퍼레이터(140)를 통과한 양이온은 광전극(130)의 층간에서 저장/방출될 수 있다. 광흡수저장층(170)이 3차원 구조인 페로브스카이트 소재를 포함하는 경우, 페로브스카이트 소재를 제1 전극(120)에 층상구조로 배열하여 다시 2차원 구조를 중첩하여 형성할 수 있다. 아울러, 본 실시예와 같이 광흡수저장층(170)의 층상구조 내부에 양이온과 정전기적 인력결합 가능한 관능기(171)가 포함되면, 광흡수저장층(170)의 양이온의 저장효율을 추가적으로 더 높일 수 있다.
도면에는 도시되지 않았지만, 태양전지 배터리 일체형 디바이스(100)는 제1 전극(120) 및 광흡수층(160) 사이에 개재되는 중간층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
중간층(미도시)은 광흡수층(160)에서 생성된 홀/전자 쌍에서 홀과 전자를 효과적으로 분리시키는 기능을 수행한다. 중간층(미도시)은 투명한 전도성 물질로 이루어져 광흡수층(160)에 도달하는 광손실을 최소화하면서, 광흡수층(160)에서 발생한 전자를 효과적으로 분리시켜 도선을 통해 제2 전극(130)으로 이동시킬 수 있다.
중간층(미도시)은 투명한 전도성 물질인 SnO2, TiO2, ZnO 및 PCBM([6,6]-페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 태양전지 배터리 일체형 디바이스 제조방법은, 제1 전극을 형성하는 단계; 상기 제1전극 상에 제1 파장영역대의 광을 흡수하는 광흡수층을 형성하는 단계; 상기 광흡수층 상에, 제2 파장영역대의 광을 흡수하고 상기 세퍼레이터를 통해 이동하는 이온을 저장 및 방출하는 광흡수저장층을 형성하는 단계; 제2 전극을 형성하는 단계; 상기 제1 및 제2 전극 사이를 분리하는 세퍼레이터를 형성하는 단계; 및 전해질을 주입하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 태양전지 배터리 일체형 디바이스를 제조하기 위하여, 먼저 기판 상에 제1전극, 광흡수층, 광흡수저장층을 형성하고, 이와 별도로 제2전극 상에 충전극을 형성한 후, 세퍼레이터를 위치시키고, 이온이동을 위해 전해질을 충전한다. 추가로, 외부의 수분이나 산소유입을 차단하기 위하여 실링 및 인캡슐레이션 단계를 수행할 수 있다.
전해질이 고체전해질인 경우, 세퍼레이터를 위치시키는 과정을 제외하고, 고체전해질을 광흡수저장층과 제2 전극 사이에 개재하고, 건조하여 고체전해질을 형성할 수 있다.
광흡수층을 형성하는 단계는, 제1 광활성물질 전구체 용액을 기판에 코팅하는 단계; 코팅된 기판은 70 내지 250℃ 사이에 서 3 내지 120분 사이로 열처리하는 단계; 25 내지 100℃의 진공오븐에서 코팅 층에 존재하는 유기 용매를 증발시키는 단계를 포함한다.
광흡수저장층을 형성하는 단계는 페로브스카이트 전구체, 도전재, 바인더를 포함한 슬러리를 제조하여 기판에 코팅하는 단계; 코팅된 기판은 70 내지 250℃ 사이에 서 5 내지 120분 사이로 열처리하는 단계; 25 내지 100℃의 진공오븐에서 코팅 층에 존재하는 유기 용매를 증발시키는 단계를 포함한다.
슬러리의 코팅은 스크린 프린팅(screen printing), 스핀코팅 (spin coating), 바-코팅(bar coating), 그라비아-코팅(gravure coating), 블레이드 코팅 (blade coating) 및 롤-코팅(roll coating) 등에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 방법으로 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따르면, 태양전지 배터리 일체형 디바이스는 광 조사시 전력생산이 가능하며, 전력을 자체적으로 저장할 수 있어 경량화 및 소형화가 가능하다.
