KR20050087903A - Dye sensitized solar cell having unit cell arrangement of alternative electrode - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지는, 상,하부 투명기판과, 그 상,하부 투명기판의 내측 표면에 각각 형성된 도전성 투명전극과, 일측 도전성 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 TiO2 다공질 전극과, 타측 도전성 투명전극 위에 형성된 촉매 박막전극과, 상기 TiO2 다공질 전극과 촉매 박막전극 사이에 충전된 전해질과, 일측 단위셀과 타측 단위셀을 전기적으로 연결하는 단위셀 간 연결전극과, 일측 단위셀과 타측 단위셀을 전기적으로 절연하는 단위셀 간 절연체 및 상,하부 투명기판에 각각 마련된 외부 연결용 전극을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서, 상기 상,하부 투명기판 상에 상기 각 단위셀의 양극(+)과 음극(-)이 교대로 배열되도록 각 단위셀이 형성되고, 상기 단위셀 간을 연결하는 연결전극이 상부 기판과 하부 기판을 수직방향으로 연결하도록 형성되는 것이 아니라 이웃하는 단위셀들의 양극(+)과 음극(-)을 서로 수평방향으로 연결하도록 형성한다.A dye-sensitized solar cell having an arrangement structure of alternating polarity unit cells according to the present invention includes upper and lower transparent substrates, conductive transparent electrodes formed on inner surfaces of upper and lower transparent substrates, and one conductive transparent electrode. Formed on the surface of the TiO 2 porous electrode, the catalyst thin film electrode formed on the other conductive transparent electrode, the electrolyte filled between the TiO 2 porous electrode and the catalyst thin film electrode, one unit cell and the other unit cell. In a dye-sensitized solar cell comprising a connecting electrode between the unit cells for electrically connecting, an insulator between the unit cells electrically insulating one unit cell and the other unit cell and an external connection electrode provided on the upper and lower transparent substrates, respectively. Each of the unit cells is formed on the upper and lower transparent substrates so that the anodes (+) and the cathodes (-) of the unit cells are alternately arranged. The connecting electrode to be connected is not formed to connect the upper substrate and the lower substrate in the vertical direction, but is formed to connect the positive electrode (+) and the negative electrode (−) of neighboring unit cells in a horizontal direction.
이와 같은 본 발명에 의하면, 종래의 태양전지에서의 상,하 방향의 연결전극에 의한 비유효면적을 줄일 수 있고, 그 결과 모듈의 유효면적이 증가하여 모듈의 효율을 향상시킬 수 있다. According to the present invention, the effective area of the conventional solar cell by the connecting electrode in the vertical direction, can be reduced, and as a result, the effective area of the module can be increased to improve the efficiency of the module.
Description
본 발명은 염료감응형 태양전지에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존의 염료감응형 태양전지가 양극판과 음극판의 두 단일 판상에 각각 한 종류의 극성만을 가진 구조를 지니고 있는 것에 반하여, 동일 기판 위에 양극과 음극을 동시에 가진 패턴을 지니게 함으로써 집적모듈의 구조를 단순화 시키고, 전류-전압 특성을 향상시키며, 태양광을 양방향으로 받아들일 수 있는 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지에 관한 것이다. The present invention relates to a dye-sensitized solar cell, and more particularly, a conventional dye-sensitized solar cell has a structure having only one type of polarity on each of two single plates, a positive electrode plate and a negative electrode plate. The dye-sensitized solar cell has an array structure of unit cells of alternating polarity that can simplify the structure of the integrated module, improve current-voltage characteristics, and receive sunlight in both directions by having a pattern having both a positive electrode and a negative electrode. It is about.
염료감응형 태양전지 집적모듈은 상하 한 쌍의 기판 상에 다수의 태양전지 단위셀을 집적시켜 만들어진 모듈을 말한다. The dye-sensitized solar cell integrated module refers to a module made by integrating a plurality of solar cell unit cells on a pair of upper and lower substrates.
도 1은 종래 염료감응형 태양전지 집적 모듈의 구조를 보여주는 도면이다. 1 is a view showing the structure of a conventional dye-sensitized solar cell integrated module.
도 1을 참조하면, 종래 염료감응형 태양전지 집적 모듈은 상,하부 투명기판 (101a)(101b)과, 그 투명기판(101a)(101b)의 표면에 각각 형성되는 도전성 투명전극(102a)(102b), 일측 도전성 투명전극(102a) 위에 형성되며, 그 표면에는 염료가 흡착된 TiO2 다공질 전극(103), 타측 도전성 투명전극(102b) 위에 형성되는 촉매 박막전극(105), 상기 TiO2 다공질 전극(103)과 촉매 박막전극(105) 사이에 충전되는 전해질(104), 일측 단위셀과 타측 단위셀을 전기적으로 연결하는 단위셀 간 연결전극(106), 일측 단위셀과 타측 단위셀을 전기적으로 절연하는 단위셀 간 절연체 (107) 및 상,하부 투명기판(101a)(101b)에 각각 마련되는 외부 연결용 전극(108a) (108b)을 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, a conventional dye-sensitized solar cell integrated module includes upper and lower transparent substrates 101a and 101b and conductive transparent electrodes 102a and 132 formed on surfaces of the transparent substrates 101a and 101b, respectively. 102b), formed on one conductive transparent electrode 102a, and on the surface thereof, a TiO 2 porous electrode 103 having dye adsorbed thereon, a catalyst thin film electrode 105 formed on the other conductive transparent electrode 102b, and the TiO 2 porous The electrolyte 104 charged between the electrode 103 and the catalyst thin film electrode 105, the connection electrode 106 between the unit cells electrically connecting one unit cell and the other unit cell, and the one unit cell and the other unit cell are electrically And the external connection electrodes 108a and 108b provided on the unit cell insulator 107 and upper and lower transparent substrates 101a and 101b respectively insulated from each other.
이상과 같은 구성의 종래 염료감응형 태양전지는, 상부 기판(101a)에는 양극만으로 구성된 패턴을 만들고, 하부 기판(101b)에는 음극만으로 구성된 패턴을 만든 다음, 상부의 양극과 하부의 음극을 연결하는 연결전극(106)의 패턴을 따로 만들어서 상하부를 연결함으로써 한 전지에 다수의 단위셀들이 집적된 구조를 지니고 있다. 이 경우 상부의 양극은 상대 전극으로 불리우며 투명전극 위에 백금 또는 카본의 박막이 입혀진 구조를 지니고 있고, 하부의 음극은 투명전극 위에 나노다공질 상의 TiO2 및 TiO2 위에 단분자 막으로 흡착된 Ru(루테늄) 계열의 염료가 입혀진 구조를 지니고 있다. 양 전극 사이의 빈 공간은 액체전해질이나, 고분자겔 상태의 고체 전해질 또는 p형 반도체인 완전고체 전해질로 채워져 있다. 패턴에 따라 형성된 단위셀과 단위셀의 사이는 전기적 절연물에 의해 격리되어 있고, 하부 기판의 단위셀 음극에서 인접한 단위셀의 상부기판 양극으로 연결되는 연결전극(106)이 백금 또는 탄소전극으로 만들어져 있다.In the conventional dye-sensitized solar cell having the above-described configuration, a pattern consisting of only an anode is formed on the upper substrate 101a, and a pattern consisting only of a cathode is formed on the lower substrate 101b, and then the upper anode and the lower cathode are connected. A plurality of unit cells are integrated in one battery by connecting the upper and lower parts by making a pattern of the connection electrode 106 separately. In this case, the upper anode is called a counter electrode and has a structure in which a thin film of platinum or carbon is coated on the transparent electrode, and the lower cathode is a Ru (ruthenium) adsorbed as a monomolecular film on TiO 2 and TiO 2 on the nanoporous layer on the transparent electrode. ) Has a structure coated with a dye series. The empty space between the two electrodes is filled with a liquid electrolyte, a solid electrolyte in a polymer gel state, or a completely solid electrolyte, which is a p-type semiconductor. The unit cell formed according to the pattern and the unit cell are separated by an electrical insulator, and the connecting electrode 106 connected from the unit cell cathode of the lower substrate to the upper substrate anode of the adjacent unit cell is made of platinum or carbon electrode. .
한편, 이상과 같은 종래 염료감응형 태양전지는 실제로 태양광을 전기에너지로 변환시키는 부분과 광전변환이 일어나지 않는 부분으로 구분되는데, 단위셀과 단위셀 사이에 존재하는 절연체(107)와 단위셀의 연결을 위해 존재하는 상하기판 연결전극(106)이 광전변환이 일어나지 않는 부분에 속한다. 태양전지에서 태양광을 흡수하여 전기로 변환시키는 실용부위를 유효면적부라고 한다. 태양전지에는 유효면적부 외에 태양전지에서 발생한 전기를 효율적으로 출력하기 위한 금속 전극, 그리드 전극, 절연 패턴 등의 태양광의 광전 에너지변환을 할 수 없는 비유효면적부가 존재한다. 태양전지의 효율을 높이기 위해서는 비유효면적부를 줄이고, 유효면적부를 늘리는 것이 중요하다. On the other hand, the conventional dye-sensitized solar cell as described above is divided into the portion that actually converts sunlight into electrical energy and the photoelectric conversion does not occur, the insulator 107 between the unit cell and the unit cell of the unit cell The upper and lower substrate connecting electrodes 106 present for the connection belong to a portion where no photoelectric conversion occurs. The effective area that absorbs sunlight and converts it into electricity in the solar cell is called the effective area. In addition to the effective area, there is an ineffective area in which photovoltaic energy conversion, such as metal electrodes, grid electrodes, and insulating patterns, for outputting electricity generated from the solar cell efficiently is not possible. In order to increase the efficiency of the solar cell, it is important to reduce the effective area and increase the effective area.