본 발명에 따르면, 비교적 장파장역대의 광을 흡수하는 광흡수저장층과 제1 전극 사이에 비교적 단파장영역대의 광을 흡수하는 광흡수층을 부가함으로써, 광흡수 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범 위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 태양전지 배터리 일체형 디바이스
110: 기판
120: 제1 전극
130: 제2 전극
140: 세퍼레이터
150: 전해질
160: 광흡수층
170: 광흡수저장층

Claims (20)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1전극;
    상기 제1 전극에 대향하는 제2전극;
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 구비되는 전해질;
    상기 제1 전극 상에 형성되고, 제1 파장영역대의 광을 흡수하는 광흡수층; 및
    상기 광흡수층 상에 형성되고 제2 파장영역대의 광을 흡수하고 상기 전해질을 통해 이동하는 양이온을 저장 및 방출하는 광흡수저장층을 포함하며,
    상기 광흡수층의 전체중량 대비 상기 광흡수층에 포함된 제1 광활성물질의 중량비는, 상기 광흡수저장층의 전체중량 대비 상기 광흡수저장층에 포함된 제2 광활성물질의 중량비보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광흡수층은 도전재 및 바인더를 포함하지 않고, 상기 광흡수저장층은 도전재 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리헥사플루오르프로필렌-폴리비닐리덴플루오라이드 코폴리머, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴 및 카르복실메틸셀룰로오스(CMC), 열가소성 폴리에스테르 수지 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되고,
    상기 도전재는 흑연, 기상탄화탄소섬유(Vapor Grown Carbon fibers), 케첸 블랙(Ketjen black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다중벽탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube), 메조기공탄소(Ordered Mesoporous Carbon)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 광흡수층은, 전체 중량 100중량부(wt%) 대비 제1 광활성물질을 95(wt%) 초과 100중량부(wt%) 이내로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 광흡수저장층은, 전체 중량 100중량부(wt%) 대비 제2 광활성물질 60 내지 95중량부(wt%), 도전재 2 내지 20중량부(wt%), 및 결합재 3 내지 20중량부(wt%)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 제1 전극을 형성하는 단계;
    상기 제1전극 상에 제1 파장영역대의 광을 흡수하는 광흡수층을 형성하는 단계;
    상기 광흡수층 상에, 제2 파장영역대의 광을 흡수하고 양이온을 저장 및 방출하는 광흡수저장층을 형성하는 단계;
    제2 전극을 형성하는 단계; 및
    전해질을 형성하는 단계를 포함하며,
    상기 광흡수층의 전체중량 대비 상기 광흡수층에 포함된 제1 광활성물질의 중량비는, 상기 광흡수저장층의 전체중량 대비 상기 광흡수저장층에 포함된 제2 광활성물질의 중량비보다 큰 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 광흡수층은 도전재 및 바인더를 포함하지 않고, 상기 광흡수저장층은 도전재 및 바인더를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 바인더는 폴리비닐아세테이트, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌옥사이드, 폴리비닐피롤리돈, 폴리비닐에테르, 폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리헥사플루오르프로필렌-폴리비닐리덴플루오라이드 코폴리머, 폴리에틸아크릴레이트, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐클로라이드, 폴리아크릴로니트릴 및 카르복실메틸셀룰로오스(CMC), 열가소성 폴리에스테르 수지 및 이들의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되고,
    상기 도전재는 흑연, 기상탄화탄소섬유(Vapor Grown Carbon fibers), 케첸 블랙(Ketjen black), 덴카 블랙(Denka black), 아세틸렌 블랙, 카본 블랙, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube), 다중벽탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube), 메조기공탄소(Ordered Mesoporous Carbon)로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 제조방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 광흡수층은, 전체 중량 100중량부(wt%) 대비 제1 광활성물질을 95(wt%) 초과 100중량부(wt%) 이내로 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 제조방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 광흡수저장층은, 전체 중량 100중량부(wt%) 대비 제2 광활성물질 60 내지 95중량부(wt%), 도전재 2 내지 20중량부(wt%), 및 결합재 3 내지 20중량부(wt%)를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 배터리 일체형 디바이스의 제조방법.
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