전술한 종래 염료감응형 태양전지 집적모듈 구조에서 상부 또는 하부의 단일 기판에는 양극 또는 음극의 단일 종류의 전극만이 존재하도록 설계되어 있다. 이러한 구조에서 집적화를 위해 복수 개의 단위셀을 연결할 경우 상부와 하부를 연결하는 연결전극(106)은 비유효면적부이므로, 이 연결전극(106)을 제거하면, 이 부분까지 유효면적으로 사용하는 것이 가능하고, 이에 따라 태양전지의 전체 유효면적을 증가시켜, 모듈 단위면적당의 효율을 상승시키는 것이 가능하다. 또한 이 연결전극 (106)의 존재는 전지의 구조를 복잡하게 만들어 제조기술 및 공정관리를 어렵게 만들고, 실제 전지모듈의 대량 생산 시 제작시간을 증가시키고 전지의 불량을 생성하는 요인이 되며, 또한 복잡한 다수의 많은 단위셀을 집적시킬 경우 기술적인 문제를 발생시키고 있다.In the above-described conventional dye-sensitized solar cell integrated module structure, a single substrate on the upper or lower portion is designed such that only a single type of electrode of the anode or the cathode exists. In this structure, when connecting a plurality of unit cells for integration, the connecting electrode 106 connecting the upper part and the lower part has an ineffective area, so when the connecting electrode 106 is removed, it is recommended to use the effective area up to this part. It is possible to increase the total effective area of the solar cell, thereby increasing the efficiency per module area. In addition, the presence of the connection electrode 106 complicates the structure of the battery, making manufacturing technology and process management difficult, and increases the manufacturing time during mass production of the actual battery module, and causes the defect of the battery. Integrating a large number of unit cells has caused technical problems.
본 발명은 이상과 같은 종래 염료감응형 태양전지에서의 문제점을 감안하여 창출된 것으로서, 종래의 염료감응형 태양전지가 양극판과 음극판의 두 단일 판상에 각각 한 종류의 극성만을 가진 구조를 개선하여, 동일 기판 위에 양극과 음극을 동시에 가진 패턴을 지니게 함으로써 집적모듈의 구조를 단순화 시켜 태양광 흡수 유효 면적을 증대시키고, 전류-전압 특성을 향상시키며, 태양광을 양방향으로 받아들일 수 있는 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지를 제공함에 그 목적이 있다. The present invention has been made in view of the above problems in the conventional dye-sensitized solar cell, by improving the structure of the conventional dye-sensitized solar cell having only one type of polarity on each of the two single plate of the positive electrode plate and the negative electrode plate, Alternating polarity unit to simplify the structure of the integrated module by increasing the solar absorption effective area, improve the current-voltage characteristics, and receive sunlight in both directions by having a pattern having both an anode and a cathode simultaneously on the same substrate. It is an object of the present invention to provide a dye-sensitized solar cell having an array structure of cells.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지는, In order to achieve the above object, the dye-sensitized solar cell having an arrangement structure of unit cells of alternating polarity according to the present invention,
상,하부 투명기판과, 그 상,하부 투명기판의 내측 표면에 각각 형성된 도전성 투명전극과, 일측 도전성 투명전극 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 TiO2 다공질 전극과, 타측 도전성 투명전극 위에 형성된 촉매 박막전극과, 상기 TiO2 다공질 전극과 촉매 박막전극 사이에 충전된 전해질과, 일측 단위셀과 타측 단위셀을 전기적으로 연결하는 단위셀 간 연결전극과, 일측 단위셀과 타측 단위셀을 전기적으로 절연하는 단위셀 간 절연체 및 상,하부 투명기판에 각각 마련된 외부 연결용 전극을 구비하는 염료감응형 태양전지에 있어서,A conductive transparent electrode formed on the upper and lower transparent substrates, an inner surface of the upper and lower transparent substrates, a conductive transparent electrode formed on one side, and a TiO 2 porous electrode adsorbed with dye on the surface, and formed on the other conductive transparent electrode. A catalyst thin film electrode, an electrolyte filled between the TiO 2 porous electrode and the catalyst thin film electrode, a connecting electrode between unit cells electrically connecting one unit cell and the other unit cell, and one unit cell and the other unit cell electrically In the dye-sensitized solar cell having an insulator between the unit cells to insulate and the electrode for external connection provided on the upper and lower transparent substrates,
상기 상,하부 투명기판 상에 상기 각 단위셀의 양극(+)과 음극(-)이 교대로 배열되도록 각 단위셀이 형성되고, 상기 단위셀 간을 연결하는 연결전극이 상부 기판과 하부 기판을 수직방향으로 연결하도록 형성되는 것이 아니라 이웃하는 단위셀들의 양극(+)과 음극(-)을 서로 수평방향으로 연결하도록 형성되어 있는 점에 그 특징이 있다. Each unit cell is formed on the upper and lower transparent substrates so that the anodes (+) and the cathodes (-) of the unit cells are alternately arranged, and connecting electrodes connecting the unit cells form an upper substrate and a lower substrate. It is not formed to connect in the vertical direction, but is characterized in that it is formed to connect the positive and negative electrodes (-) of neighboring unit cells in a horizontal direction with each other.
여기서, 바람직하게는 상기 태양전지의 양쪽 방향으로 태양광을 받아들일 수 있도록 하기 위해 상기 상부 기판의 외표면의 소정 부위에 자외선 차단막을 더 설치한다. Here, preferably, a UV blocking film is further provided on a predetermined portion of the outer surface of the upper substrate in order to receive sunlight in both directions of the solar cell.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지를 나타낸 것으로서, 도 2는 측면도이고, 도 3은 평면도이다.2 and 3 show a dye-sensitized solar cell having an arrangement structure of unit cells of alternating polarity according to the present invention. FIG. 2 is a side view and FIG. 3 is a plan view.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지는 일단은 종래 염료감응형 태양전지의 구성요소를 기본적으로 구비한다. 즉, 상,하부 투명기판(201a)(201b)과, 그 상,하부 투명기판 (201a)(201b)의 내측 표면에 각각 형성된 도전성 투명전극(202a)(202b)과, 일측 도전성 투명전극(202a) 위에 형성된 것으로 그 표면에는 염료가 흡착된 TiO2 다공질 전극(203)과, 타측 도전성 투명전극(202b) 위에 형성된 촉매 박막전극(105)과, 상기 TiO2 다공질 전극(203)과 촉매 박막전극(105) 사이에 충전된 전해질(204)과, 일측 단위셀과 타측 단위셀을 전기적으로 연결하는 단위셀 간 연결전극(206)과, 일측 단위셀과 타측 단위셀을 전기적으로 절연하는 단위셀 간 절연체(207) 및 상,하부 투명기판(201a)(201b)에 각각 마련된 외부 연결용 전극(208a)(208b)을 기본적으로 구비한다.2 and 3, the dye-sensitized solar cell having an arrangement structure of the unit cell of the alternating polarity according to the present invention is basically provided with the components of the conventional dye-sensitized solar cell. That is, the upper and lower transparent substrates 201a and 201b, the conductive transparent electrodes 202a and 202b formed on the inner surfaces of the upper and lower transparent substrates 201a and 201b, respectively, and the one conductive transparent electrode 202a. The TiO 2 porous electrode 203 on which the dye is adsorbed, the catalyst thin film electrode 105 formed on the other conductive transparent electrode 202b, the TiO 2 porous electrode 203 and the catalyst thin film electrode ( An electrolyte 204 filled between the electrode, a connecting electrode 206 between the unit cells electrically connecting one unit cell and the other unit cell, and an insulator between the unit cells electrically insulating the one unit cell and the other unit cell. Externally provided electrodes 208a and 208b provided at 207 and upper and lower transparent substrates 201a and 201b, respectively.
그러나, 본 발명의 염료감응형 태양전지에 있어서는, 상기 단위셀 간 연결전극(206)과 절연체(207) 및 외부 연결용 전극(208a)(208b)을 제외한 나머지 제구성요소들로 이루어진 각 단위셀의 양극(+)과 음극(-)이 상기 상,하부 투명기판 (201a)(201b) 상에 교대로 배열되도록 각 단위셀이 형성되고, 상기 단위셀 간을 연결하는 연결전극(206)이 종래 염료감응형 태양전지(도 1 참조)에서와 같이 상부 기판(201a)과 하부 기판(201b)을 수직방향으로 연결하도록 형성되는 것이 아니라, 이웃하는 단위셀들의 양극(+)과 음극(-)을 서로 수평방향으로 연결하도록 형성되는 점에 특징이 있다. 또한, 상기 절연체(207)를 연결전극(206) 부위에 직접 형성한다. However, in the dye-sensitized solar cell of the present invention, each unit cell composed of the remaining components except for the connection electrode 206 and the insulator 207 and the external connection electrodes 208a and 208b between the unit cells. Each of the unit cells is formed such that the anode (+) and the cathode (-) are alternately arranged on the upper and lower transparent substrates 201a and 201b, and a connection electrode 206 connecting the unit cells is conventionally used. As in the dye-sensitized solar cell (see FIG. 1), the positive and negative electrodes (+) and (−) of neighboring unit cells are not formed to vertically connect the upper substrate 201a and the lower substrate 201b. It is characterized in that it is formed to be connected to each other in the horizontal direction. In addition, the insulator 207 is formed directly on the connection electrode 206.
상기 상,하부 투명기판(201a)(201b)은 유리 또는 투명 플라스틱 재질로 구성되고, 상기 도전성 투명전극(102a)(102b)으로는 ITO, FTO 또는 ZnO와 같은 물질이 사용될 수 있다. 상기 다공질 전극(203)은 비표면적이 높은 다공질상의 TiO2 또는 ZnO 전극 위에 단분자층의 Ru계 염료가 입혀져 있는 음극 전극이며, 촉매 박막전극 (205)은 백금, 카본 또는 카본나노튜브로 제작된 상대전극이다.The upper and lower transparent substrates 201a and 201b may be made of glass or a transparent plastic material, and materials such as ITO, FTO, or ZnO may be used as the conductive transparent electrodes 102a and 102b. The porous electrode 203 is a cathode electrode in which Ru-based dye of monomolecular layer is coated on a porous TiO 2 or ZnO electrode having a high specific surface area, and the catalyst thin film electrode 205 is a counter electrode made of platinum, carbon or carbon nanotubes. to be.
이상과 같은 본 발명의 염료감응형 태양전지 모듈은 3개의 단위셀로 구성되어 있는 바, 제일 왼쪽의 단위셀은 상부가 음극, 하부가 양극으로 되어 있고, 가운데 단위셀은 왼쪽과 반대로 상부가 양극, 하부가 음극으로 되어 있으며, 오른쪽 단위셀은 다시 반대로 상부가 음극, 하부가 양극으로 되어 있다. 즉, 상부 기판 (201a)에서 보면, 왼쪽부터 음극-양극-음극과 같이 극성이 교대로 반복되어 있다. 단위셀과 단위셀의 연결은 연결전극(206)에 의해 이루어지고, 일측 단위셀의 양극과 이웃하는 타측 단위셀의 음극이 동일 기판 상에서 직접 연결된다. The dye-sensitized solar cell module of the present invention as described above is composed of three unit cells. The leftmost unit cell has an upper portion as a cathode and a lower portion as an anode, and the center unit cell has an upper portion as opposed to the left side. The lower part is the negative electrode, and the right unit cell is reversely the upper part is the negative electrode and the lower part is the positive electrode. In other words, when viewed from the upper substrate 201a, the polarities are alternately repeated like the cathode-anode-cathode from the left side. The unit cell and the unit cell are connected by the connection electrode 206, and the anode of one unit cell and the cathode of the other unit cell neighboring are directly connected on the same substrate.
한편, 이상과 같은 구조적 특징으로 본 발명의 태양전지 모듈은 종래의 태양전지에 있어서의 단위셀 간 연결전극(106)이 차지하던 공간이 필요 없게 되고, 이에 따라 태양전지 모듈의 유효면적을 증대시키는 것이 가능하게 된다. 그리고, 종래의 태양전지에서와 같이 상하 수직방향의 연결전극(106)을 사용할 경우 상,하부 기판(101a)(101b)의 간격만큼 두껍게 연결전극(106)을 형성시켜 주어야 하지만, 본 발명과 같이 동일기판 상에 연결전극(206)을 마련할 경우 연결전극(206)의 두께는 0.1∼5㎛ 정도의 박막으로 충분하므로 전기 전도성을 향상시키고, 제작이 용이해진다. 또한, 종래의 염료감응형 태양전지 제조기술에서 기판 식각 →그리드전극 제작→음극 제작 →양극 제작 →상하 연결전극 제작 →절연패턴 제작으로 이루어지는 일련의 제조 공정에서, 상하 연결전극의 제조공정이 없이, 상하기판의 초기 식각과정과 이후의 전극 그리드 제작 과정에서 바로 연결전극을 제조함으로써, 고비용의 핵심 공정을 한 공정 제거하고, 제작공정의 간소화와 공정비의 절감 및 공정 중 발생하는 불량요인을 제거하는 효과를 거둘 수 있다.On the other hand, the above-described structural features of the solar cell module of the present invention does not require the space occupied by the connecting electrode 106 between the unit cells in the conventional solar cell, thereby increasing the effective area of the solar cell module It becomes possible. In the case of using the connecting electrodes 106 in the vertical direction as in the conventional solar cell, the connecting electrodes 106 should be formed as thick as the gap between the upper and lower substrates 101a and 101b. When the connection electrode 206 is provided on the same substrate, since the thickness of the connection electrode 206 is about 0.1 to 5 μm, a thin film is sufficient to improve electrical conductivity and to facilitate manufacturing. In addition, in the conventional dye-sensitized solar cell manufacturing technology, in a series of manufacturing processes consisting of substrate etching → grid electrode production → cathode production → anode production → vertical connection electrode production → insulation pattern production, there is no manufacturing process of the vertical connection electrode. By manufacturing the connecting electrode in the initial etching process of the upper and lower substrates and the subsequent fabrication of the electrode grid, it eliminates one expensive core process, simplifies the manufacturing process, reduces the process cost, and eliminates defects that occur during the process. It can work.
도 4는 본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.4 is a view showing another embodiment of a dye-sensitized solar cell having an arrangement structure of unit cells of alternating polarity according to the present invention.
도 4를 참조하면, 이 다른 실시예의 경우는 상기 도 2의 실시예의 경우와 그 구성에 있어서는 기본적으로 동일하다. 다만, 이 다른 실시예의 경우에 있어서는 상부 기판(201a)의 외측 표면의 소정 부위에 자외선 차단막(209)이 더 형성되어 있는 점이 다르다. Referring to FIG. 4, this other embodiment is basically the same as that of the embodiment of FIG. However, in the case of this other embodiment, the difference is that the UV blocking film 209 is further formed at a predetermined portion of the outer surface of the upper substrate 201a.
즉, 상기 도 2에서와 같이 동일기판 상에 전극이 교번으로 배열되어 연결되는, 단위셀이 정방향과 역방향으로 교대로 반복되는 태양전지 모듈에서, 태양광이 입사되는 전면에 TiO2 음극이 있지 않고, 도 2에서 상부에 광원이 있을 때의 3개의 단위셀중 중앙에 위치하는 단위셀과 같이 촉매 박막전극(상대전극)(205)이 먼저 태양광을 받을 경우, 자외선에 의한 염료 및 전해질의 손상을 막기 위해 자외선 차단막을 해당 단위셀 위에 형성하는 것이다.That is, in the solar cell module in which the unit cells are alternately repeated in the forward direction and the reverse direction in which the electrodes are alternately arranged and connected to the same substrate as shown in FIG. 2, there is no TiO 2 cathode on the front surface where the sunlight is incident. In FIG. 2, when the catalyst thin film electrode (relative electrode) 205 receives sunlight first, as in the unit cell positioned at the center of the three unit cells when the light source is located in the upper portion, damage of the dye and the electrolyte due to ultraviolet rays occurs. In order to prevent the UV blocking film is formed on the unit cell.
태양광의 자외선은 염료감응형 태양전지의 염료 및 전해질에 손상을 주어 태양전지의 성능을 떨어뜨린다. 나노 다공질 TiO2 전극(203)(음극)은 400nm 이하의 파장을 지닌 자외선을 흡수하므로, 이 음극을 통과한 태양광은 자외선을 잃어버리므로, 태양전지 내부의 염료와 전해질에 손상을 주지 않는다. 그러나 상대전극이 먼저 태양광을 받을 경우 태양광의 자외선이 차단없이 통과하므로 염료와 전해질에 직접 손상을 미치게 된다. 이를 방지하기 위해 상대전극에 해당하는 부분에 상응하여 상부 투명기판(201a)의 외측 표면에 TiO2, ZnO 또는 다른 투명한 재료로 만들어진 자외선 차단막(209)을 설치하는 것이다.The ultraviolet rays of sunlight damage the dyes and electrolytes of the dye-sensitized solar cells, which degrades the performance of the solar cells. Since the nanoporous TiO 2 electrode 203 (cathode) absorbs ultraviolet rays having a wavelength of 400 nm or less, sunlight passing through the cathode loses ultraviolet rays, and thus does not damage dyes and electrolytes in the solar cell. However, when the counter electrode receives sunlight first, the ultraviolet rays of sunlight pass through without blocking, which directly damages the dye and the electrolyte. In order to prevent this, a UV blocking film 209 made of TiO 2 , ZnO, or other transparent material is installed on the outer surface of the upper transparent substrate 201a corresponding to the portion corresponding to the counter electrode.
도 5는 종래 염료감응형 태양전지와 본 발명의 염료감응형 태양전지의 구조에 있어서의 유효면적을 비교하여 보여주는 도면이다.5 is a view showing a comparison of the effective area in the structure of the conventional dye-sensitized solar cell and the dye-sensitized solar cell of the present invention.
도 5를 참조하면, (가)는 종래의 태양전지에서 단위셀이 1차원 배열을 할 때 차지하는 면적의 크기를 보여주는 것이고, (나)는 본 발명의 태양전지에서 단위셀이 1차원 배열을 할때 차지하는 면적의 크기를 보여주는 것이며, (다)는 2차원 배열을 할 경우 종래의 태양전지에서 단위셀이 차지하는 면적의 크기를 보여주는 것이고, (라)는 본 발명의 태양전지에서 2차원 배열시 단위셀이 차지하는 면적의 크기를 보여주는 것이다. Referring to FIG. 5, (a) shows the size of the area occupied by the unit cells in the one-dimensional array in the conventional solar cell, and (b) shows the unit cells in the one-dimensional array in the solar cell of the present invention. (C) shows the size of the area occupied by the unit cell in the conventional solar cell when the two-dimensional array is performed, and (d) is the unit during the two-dimensional array in the solar cell of the present invention. It shows the size of the area occupied by the cell.
이상과 관련하여, 본 발명의 염료감응형 태양전지 모듈 구조가 종래의 염료감응형 태양전지 모듈에 대해 가질 수 있는 유효면적의 증가는 다음과 같이 계산될 수 있다. 단위셀의 폭이 1cm, 단위셀의 길이가 10cm, 연결전극의 폭이 1.5mm, 절연체 제작을 위한 면적의 폭이 1.5mm일 경우, 상기 도 1의 종래의 구조에서 유효면적은 (1cm ×10cm)/(1.3cm ×10cm)=76.9%이고, 본 발명의 구조의 경우 유효면적은 연결전극 만큼의 면적이 필요없으므로 (1cm ×10cm)/(1.15cm ×10cm)=87.0%이다. 이렇게 본 발명의 구조에서는 종래의 구조에 비해 유효면적이 10%가량 향상됨을 알 수 있다. 염료감응형 태양전지는 단위셀의 폭이 작을수록 효율이 향상되는 경향이 있다. 이에 따라 효율을 상승시키기 위해 단위셀의 폭을 줄일 경우, 유효면적의 차이는 더욱 커지게 된다. 이러한 방식으로 계산된 유효면적의 증가는 5-20%의 범위 내에 있다.In relation to the above, the increase in the effective area that the dye-sensitized solar cell module structure of the present invention can have for the conventional dye-sensitized solar cell module can be calculated as follows. When the width of the unit cell is 1cm, the length of the unit cell is 10cm, the width of the connecting electrode is 1.5mm, and the width of the area for manufacturing the insulator is 1.5mm, the effective area of the conventional structure of FIG. 1 is (1cm × 10cm ) / (1.3cm × 10cm) = 76.9%, and the effective area of the structure of the present invention is (1cm × 10cm) / (1.15cm × 10cm) = 87.0% since the effective area is not required as much as the connecting electrode. Thus, it can be seen that the effective area is improved by about 10% compared to the conventional structure. In the dye-sensitized solar cell, the smaller the width of the unit cell, the higher the efficiency tends to be. Accordingly, when the width of the unit cell is reduced to increase the efficiency, the difference of the effective area becomes larger. The increase in effective area calculated in this way is in the range of 5-20%.
이상을 통해 알 수 있듯이, 종래 태양전지에서의 상,하 수직방향의 연결전극 (503)이 제거됨에 따른 태양광 흡수 유효면적(501)의 증대 효과가 명확하게 나타나고 있다. 도 5에서 참조번호 502는 단위셀 간의 격리막을 나타낸다.As can be seen from the above, the effect of increasing the solar absorption effective area 501 is clearly shown as the connection electrode 503 in the vertical direction of the conventional solar cell is removed. In FIG. 5, reference numeral 502 denotes a separator between unit cells.
도 6은 본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지에 있어서, 모듈을 확장하여 대면적화하거나 효율향상을 위해 패턴을 다양한 구조로 변형한 예들을 보여주는 도면이다. FIG. 6 is a view illustrating examples of dye-sensitized solar cells having an alternating polarity unit cell arrangement according to an embodiment of the present invention, in which the module is expanded to a large area or modified in various structures for efficiency.
본 발명의 태양전지는 전술한 바와 같이 3개의 단위셀이 음극과 양극이 교대되는 구조를 지닌다. 그러나, 도 6의 (가),(나)에서와 같이 세로 방향으로 긴 단위셀을 2개 이상 수 십개 일정 간격으로 배열하여 대면적의 집적 모듈로 제작할 수 있다. (가)와 (나)는 1차원 배열의 모듈의 예로써, 유리기판의 면적이 300mm ×300mm, 단위셀의 폭은 10mm, 단위셀의 길이 30mm, 연결 전극의 폭 1mm인 모듈의 경우, 전체 모듈은 27개의 단위셀을 지닐 수 있다. 단위셀의 폭은 5∼20mm의 범위에서 조절되고, 연결전극의 폭은 0.2∼2mm의 범위에서 조절이 가능하다. 모듈기판의 크기는 5cm ×5cm∼1m ×1m의 면적을 지닐 수 있다. As described above, the solar cell of the present invention has a structure in which three unit cells alternate between a cathode and an anode. However, as shown in (a) and (b) of FIG. 6, two or more dozen unit cells arranged in the vertical direction may be arranged at regular intervals to produce a large-area integrated module. (A) and (B) are examples of one-dimensional array modules. For modules with a glass substrate of 300 mm × 300 mm, unit cell width 10 mm, unit cell length 30 mm, and connection electrode width 1 mm, The module may have 27 unit cells. The width of the unit cell is adjusted in the range of 5 to 20 mm, and the width of the connecting electrode is adjustable in the range of 0.2 to 2 mm. The size of the module substrate may have an area of 5 cm x 5 cm to 1 m x 1 m.
도 6의 (다),(라)의 경우는 1차원이 아닌 2차원 구조로 전극이 교대로 역전되는 단위셀을 지닌 모듈 배열을 보여주고 있다. 2차원 배열은 1차원 배열의 긴 단위셀을 보다 작은 단위셀로 나눈 것으로 단위셀에서 발생된 발전 전기의 전달이 연결전극을 통해 효율적으로 이루어지므로 보다 효율을 높일 수 있는 배열이다. 이와 같은 배열 구조는 위의 (가),(나)와 같은 1차원 단위셀 배열 구조에서 음극 하부에 연결전극을 그리드(grid) 형상으로 바로 넣은 것으로, 이와 같은 경우에는 연결전극은 분리된 단위셀을 연결하는 것이 아니고, 긴 단위셀 하부에 단순히 전극만 형성되어 있는 것이다. 그리고, 긴 단위셀과 단위셀 사이에는 상기 도 1에서와 동일하게 연결전극이 형성되어 있다. In the case of (C) and (D) of FIG. 6, a module arrangement having unit cells in which electrodes are alternately reversed in a two-dimensional structure rather than a one-dimensional structure is illustrated. The two-dimensional array divides the long unit cell of the one-dimensional array into smaller unit cells, and thus, the transmission of generated electricity generated in the unit cell is efficiently performed through the connecting electrode, thereby increasing the efficiency. Such an arrangement structure is that in the one-dimensional unit cell arrangement structure as shown in (a) and (b) above, the connecting electrode is directly placed in a grid shape at the lower part of the cathode. In this case, the connecting electrode is a separate unit cell. Rather than connecting the electrode, only the electrode is formed below the long unit cell. A connection electrode is formed between the long unit cell and the unit cell as in FIG. 1.
도 6의 (가), (나), (다), (라)의 4개의 그림에서 외부전극과의 연결회로가 모두 다른데, 이는 단위셀과 연결전극의 배열에 따라 직렬, 병렬 및 직병렬의 다양한 회로가 쉽게 만들어 질 수 있음을 의미한다. 도 6에서 참조번호 601은 음극부, 602는 양극부, 603은 단위셀 간 연결전극, 604는 외부 연결용 전극을 각각 나타낸다. In Fig. 6 (a), (b), (c), and (d), all of the connection circuits with the external electrodes are different, which is in series, parallel and parallel with the arrangement of the unit cells and the connection electrodes. It means that various circuits can be made easily. In FIG. 6, reference numeral 601 denotes a negative electrode, 602 denotes an anode, 603 denotes a connection electrode between unit cells, and 604 denotes an electrode for external connection.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지는, 다음과 같은 장점 및 효과를 갖는다. As described above, the dye-sensitized solar cell having the arrangement structure of the unit cells of alternating polarity according to the present invention has the following advantages and effects.
첫째, 종래의 염료감응형 태양전지가 상,하부 기판이 동일한 전극의 극성을 갖도록 되어 있어 단위셀을 상,하 방향으로 연결하는 연결전극을 따로 모듈 내부에 만들어 주어야 하는 것에 반해, 음극과 양극을 교대로 동일 기판에 두고 동일 기판 상에 연결전극을 수평방향으로 형성함으로써, 종래의 태양전지에서 연결전극이 지니고 있던 비유효면적을 줄일 수 있고, 그 결과 모듈의 유효면적이 증가하여 모듈의 효율을 향상시킬 수 있다. First, in the conventional dye-sensitized solar cell, the upper and lower substrates have the same polarity of the electrode, so that the connection electrode connecting the unit cells in the up and down directions must be made in the module separately. By alternately placing the connection electrodes on the same substrate in the horizontal direction, the effective area of the connection electrodes in the conventional solar cell can be reduced, and as a result, the effective area of the module is increased to increase the efficiency of the module. Can be improved.
둘째, 단위셀을 전기적으로 절연하는 절연체는 연결전극 위에 직접 제작할 수 있어 연결전극과 절연체가 각각 차지하고 있던 면적을 하나로 결합함으로써 구조의 단순화 및 공정의 단순화가 가능하다.Second, the insulator that electrically insulates the unit cell can be manufactured directly on the connection electrode, thereby simplifying the structure and the process by combining the areas occupied by the connection electrode and the insulator.
셋째, 양극을 통하여 자외선을 포함한 태양광이 입사될 경우, 자외선이 염료 및 전해질에 손상을 주는 것을 방지하기 위한 차단막이 마련되어 있어, 태양전지의 수명 및 효율의 감소를 방지할 수 있다.Third, when solar light including ultraviolet rays is incident through the anode, a blocking film is provided to prevent the ultraviolet rays from damaging the dye and the electrolyte, thereby reducing the lifespan and efficiency of the solar cell.
넷째, 단위셀 사이의 연결전극이 동일 기판 상에 있고, 두께가 0.1∼5㎛의 얇은 박막상으로 제조가 되므로, 복잡한 패턴을 그리드 전극이나 상대전극을 형성할 때 함께 제조함으로써 다양한 연결회로를 형성할 수 있고, 그에 따라 필요한 전압-전류 요구사양에 합당한 전지회로를 기판 내에서 쉽게 만들 수 있다. Fourth, since the connecting electrodes between the unit cells are on the same substrate and are manufactured in a thin thin film having a thickness of 0.1 to 5 μm, complex patterns are formed together to form various connection circuits when forming a grid electrode or a counter electrode. This makes it possible to easily create a battery circuit in the substrate that meets the required voltage-current requirements.
도 1은 종래 염료감응형 태양전지의 집적 모듈의 구조를 보여주는 도면.1 is a view showing the structure of an integrated module of a conventional dye-sensitized solar cell.
도 2는 본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지의 구조를 보여주는 측면도. Figure 2 is a side view showing the structure of a dye-sensitized solar cell having an arrangement of alternating polarity unit cells according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지의 구조를 보여주는 평면도.3 is a plan view showing a structure of a dye-sensitized solar cell having an arrangement of unit cells of alternating polarity according to the present invention.
도 4는 본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지의 다른 실시예를 보여주는 도면.4 is a view showing another embodiment of a dye-sensitized solar cell having an arrangement structure of unit cells of alternating polarity according to the present invention.
도 5는 종래 염료감응형 태양전지와 본 발명의 염료감응형 태양전지의 구조에 있어서의 유효면적을 비교하여 보여주는 도면.5 is a view showing a comparison of the effective area in the structure of the conventional dye-sensitized solar cell and the dye-sensitized solar cell of the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 교번 극성의 단위 셀의 배열구조를 갖는 염료감응형 태양전지에 있어서, 모듈을 확장하여 대면적화하거나 효율향상을 위해 패턴을 다양한 구조로 변형한 예들을 보여주는 도면.FIG. 6 is a view illustrating examples of dye-sensitized solar cells having an alternating polarity unit cell arrangement according to an embodiment of the present invention, in which a module is expanded into various structures to expand a large area or improve efficiency.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
101a,201a...상부 투명기판 101b,201b...하부 투명기판101a, 201a ... top transparent substrate 101b, 201b ... bottom transparent substrate
102a,102b,202a,202b...도전성 투명전극102a, 102b, 202a, 202b ... conductive transparent electrode
103,203...TiO2 다공질 전극 104,204...전해질103,203 ... TiO 2 porous electrode 104,204 ... electrolyte
105,205...촉매 박막전극 106,206...단위셀 간 연결전극105,205 ... catalyst thin film electrode 106,206 ... connection electrode between unit cells
107,207...단위셀 간 절연체 108a,108b,208a,208b...외부 연결용 전극107,207 ... Insulator between unit cells 108a, 108b, 208a, 208b ... External connection electrode
209...자외선 차단막 501...태양광 흡수 유효면적209 UV barrier 501 Solar absorption area
502...단위셀 간 격리막 503...단위셀 간 연결전극502 ... between unit cells 503 ... connection electrode between unit cells
601...음극부 602...양극부601 ... cathode 602 ... anode
603...단위셀 간 연결전극 604...외부 연결용 전극603 ... connecting electrode between unit cells 604 ... electrode for external connection
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